基于将太阳能转换为电能的太阳能光伏技术制备的器件,太阳能电池,是一种具有可持续性、环境友好、化解困扰人类化石能源危机的有效途径。根据光活性层中材料的来源不同,太阳能电池可以分为无机太阳能电池与有机太阳能电池（organic solar cell,OSC）两个类型。其中,OSC具有材料来源广泛、成本低、制程短和可柔性化等突出优点,受到了人们的广泛关注。近几年来,随着人们对光伏机理的研究与制备工艺的开发,基于成本高昂的富勒烯体异质结OSC已获得超过11%的能量转换效率（power conversion efficiency,PCE）,而基于成本低廉的非富勒烯OSC更是突破了13%的PCE,使OSC大规模应用具有了广阔前景。但是,由于制备OSC过程中仍存在诸如给体受体材料兼容性差、制膜系统环境适配性低及器件性能稳定性差等问题,产业化OSC尚需时日。因此,针对制约OSC产业化的瓶颈性问题,本论文从应用基础角度出发,通过引入喷涂成膜法替代传统旋涂成膜法,开发了原位退火技术,并深入研究其作用机理,为产业化OSC做了前期铺垫;同时,分别对溶剂挥发退火、溶剂添加剂及结晶助剂等处理工艺进行了研究,为制备高效率OSC打下了工艺基础。主要内容分为以下6个方面:1.研究喷涂原位退火技术对OSC中光活性层的影响及作用机理通过在喷涂成膜法中引入原位退火技术对薄膜形貌进行优化,系统地研究了其对poly-3（hexylthiophene）（P3HT）:[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PC₆₀BM)体异质结OSC器件性能的影响。研究表明:当喷涂速率为0.3 ml/min时,基板能被液滴完全覆盖,所得喷涂薄膜表面形貌均匀平整;提升原位退火温度能使P3HT沿着垂直基板的方向增强结晶,加速了空穴的传输以平衡电子空穴密度,有效地降低了薄膜内的电荷复合几率;基于原位退火工艺制备所得OSC器件的PCE为2.7%,其性能完全比肩于经传统后退火工艺制备的OSC;同时,喷涂原位退火法不仅将制备耗时缩短了3倍,更极大地增强了制膜工艺的环境适用性,为产业化OSC奠定了理论基础。2.研究喷涂原位退火技术对反型结构OSC中空穴传输层的影响及作用机理采用喷涂原位退火技术制备了poly（3,4-ethylenedioxythiophene）:poly（styrenesulfonate）（PEDOT:PSS）空穴传输层薄膜,并研究了其对反型结构OSC器件性能的影响。研究表明:当喷涂高度为18.5 cm,喷涂速率为0.3 ml/min时可获得相对平整致密的雾化薄膜表面;同时,采用优化比例为5:3:2的异丙醇（islpropanol,IPA）:去离子水（deionized water,DIW）:（PEDOT:PSS）三元混合溶剂系统可避免由大尺寸液滴引起的团聚问题;喷涂原位退火技术增强了PEDOT:PSS的垂直相分离,减少了薄膜中残留液体的组分,最终获得了25.5%的填充因子（fill factor,FF）与47.7%的PCE提升,器件的寿命也延长了2倍。此研究证明喷涂原位退火技术可为未来低功耗、大面积、可商业化的全湿法制备OSC提供可行的道路。3.研究原位烧结工艺对导电电路图形薄膜的影响及作用机理采用原位烧结喷涂工艺制备基于银纳米颗粒导电墨水的导电图形,并研究其成膜机理。研究表明:通过采用体积比为45%的乙醇优化银纳米颗粒导电墨水组分,能有效地降低混合溶液液滴的表面张力,同时维持溶液挥发过程中马兰哥尼对流的平衡,最终获得平整均匀的薄膜;通过引入原位烧结工艺,一方面加速了稳定聚合物的挥发,另一方面限制了高温对聚合物分子链的破坏,当烧结温度控制在140 ^oC时,原位烧结仅耗时20 s便可获得方阻(R_sq)为6Ω/sq的精密导电电路,是传统高温烧结工艺用时的1/6;最后,采用原位烧结工艺成功地制备了反型OSC的顶部电极,器件PCE高达2.75%,证明了此工艺的实用性,为实现产业化OSC铺平了道路。4.研究极性溶剂退火对OSC器件性能的影响及作用机理采用不同极性的溶剂（甲醇、乙醇、丙酮、异丙醇、二甲亚砜）对基于poly[[4,8-bis[（2-ethylhexyl）oxy]benzo[1,2-b:4,5-b’]dithio-phene-2,6-diyl][3-fluoro-2-[（2ethylhexyl）carbonyl]thieno[3,4-b]-thiophenediyl]]（PTB7）:[6,6]-phenyl-C71butyric acid methyl ester(PC₇₀BM)的体异质结反型OSC进行溶剂挥发退火（solvent vapor annealing,SVA）处理,揭示了SVA的作用机理,并为如何选取高效可靠的极性溶剂做出参考。研究表明:溶剂的蒸汽压和粘度在控制PTB7:PC₇₀BM薄膜表面形貌中起到了关键作用,适当的蒸汽压与低粘度可使溶剂气氛有效优化薄膜表面形貌及内部组分分布;SVA可促进光活性层中纳米尺寸结晶的生成,同时改善PC₇₀BM团聚,导致高效的电荷分离、平衡的电荷传输及被有效抑制了的电荷复合,最终器件取得24%的PCE提升,为实现高效率OSC的制备提供了设计思路。5.研究溶剂添加剂对OSC器件性能的影响及作用机理采用新型溶剂添加剂二苯醚（diphenyl ether,DPE）处理PTB7:PC₇₀BM光活性层,通过研究薄膜形貌的改变,及电学光学参数的变化,对DPE的作用机理进行分析,并获得了高性能的OSC。研究表明:当掺杂4%DPE时,改善了薄膜内PTB7的排序及结晶强度,增强了薄膜在600-750 nm波段的光吸收并减小了光活性层与电极之间的接触电阻;此外,DPE能引入更充分的聚合物-富勒烯网状结构,为电荷传输提供了良好的通路,并有效地抑制了过量的PC₇₀BM团聚,最终获得了300%的器件性能提升,其PCE为5.92%;同时,当增厚光活性层薄膜的过程中,DPE能有效地维持器件效率,为制备与工业化相兼容的厚膜OSC奠定了良好的基础。6.研究结晶助剂对OSC器件性能的影响及作用机理采用非富勒烯poly[(2,6-（4,8-bis（5-（2-ethylhexyl）thiophen-2-yl）benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene）-co-（1,3-di（5-thiophene-2-yl）-5,7-bis（2-ethylhexyl）benzo[1,2-c:4,5-c′]dithiophene-4,8-dione）]（PBDB-T）:3,9-bis（2-methylene-（3-（1,1-dicyanomethylene）-indanone））-5,5,11,11-tetrakis（4-hexylphenyl）-dithieno[2,3-d:2’,3’-d’]-s-indaceno[1,2-b:5,6-b’]dithiophene（ITIC）光活性层,首次引入2,4-bis-[（N,N-diisobutylamino）-2,6-dihydroxyphenyl]-4-（4-diphenyliminio）squaraine（ASSQ）作为结晶助剂精确调控薄膜结晶,以获得高性能OSC。研究表明:当在PBDB-T:ITIC中加入4 wt%的ASSQ时能有效地提升薄膜内部面外方向的分子链排序,提升了薄膜的自组装与结晶性,有效地提高了载流子迁移效率;同时,DIO能为ASSQ与ITIC提供良好的结合空间,促进二者之间形成紧密的结晶;通过瞬态吸收光谱的研究,证实了器件效率的提升来自于薄膜内部的超快电荷分离,而非FRET能量传递;最终获得PCE超过10.51%的OSC,为实现高效率的OSC制备奠定了工艺基础。综上所述,本论文从应用基础的角度着手,系统性地研究了不同制备方法和处理工艺对OSC性能的影响,包括喷涂成膜工艺、原位退火工艺、原位烧结工艺、溶剂挥发退火工艺、溶剂添加剂工艺和结晶助剂工艺,为实现高效率的OSC制备奠定了坚实基础。