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聚合物太阳能电池在成本、重量、柔韧性等方面具有优势,因此近年来到受了广泛的关注。采用本体异质结结构的聚合物太阳能电池效率已经超过10%。聚合物太阳能电池的活性层一般由作为电子给体的聚合物材料和作为电子受体的可溶性富勒烯衍生物构成。其中,聚合物给体材料的发展在PSCs性能的提升中扮演了关键的角色。聚合物材料按照光学带隙可以分为窄带隙、中带隙和宽带隙。不同光学带隙的材料的协同作用将进一步提升光伏器件的效率。在本论文的工作中,我们设计了一系列具有不同光学带隙的新型聚合物。第一章介绍了聚合物太阳能电池的工作原理及相关的器件参数。按照光学带隙,将聚合物分为宽带隙聚合物、中带隙聚合物和窄带隙聚合物,分别综述了它们的最新进展,最后阐述了本论文的设计思想和主要内容。第二章设计合成了一个新的弱电子给体单元,4-(2-辛基十二烷基)-二噻吩并[3,2-b：2’,3’-d]吡啶-5(4H)-酮(DTPO),并得到了基于DTPO的均聚物PDTPO和共轭聚合物PDTPO-BDTO与PDTPO-BDTT。PDTPO、PDTPO-BDTO与PDTPO-BDTT的光学带隙为分别为1.86、2.02和1.95 eV。三个聚合物表现出了深的HOMO能级,分别为-5.53、-5.38和-5.44 eV。PDTPO在OFET中表现出了良好的空穴迁移率,为0.19 cm2 V-1 s-1。 PDTPO-BDTO和PDTPO-BDTT作为给体材料被应用于PSCs器件中。在正向器件中, PDTPO-BDTO器件的PCE为6.19%；PDTPO-BDTT器件的PCE达到了6.84%。在倒置器件中,PDTPO-BDTO器件的PCE为6.84%；PDTPO-BDTT器件的PCE为6.61%。基于PDTPO-BDTO和PDTPO-BDTT的PSCs器件的最大PCE效率均为6.84%,是目前已报道的基于光学带隙约为2.0 eV的聚合物的器件的最高水平之一。我们还进一步评估了两个聚合物在器件中的稳定性,倒置器件的空气稳定性要明显好于正向器件。第三章设计和合成了一个基于单氟取代苯并噻二唑(FBT)为受体单元、四联噻吩为给体单元的的新型窄带隙D-A共聚物P4TFBT。分离得到了低分子量(L-P4TFBT)和高分子量(H-P4TFBT)两种组分。研究表明,分子量对聚合物的光学带隙和电化学能级影响很小。然而,分子量的高低对太阳能电池器件的短路电流有较为明显的影响,高分子量聚合物的器件的PCE更高。基于L-P4TFBT的器件的PCE为5.80%,而基于H-P4TFBT的器件的PCE为7.45%,这是基于FBT的共轭聚合物器件的最高值之一。此外,H-P4TFBT在场效应晶体管中也表现出优越的性能,场效应迁移率高达0.39 cm2 V-1 s-1,开关比为108。这在所有已报道的基于FBT的共轭聚合物场效应晶体管中是最高的。第四章设计了苯并呋咱为受体单元、四联噻吩为给体单元的具有不同位置烷基链的D-A共聚物P4T14BO和P4T20BO。通过烷基链位置和数目的调整,减小聚合物主链上的位阻使得聚合物的光学吸收向长波方向移动。聚合物主链位阻小的P4T20BO的最大吸收峰相比聚合物主链位阻大的P4T14BO红移了136 nm,光学带隙从P4T14BO的2.06 eV下降到了1.60 eV。聚合物主链上位阻的减小,使得最终聚合物的HOMO能级有所上升,从P4T14BO的-5.44 eV上升到P4T20BO的-5.25 eV。P4T20BO在聚合物太阳能电池器件中显示出的空穴迁移率为1.49×10-4 cm2 V-1 s-1。在聚合物太阳能电池中表现出了适中的光伏性能,其PCE为4.44%。第五章以苯和萘为给体单元、氟取代的苯并噻二唑为受体单元合成了四个聚合物PNBT、PNFBT、PN2FBT和PB2FBT。它们的光学带隙分别为1.77、1.77、1.81和1.75 eV,属于中带隙聚合物；它们的HOMO能级分别为-5.46、-5.49、-5.43和-5.22 eV。π电子更加离域的萘的聚合物的HOMO能级明显低于苯的聚合物。基于萘的聚合物的SCLC空穴迁移率比基于苯的聚合物PB2FBT的空穴迁移率至少高了一个数量级。聚合物PNBT、PNFBT、PN2FBT和PB2FBT在经过优化的器件中获得的最大的能量转换效率分别是0.46、2.57、2.59和0.44%。器件的活性层的形貌图表明,PN2FBT器件的活性层有利于激子的分离及传输,因此获得的短路电流最大,器件性能最好。第六章通过将4,7-二噻吩基-2,1,3-苯并噻二唑(DTBT)中的两个噻吩并到苯并噻二唑的苯环上,设计合成了一个新的大平面的弱受体单元,二噻吩并[3’,2’：3,4；2”,3”：5,6]苯并[1,2-c][1,2,5]噻二唑(fDTBT),并将其和三联噻吩共轭得到了一个新的宽带隙聚合物P3TfDTBT。由于fDTBT的弱吸电子性能,导致聚合物P3TfDTBT具有大的光学带隙,其光学带隙为1.98 eV。大的平面有利于π电子的离域,导致P3TfDTBT具有深的HOMO能级,为-5.48 eV。P3TfDTBT为给体材料,PC71BM为受体材料的聚合物太阳能电池正向器件在给受体质量比为1：2时,器件获得了最高的能量转换效率,为0.71%。而在倒置器件中,活性层中给受体比例为1：1时,器件的器件性能最好,能量转换效率为1.16%。使用添加剂DIO优化器件的活性层的形貌后,器件的能量转换效率有了一定程度的提高,能量转换效率提高到了1.77%。在第七章,以强的吸电子单元吡啶噁二唑为受体单元、BDT为给体单元,合成了两个新的D-A型窄带隙共聚物PBDTO-PO和PBDTT-PO.由于吡啶噁二唑的强的吸电子性能,一方面导致聚合物PBDTO-PO和PBDTT-PO具有窄的光学带隙,分别为1.46和1.47 eV,另一方面也使两个聚合物具有深的HOMO能级,分别为-5.40和-5.39 eV。两个聚合物在器件中的SCLC空穴迁移率分别为2.65×10-4和2.24×10-6 cm2 V-1 s-1。PSCs器件在给受体质量比为1：1时获得了最好的器件性能, PBDTO-PO和PBDTT-PO器件的能量转换效率分别为1.49和1.79%。