有机太阳电池作为一种能低成本获取太阳能的潜在技术,正受到越来越广泛的关注。目前实验室报道的有机太阳电池最高能量转换效率已经超过10%,达到了工业化生产对于效率的最低要求。但是实验室中制备有机太阳电池的最优条件并不适用于工业化生产。造成这种现象的最重要的一点就是目前实验室制备的有机太阳电池各功能层的厚度非常薄,尤其是界面一般只有2~30 nm,而工业上无法通过印刷技术大规模生产如此薄而又均匀的薄膜。为了解决这一问题,本论文提出光电导界面概念并且系统地研究了这类界面提高有机太阳电池性能的机理以及界面厚度对器件性能的影响,为设计适合于工业化生产的高性能界面薄膜提供实验和理论依据。本论文的工作主要分为四个部分。第一部分工作中,我们使用ZnO/PBI-H双层界面结构制备阴极界面,并成功地应用于有机太阳电池器件中,获得了优异的能量转换效率。PBI-H的修饰能有效降低ZnO的功涵,并且能改善Zn O与活性层之间的接触。特别是热处理后,Zn O与PBI-H之间形成的N-Zn化学键增强了双层界面间的结合,这有利于电子从PBI-H向ZnO的传输,最终使得基于PTB7:PC71BM活性层的器件获得高达9.43%的能量转换效率。此外,我们这种双层界面结构阴极界面适用于不同的材料体系中,使P3HT:PC61BM的能量转换效率从3.51%提升到4.78%,PTB7-Th:PC71BM的能量转换效率从8.33%提升到10.31%)。第二部分工作中,我们使用有机染料分子掺杂ZnO来制备光电导阴极界面并应用于倒置有机太阳电池,大幅度提高器件的能量转换效率。其中有机染料分子的掺杂浓度只有1%,所以这种界面只吸收很少量的光子,却具有极高的电导率。以ZnO:PBI-H薄膜为例,在有机太阳电池测试的条件下具有4.5×10-3S/m的电导率,并且PBI-H的掺杂还能提高ZnO薄膜的电子迁移率和降低其功函数。基于ZnO:PBI-H光电导界面的器件获得了高达10.5%的能量转换效率(活性层PTB7-Th:PC71BM)。更为重要的是,由于ZnO:PBI-H光电导界面高的电导率,其厚度在30~60 nm变化时,器件性能的变化很小。这种厚度不敏感的界面对于未来的工业化生产是至关重要的。我们使用另外的染料分子TCPP掺杂ZnO也获得了光电导界面,证明了光电导阴极界面是可以通过多种有机染料分子掺杂来实现的。第三部分工作中,我们将水溶性苝酰亚胺衍生物PBI-Py掺杂到ZnO中,发展了一种水溶液加工的光电导阴极界面。光诱导的电子转移为阴极界面带来了几个方面的优势,包括显著增加的电导率与电子迁移率以及降低功函,这是一个高性能的阴极界面至关重要的性质。这些对于改善电荷传输性质与功函的新机理将可能引导新一代界面材料的发展。由于ZnO:PBI-Py光电导阴极界面的高电导率和活性层的高迁移率,即使当阴极界面与活性层的厚度分别达到100 nm与300 nm时,基于ZnO:PBI-Py光电导阴极界面与FBT-Th4(1,4):PC71BM活性层的倒置有机太阳电池仍然表现了超过10%的平均能量转换效率。我们的结果清晰地展示了环境友好的加工方法与器件性能对厚度不敏感高效有机太阳能电池结合的可能性,这为有机太阳电池向大规模生产迈进了一大步。第四部分工作中,我们将光电导阴极界面的应用扩展到三元共混体系并且构筑了一个新的高效率三元共混体系使用近红外吸收的小分子和高性能的窄带隙材料。在小分子DPPEZnP-TEH的含量在10%到70%之间时都观察到了三元共混体系相对于二元参比器件能量转换效率的提升。这种高成分容忍性在三元共混体系中是独特的并且能量效率超过11%在三元共混体系中也是仅有的一例。DPPEZnP-TEH的引入降低了器件中的复合并且提高了载流子的分离和传输,从而极大地提高了短路电流密度和填充因子。我们的结果清晰地展示出光电导阴极界面在三元共混有机太阳电池这一新兴领域的巨大潜力。