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有机太阳电池具备质量轻,可溶液加工,制造成本低,可加工成柔性或半透明器件等特点,在未来生产和生活中存在巨大的应用潜力。随着新型给受体材料的开发利用,不同类型器件结构的设计,制备工艺的优化等策略的提出与应用,有机太阳电池得到了迅速发展。特别是最近兴起的非富勒烯受体材料,大幅提升了有机太阳电池的效率潜力。在工业化应用的三要素中（效率、成本和稳定性）,效率仍旧是目前研究的第一要素。为实现器件光伏性能的提升,除了在活性层给受体材料上下功夫,从器件角度设计更加合理的材料组合,和开发更加优异的制备工艺也是关键。其中,一般的二元体系器件会存在着一些限制,比如光谱吸收范围窄,光电流和开路电压之间的矛盾,能量损失大以及薄膜形貌不佳等。通过引入第三组分形成的三元体系器件,是解决上述问题,实现效率突破的有效策略。此外,有机太阳电池复杂的形貌和机理探究尚未达到成熟和完善水平,其工作机理也值得进行深入的研究。本论文采用简单工艺构筑三元有机太阳电池的策略,通过吸收光谱的匹配,能级分布的调控,能量损失的优化,区域形貌的调整等设计思路,对器件光伏性能中的短路电流密度（Jsc）、开路电压（Voc）和填充因子（FF）三个参数实现了协同优化,并最终实现三元有机太阳电池光伏性能（PCE）的提升。本论文包含三个章节的工作内容,每个章节分别研究第三组份在三元体系中的不同作用（能量转移、电荷转移和形貌调控）,对器件各方面性能的影响以及器件工作机理。首先,在一个由宽带隙给体PBDB-T（吸收边在700 nm附近）和窄带隙受体HF-PCIC（吸收边在800nm附近）组成的二元体系中,我们引入了一个具有低能量损失特点的近红外受体材料IEICO-4F（吸收边在1000 nm附近）。一方面,由于两受体的互补吸收,使HF-PCIC的荧光能与IEICO-4F的吸收重叠,从而可以在器件工作时实现能量转移,提高对光子的利用率;另一方面,第三组分将吸收光谱拓宽到近红外区域,实现了更大范围的太阳光子捕获;结合这两方面原因,三元体系实现了高达23.46 mA cm-2的Jsc,相对于二元体系的电流增益高达44%,是文献报道中的最高值之一。其次,我们发现三元体系的能量损失由IEICO-4F来决定,从而使构筑的三元体系能量损失能够从二元的0.80eV降低到0.59eV。因此,本工作制备的三元有机太阳电池不仅能够实现显著的Jsc增益,同时能保持高的开路电压,最终将器件效率从二元体系的8.82%,提高到三元体系的11.20%。其次,我们采用了具备更低能级的PBDB-TF,与非稠核受体材料（HF-PCIC/HC-PCIC）进行搭配,从而实现更高的开路电压,但是这样会造成给受体间的能级差减小,从而影响光电流响应和外量子效率。为此,我们在二元体系PBDB-TF:HF-PCIC和PBDB-TF:HC-PCIC中引入了第三组份PC71BM,构筑了具备瀑布式能级分布的高效三元有机太阳电池。由于PC71BM相对于非稠核受体材料更低的能级分布,可以促进两受体间实现电荷转移,从而增大电荷分离和传输效率,实现光电流响应增大和外量子效率提升。此外,PC71BM更优良的分散性,在活性层成膜过程中也可以起到优化形貌的作用,从而使器件保持高填充因子水平（＞70%）。最终,我们将外量子效率从HC-PCIC二元体系的70%,提升到了三元体系的80%以上,光电效率也从二元体系的11.28%提升到三元体系的12.36%。相同增长趋势在基于HF-PCIC的三元体系中也得以实现。此外,制备完成的两个体系的三元器件在130摄氏度长时间加热12小时后仍能保持原体系80%的器件效率,表现出优异的器件热稳定性。最后,结合两类不同结构特征的受体材料（稠环受体和非稠核受体）,通过形貌调控,我们实现了三元有机太阳电池在光伏性能各个参数上的协同提高。我们仍旧选用PBDB-TF作为给体材料,搭配非稠核受体材料HC-PCIC,同时引入稠环受体材料IT-M作为第三组分,得到了全非富勒烯的三元体系。其中,非稠核受体HC-PCIC具备相对更强的结晶性,有利于实现高的载流子迁移率,但是容易造成相分离尺寸过大,增加单分子复合几率;而稠环受体材料IT-M结晶性相对偏弱,可以形成更精细的相分离尺寸,但容易造成双分子复合几率增加,从而影响填充因子FF。结合非稠核和稠环受体材料的各自优势,我们通过三元体系实现了更合适的相分离尺寸,提高了激子扩散和解离,以及载流子传输效率,降低电荷发生双分子复合的几率,从而使开路电压（Voc）、短路电流密度（Jsc）和填充因子（FF）实现协同提升。最终,相对于PBDB-TF:HC-PCIC二元器件11.10%的器件效率和71%的填充因子,三元器件可实现12.51%的最佳效率,和75.12%的最佳填充因子。此外,在2.5%-50%的第三组份含量范围内,三元体系均能实现高于11%的器件效率,表现出三元有机太阳电池少有的成分比例不敏感的特征。总的来说,本文通过在高效二元体系中添加第三组份,有效的构筑三元有机太阳电池,从拓宽光谱吸收,降低能量损失,增大激子分离驱动力,优化相分离尺寸和活性层形貌方面出发,通过三元策略提高有机太阳电池光伏性能。同时对三元器件能量转移,电荷转移等工作机理进行探究,我们发现,能量损失低的近红外材料能够大幅提高体系光电流,并保持高开路电压;驱动力不足的二元体系可以通过电荷转移效应,增大电荷分离和传输效率,提高外量子效率;结合不同受体材料的结构特点进行形貌和相分离尺寸调控,实现激子复合和载流子复合程度降低,从而协同提高短路电流密度和填充因子,实现三元器件光伏性能提升。