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近年来,有机太阳能电池得到快速发展。但是与传统无机太阳能电池相比,有机太阳能电池的光电转换效率和稳定性仍然较低,还达不到产业化的要求。不仅有机太阳能电池的性能有待提高,其复杂的工作机理也需要进一步研究。本论文以制备高效率高稳定性的有机太阳能电池为核心目标,以优化有源层形貌为研究重点,以采用不同分子结构的受体、优化有源层自组装过程和开发有效的后处理工艺为切入点,以薄膜形貌表征技术、光学与光谱学表征技术、电学表征技术、表面成分表征技术为支撑点,以探索优化有源层形貌提高器件性能的关键科学问题为落脚点。主要研究内容如下:(1)通过研究不同分子结构的受体对给受体分子排布方式的影响,探索给受体分子排布方式对有机太阳能电池性能的影响机理。以SMPV1:PC71BM和SMPV1:ICBA为有源层的有机太阳能电池的光电转换效率分别为7.05%和2.54%。以ICBA为受体的器件短路电流远低于以PC71BM为受体的器件短路电流,主要原因有以下两点:(ⅰ)ICBA在可见光范围内吸光能力低于PC71BM;(ⅱ)SMPV1和ICBA分子间垂直交叉的分子排布方式会限制激子的解离、电荷的传输和收集。通过给体和受体的分子结构调控给受体分子排布方式,为提高有机太阳能电池的性能提供了一种新途径。(2)利用醇溶液调控有源层自组装时间,探索有源层在自组装过程中给受体分子排布的变化趋势。在有源层上表面旋涂PFN甲醇溶液的方法既可以快速地终止有源层自组装过程,又可以制备PFN界面修饰层。有源层(PffBT4T-20D:PC71BM)的自组装时间以20分钟为间隔从20分钟被调整到120分钟。经过80分钟的有源层自组装和PFN界面修饰层的添加,有机太阳能电池的光电转换效率从6.74%提高到8.66%。研究表明有源层在自组装过程中有两个变化趋势:(ⅰ)给体分子排布方式逐渐从edge-on向face-on转变,有利于空穴的传输;(ⅱ)给受体相分离尺度逐渐地增加,过长时间的有源层自组装会导致过大的给受体相分离尺度,不利于激子的解离。有源层自组装时间对给体分子排布方式和给受体相分离的优化起到关键的作用,调控有源层的自组装时间是非常有必要的。在有源层上表面旋涂醇溶液是调控有源层自组装时间的有效策略。(3)采用倒置的有源层干燥方法调控有源层自组装过程,优化给体分子排布的有序性以及给受体垂直结构相分离程度。采用倒置的有源层干燥方法明显地提高了基于四种不同有源层(PTB7-Th:PC71BM、PTB7:PC71BM、PffBT4T-20D:PC71BM和PBDT-TS1:PC71BM)的有机太阳能电池的效率和稳定性。采用倒置的有源层干燥方法提高有机太阳能电池性能的原因可归纳为以下三点:(ⅰ)提高了给体分子π-π堆积的有序性及紧密性,有利于空穴传输;(ⅱ)优化了给受体垂直结构相分离,有利于电荷的传输和收集;(ⅲ)使PC71BM更稳固地分布在更有序及更紧密的给体网络中,提高了器件的稳定性。通过稳定性测试研究表明封口膜封装方法可以有效地阻挡水和氧向器件内部扩散,提高有机太阳能电池的稳定性。(4)利用甲醇和溶剂添加剂的互溶特性,采用甲醇或PFN甲醇溶液浸润有源层优化给受体垂直结构相分离。在溶剂添加剂DIO和甲醇的挥发过程中,PC71BM分子会向有源层的上表面迁移,通过调控甲醇浸润时间可以精细地调控给受体垂直结构相分离程度。采用PFN甲醇溶液浸润有源层的方法,不仅可以形成PFN界面偶极增加穿过有源层的内建电场,还可以利用甲醇优化给受体垂直结构相分离。采用先甲醇浸润有源层后旋涂PFN甲醇溶液的两步法策略,既可以优化有源层中给受体垂直结构相分离又可以获得超薄的PFN界面偶极层,为提高有机太阳能电池性能提供了简单有效的方法。先调控有源层自组装时间后采用两步法策略可以先优化给体分子排布方式,再调控受体分子再分布,最后获得超薄的PFN界面偶极层。这种逐步的优化策略通过协同地优化有源层自组装时间和甲醇浸润时间可以进一步提高有机太阳能电池的光电转换效率。