摘要
在众多太阳能电池中，有机太阳能电池具有材料结构可设计、器件制备工艺简单灵活、吸收光谱可选择并且能够在柔性或者非柔性衬底上加工等优点，故而成为全球范围内最受瞩目的研究前沿之一。如何设计并合成出高性能的光伏材料、实现活性层形貌的优化进而提高光电转换效率，一直是有机太阳能电池领域的研究重点。本论文采用三元优化策略，从器件制备和材料结构设计两个维度出发，实现了有机太阳能电池性能的提升，主要研究成果如下: (1)基于PM6:L8-BO二元体系，引入新型非富勒烯小分子受体BTA-3BO来构筑高效三元有机太阳能电池，并且系统研究了第三组分的加入对活性层形貌产生的影响。结果表明BTA-3BO能够增强结晶性，提高载流子迁移率，进而优化器件的电荷传输性能。同时BTA-3BO的加入能够改善活性层的形貌，在增大相分离的同时能够实现对纳米纤维结构的精细调控。除此之外，BTA-3BO的加入弥补了二元体系在长波长方向吸收的不足，拓宽了活性层的吸收范围。因此，三元器件获得更高的激子解离、电荷传输效率，电荷复合程度也大大降低。最终，三元器件的Jsc从25.9mAcm-2提高至27.4mAcm-2，能量转换效率从17.8％提高至18.8％。 (2)基于聚合物受体PYT，采用三元共聚策略将具有不同长度烷基链的小分子受体单元(Y5-OD-Br和Y5-EH-Br)与噻吩共聚，合成出一系列聚合物受体—PYT-EHx。结果表明短烷基链单元的引入能够增强材料的结晶性、获得更加紧密的堆积并提高载流子迁移率，进而优化器件的电荷传输性能;且随着短烷基链单元比例的增加，材料结晶性呈现出梯度增强的趋势，PYT-EHx类受体表现出增强且红移的吸收;当x＞0.2时，edge-on取向增加，对电荷传输造成不利影响，PBDB-T:PYT-EH0.2体系获得最高且平衡的载流子迁移率。同时短烷基链单元的引入能够优化材料之间的相容性，且随着短烷基链单元比例的增加而呈现出有规律的变化;其中，PYT-EH0.2受体与PBDB-T的相容性最好(x=0.08K)。除此之外，PYT-EH0.2受体体系获得了合适的相分离程度，不仅激子解离、电荷传输效率最高，电荷复合程度也最弱。相较于PBDB-T:PYT体系，PBDB-T:PYT-EH0.2体系的Jsc从21.4mAcm-2提升至22.6mAcm-2，FF从67.0％提升至70.9％。值得注意的是，短烷基链单元的引入在不改变受体能级的情况下降低了Eloss，使得Voc从0.890V提高至0.920V。因此，PBDB-T:PYT-EH0.2体系取得了PYT-EHx类受体的最高效率—14.8％。
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