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作为新兴的光电材料,有机-无机金属钙钛矿因具有长的载流子扩散长度、较宽范围的光吸收、较高的吸收效率以及较小的激子结合能等优势,在薄膜太阳能电池中表现出优异的性能。事实上,钙钛矿型光伏器件由于溶液加工简单、成本低以及光电转换效率高等优点而成为下一代太阳能电池的佼佼者。电子传输材料是钙钛矿太阳能电池（PSCs）中最主要的组分之一,在提取和传输光生电子方面起着至关重要的作用,并作为空穴阻挡层抑制电荷重组。通常,根据透明导电电极上所放置的材料类型（n型或p型）,钙钛矿太阳能电池的器件结构可分为正置型（n-i-p）和倒置型（p-i-n）两类。对于n-i-p型器件,金属氧化物（比如,TiO2）通常用于电子传输材料。但在其制备工艺中,需要高温退火来制备金属氧化物,故成为器件大规模应用的一大难题。为了解决这个问题,无金属氧化物的倒置型钙钛矿太阳能电池应运而生。在倒置型钙钛矿太阳能电池中,[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）常用于电子传输材料。但是,在热处理条件下,其形态不稳定会显著降低电池的性能。因此,研究人员致力于开发高效、低廉的非富勒烯类电子传输材料。与非富勒烯聚合物电子传输材料相比,n型有机小分子因其结构简单、电子迁移率高、合成重复性高等优势而成为目前研究的焦点。在众多类型的有机小分子中,如何选择适用于商业化的电子传输材料是学术界和工业界普遍关注的问题。有时候,花费了大量的人力和财力去制备钙钛矿太阳能电池,但是其效率可能达不到研究者的预期。如果能从理论角度对其结构进行设计,然后评估它们的性能,就能大大缩短实验时间并节省大量成本。本文采用密度泛函理论和半经典的Marcus理论,探究了一系列有机小分子材料的电子传输性质。此外,运用分子动力学方法,研究了电子传输材料与钙钛矿界面之间的相互作用。其主要研究内容如下:1.近几年来,倒置型钙钛矿太阳能电池因其低温和可溶液加工性而引起了研究者的广泛关注。在倒置型钙钛矿太阳能电池中,电子传输层是最重要的组成部分之一。与PCBM富勒烯分子相比,非富勒烯n型有机小分子更有潜力成为电子传输层,因为它们的结构容易合成且易于进行化学修饰。在该研究体系中,采用密度泛函理论和Marcus电子转移理论,研究了三种氮杂并苯衍生物的电子传输性质。其中,一个是实验上报道的分子,1,4,9,16-四（三异丙基甲硅烷基）乙炔基喹喔啉[2’’’,3’’’:4’’,5’’]环戊烷[1’’,2’’,3’’:5’,6’]苊[1’,2’:5,6]吡嗪并[2,3-b]吩嗪（1）,另外两个是理论设计的新分子（2和3）。化合物2是通过用氢原子取代化合物1中的异丙基基团而形成的,以评估异丙基基团对电子传输性质的影响。在化合物1的共轭结构中加入一个苯并吡嗪基团形成了化合物3。计算结果表明,异丙基基团能够增加化合物2的HOMO和LUMO能级,提高它在有机溶剂中的溶解度以及疏水性;扩大π共轭不仅能够降低化合物3的LUMO能级和电子重组能,而且能够增加它的溶解度和电子迁移率。因此,我们设计的化合物3有望成为倒置型钙钛矿太阳能电池的电子传输材料。2.运用密度泛函理论和Marcus电子转移理论,研究了一系列单卤代苝二酰亚胺衍生物X-PDI（X=F,Cl,Br）以及母体化合物H-PDI的电子传输特性。除了研究这些分子的电子结构、吸收光谱、电子迁移率、疏水性及溶解性之外,还考虑了Br-PDI分子在CH3NH3PbI3（110）表面的吸附情况。研究结果表明,理论模拟的吸收光谱与实验光谱吻合得较好。理论预测的电子迁移率的顺序为:F-PDI<H-PDI<Cl-PDI≈Br-PDI,这与实验结果一致。另外,理论设计的分子Cl-PDI显示出较好的疏水性、稳定性和溶解性,并且与Br-PDI有着相似的电子迁移率。考虑到Br-PDI在倒置型钙钛矿太阳能电池中显示出优异的电子传输性能,Cl-PDI也有望成为一种潜在的电子传输材料。3.使用密度泛函理论和Marcus电子转移理论,研究了含硫氮杂并苯分子10,14-双（5-（2-乙基己基）噻吩-2-基）联吡啶[3,2-a:20,30-c][1,2,5]噻二唑[3,4-i]吩嗪（TDTP）的电子传输性质。实验证明,该化合物是倒置型钙钛矿太阳能电池的性能优异的电子传输材料。通过将侧链的噻吩环变为噻唑/苯环,设计了两种新化合物TDTP-I和TDTP-II。从前线分子轨道、吸收光谱、电子迁移率、溶解性及稳定性等方面评估了这三个分子的电子传输性能。结果表明,与TDTP相比,TDTP-I和TDTP-II都有较低的HOMO和LUMO能级和较高的电子迁移率。值得注意的是,在这三个分子中,TDTP-II的电子迁移率最高。此外,还研究了TDTP/TDTP-II在CH3NH3PbI3（110）表面的吸附性质。结果表明,TDTP-II比TDTP具有更大的负吸附能。与上述两个体系所不同的是,我们还计算了该体系的汉森溶解度参数,比较了这些分子在氯苯溶剂中的溶解情况。结果表明,设计分子TDTP-II在氯苯溶剂中的溶解度最高。因此,设计分子TDTP-II有望成为倒置型钙钛矿太阳能电池的电子传输材料,并且改变侧链是改善电子传输特性的可行性方法。