进入二十一世纪以来,面临煤、石油等传统非可再生资源逐渐枯竭的危机,新能源的开发和利用已成为影响人类文明延续与发展的关键问题。太阳能光伏电池,作为一种新兴的将可再生清洁太阳能直接转化为可存储便携电能的重要手段,其应用和普及却始终受制于传统硅基器件成本高,工艺复杂等缺陷。相对而言,有机及聚合物材料不仅成本低廉,种类繁多,而且拥有适合大面积生产的柔性特质,因而在全球范围内受到人们的广泛关注。其中聚合物太阳能电池近些年更是发展迅速,能量转换效率节节攀升,目前最高可达7.73％,产业化道路十分光明。尽管如此,现实与目标仍有一定的距离:一方面,材料和工艺上的种种限制因素造成聚合物光伏器件的总体性能依然偏低,竞争力有限；另一方面,有机光伏的物理机理至今尚未明确,体系内部电荷从产生、分离到传输、收集等一系列变化过程的规律尚有待深入了解,这就使得理论层次指导下的光伏材料的合成和器件工艺的优化变得尤为困难。本论文便以此为着眼点展开工作,通过对聚合物基光伏材料体系的设计和薄膜相形貌的调控改善制约器件性能的不利因素,以获得更高的能量转换效率；同时在工艺优化的过程中对器件的光物理及传输物理机理展开深入的研究,为进一步提高器件性能提供理论上的指导和支持。　　 论文的第一章综述了有机及聚合物太阳能电池材料和器件的研究进展。　　 论文的第二章以聚合物/富勒烯光伏体系为设计优化的主要目标,通过给受体共聚分子内桥基单元的变化调节聚合物的带隙,获得了两种新型的双吡咯酮基中带隙给受体聚合物材料PCPDT-PDPP(1.76 eV)和PDTP-PDPP(1.69 eV),并应用于本体异质结光伏器件中。由于能带调控对开路电压和短路电流平衡性的优化,基于这两种材料的光伏器件在没有进行阴极界面修饰和后处理的情况下,分别获得了2.03％和1.32％的能量转换效率。针对两种光伏器件不同的优化组分比例,系统研究了体相组成对薄膜形貌及器件重要光电物理过程(吸收、分离、传输)的影响,并给出了分子水平上的解释。　　 论文的第三章以聚合物/聚合物光伏体系为设计优化的主要目标,通过材料甄选和能级匹配,制备了具有超高开路电压(>1.5V)的聚乙烯基咔唑/[9,9]双辛基芴交替苯并噻二唑全聚合物太阳能电池,并利用AFM、PL等手段研究了全聚合物体系相形貌的变化对光伏性能的影响,结果表明,大尺度相分离所带来的低激子分离效率是制约该体系光伏性能的首要因素；首次发现全聚合物光伏体系独特的高温二次相形貌转变行为,这为以同时提高本体异质结中电荷分离与传输效率为目标的相形貌优化工作提供了新的手段和思路。　　 论文的第四章以聚合物/无机纳米材料光伏体系为设计优化的主要目标,利用简单湿法化学对一维碳纳米管表面进行了零维硅量子点的共价修饰,制备了新型多维无机纳米材料Si@MWCNT,并通过与聚噻吩给体的复合制备了杂化太阳能电池器件.研究显示,这种新型的光伏体系在同等条件下比单纯的聚合物/碳纳米管或聚合物/硅量子点电池的能量转换效率分别提高了20倍和4倍。稳态.瞬态荧光光谱分析表明,性能提高的主要原因是多维无机纳米材料的功能一体化特质能同时改善电荷的产生和传输。　　 论文的第五章研究一种用于有机光伏器件界面优化的特殊材料:有机电掺杂材料的传输行为及机理.通过真空共蒸发法制备的新型吸电子材料氟代苝酰亚胺掺杂的酞菁锌薄膜,其传输和电导能力有了大幅提高,并且轻掺状况下的效果最为明显。X射线光电子能谱发现,两种材料间的基态电子转移是掺杂作用的基本原理；紫外光电子能谱和理论模型分析则进一步表明,复合材料在轻掺状态下优异的传输能力归因于其较高的本体电导率和较低的界面注入势垒,其中轻掺体系较为优化的相形貌结构是造成这一结果的根本原因。