有机太阳能电池因具备可通过低成本溶液法制备大面积柔性器件的突出优点,已受到世界范围的广泛关注。新型高性能给、受体材料的蓬勃发展和器件制备工艺等技术的提高,使得有机光伏效率屡获突破。进一步提高有机光伏器件的能量转换效率依然是该领域研究中所面临的重要挑战。然而,与无机材料相比,有机材料中分子间作用力属于弱相互作用,主要包括范德瓦尔斯力、氢键等,导致有机材料的介电常数较低、电声耦合系数较高、激子束缚能较大。因而,有机太阳能电池的激子解离过程需要克服较大的激子束缚能,该过程使得有机光伏器件中产生较大的能量损失,严重地影响了器件性能。许多基于新型非富勒烯受体材料的有机太阳能电池在较低能量损失条件下可以实现高效的激子解离,并获得优异的器件性能,但涉及激子解离的内部复杂的物理过程和工作机制等仍不清晰。深入理解有机太阳能电池中激子动力学过程,阐述激子解离物理机制,定量关联激子解离与器件性能参数,对于优化材料结构、抑制能量损失、提升器件性能等有至关重要的作用。针对以上关键科学问题,本论文深入研究了新型非富勒烯有机太阳能光电器件中给、受体材料的激子解离动力学过程,具体工作内容如下:(一)单重态裂分给体材料激子解离。我们选择具有单重态裂分效应的给体材料TIPS-pentacene和非富勒烯受体材料IT-4F制备有机光伏共混薄膜,系统地研究了共混体系中给体材料的单、三重态激子动力学过程。由于TIPS-pentacene材料的单重态裂分是一个放热过程,可保证共混薄膜中高效的三重态激子产率。受体材料IT-4F的最低未占据分子轨道(LUMO)低于TIPS-pentacene的三重态能级,为三重态激子解离提供理论保障。利用稳态吸收光谱和掠入射广角X射线散射实验共同揭示了共混薄膜的结晶性,并关联瞬态吸收光谱中三重态激子动力学过程。结果证明,共混薄膜中发生了有效的单重态裂分,产生的1(TT)在给、受体界面发生解离:(1(*TIPS-pentacene)+TIPS-pentacene→1(TT)→3(TIPS-pentacene)+),随后电子-空穴对在界面发生孪生复合:(3(TIPS-pentacene)++e-→3(*TIPS-pentacene)),产生三重态激子。此外,三重态激子可直接通过单重态裂分效应直接产生。通过分析结晶性对TIPS-pentacene薄膜的光物理过程以及电学特性影响,发现增强TIPS-pentacene的结晶性可提高载流子的有效传输。本工作阐明了在本体异质结单重态裂分有机太阳能电池活性层中,单重态裂分与激子解离相互竞争的关系及内部复杂的光物理过程,为实现高性能体异质结单重态裂分有机光伏器件提供实验依据。(二)非富勒烯受体材料的激子解离。我们利用超快光谱等技术系统地研究了共轭聚合物给体J91与具有不同最高分子占据轨道(HOMO)的受体材料(m-ITIC,ITIC,IHIC,IEICO-4F,IEICO)之间的空穴转移过程。借助于瞬态吸收光谱技术并选择性激发受体材料,我们系统地研究了不同HOMO能级差体系(0.05-0.42eV)与空穴转移时间尺度(1-1000ps)的关系。结果表明,低能级差体系中可实现超快空穴转移,这与自由空穴在给、受体界面转移规律一致,表明受体激子解离过程需要的驱动力较低。此外,通过定量关联空穴转移效率与光伏器件性能,发现空穴转移效率是影响器件性能的关键参数。阻抗频谱与密度泛函理论模拟计算相结合,揭示了非富勒烯受体中存在分子内、分子间离域激子。时间分辨荧光光谱证明了共混薄膜中的空穴转移来自于弱束缚的受体激子解离而不是弗伦克尔激子解离。我们提出在“受体-给体-受体”(A-D-A)结构的非富勒烯有机太阳能电池中,受体中的弱束缚离域激子有效解离,主导共混薄膜中的空穴转移过程。该工作为设计新型受体分子、深入理解受体激子解离机制和优化器件性能提供了新的视角。(三)非富勒烯受体材料的分子间离域激子解离。为了进一步揭示受体分子内电荷转移激子与分子间离域激子对空穴转移过程的影响,本工作借助高性能PM6:Y6有机光伏共混体系,研究了受体激子的离域性及激子解离过程。共混溶液相关的超快瞬态吸收光谱结果表明,受体分子Y6的分子内电荷转移激子与给体材料PM6之间没有发生有效的空穴转移。然而,在薄膜中由于分子间相互作用增强,PM6:Y6共混薄膜的瞬态吸收光谱中观测到分子间离域激子,且相比于Y6薄膜,分子间离域激子数量大幅度减少,表明了分子间离域激子在给、受体界面有效解离。此外,我们利用温度相关的稳态荧光光谱及阻抗频谱,系统地研究了多种受体材料Y6、ITIC、IEICO-4F、PC71BM分子堆积对于激子离域性的影响。结果证明分子内电荷转移激子的强束缚性和分子间离域激子弱束缚性。本工作深入阐述了分子内、分子间离域激子对空穴转移过程的影响,对于完善非富勒烯有机太阳能电池中激子解离等机制有重要意义。