有机太阳能电池(organic photovoltaics，OPV)具有廉价、轻质、柔性、易加工、可大面积制备等优点。纳米尺度的结构，薄膜形貌和电子给体/受体混合物是聚合物太阳能电池性能的决定因素。电特性扫描探针显微技术(Electric scanning probemicroscopy, ESPM)能够同步获取样品的形貌与局域电学性质，从而能在样品薄膜局域微观结构（尺寸、成份和畴区间连通性等）与电学特性（光电流、载流予迁移率和缺陷浓度等）之间建立联系。本论文利用ESPM技术，系统地研究了纳米尺度形貌对有机半导体薄膜异质结光电性能的影响及其与器件宏观性能的对应关系。主要研究内容和结论如下:　　 (1)以聚3-己基噻吩和C60衍生物太阳能电池(P3HT/PCBM)为模型体系，研究了不同制备方法和退火工艺对电池器件PCE的影响，阐明了混合薄膜本体异质结纳米尺度结构、光电性能与宏观器件效率的关系。实验结果发现，经过自氛围溶剂退火和高温热退火方法制备的OPV器件可将PCE从1.3％提高到4.6％。静电力显微技术(EFM)结果表明退火处理工艺能促进聚合物的进一步结晶生长和PCBM分子的聚集并形成能有效传输电荷的互穿网络结构。研究还进一步发现，薄膜活性层薄膜光伏电势与器件PCE随着高温退火温度和退火时间的逐渐增加，都呈现先逐渐增长，到达临界点之后再降低的趋势。表明了优化热处理条件下活性层薄膜互穿网络结构的形成和电荷分离效率的提高以及过热处理对互穿网络结构破坏。根据活性层表面形貌、光伏电势和器件光电转换性能的关系，我们提出了一个物理模型，阐述有机太阳能电池在高温退火条件下异质结纳米尺度形貌以及光电性能的演变过程。　　 (2)用ESPM技术研究了P3HT/PCBM有机太阳能电池电子给体P3HT与电子受体PCBM比例组分对电池活化层形貌、结晶性能、微观区域光电性质和宏观器件光电转换效率的影响。提出了不同比例组分的电池活化层内部的电荷传输机理。利用原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)技术研究了各种组分比例的薄膜在纳米尺度的相分离行为，发现随着PCBM比例的增大，薄膜由条带状局部有序结构向颗粒状聚集转变。透射电镜在高分辨率水平表征了本体异质结薄膜的互穿网络结构随着薄膜内部比例组分的演变。EFM研究结果证明了共混薄膜两相组分比例与薄膜中产生的电荷产生、分离和电荷陷阱的关系。利用扫描开尔文探针显微技术定量化探测了光生电势与PCBM组分的关系。结果表明，随着PCBM组分比例的增加，光生电势逐渐减小，当P3HT∶PCBM比例从3∶1逐渐变化到1∶3时，光生电势从3.57 mV减小到0 mV。根据以上结果，提出了“微-纳两级相分离”模型，阐释了纳米尺度异质结电荷分离与器件效率的关系。　　 (3)研究了OPV薄膜纳米尺度介观相分离异质结的热失效现象和机理。通过设计两种不同能级高效率电子给体材料P3HT和聚苯并二噻吩PBDTTT-C-T与两种电子受体材料PCBM和茚双加成的富勒烯ICBA两两配对组成共混薄膜器件，即P3HT∶PCBM，PBDTTT-C-T∶PCBM和P3HT∶ICBA体系。探测了电子给体、电子受体与异质结界面对热稳定性的影响。实验结果表明，PBDTTT-C-T∶PCBM太阳能电池器件热稳定性远大于P3HT∶PCBM太阳能电池器件，且P3HT∶ICBA体系的热稳定性也大于P3HT∶PCBM太阳能电池器件。对P3HT∶PCBM体系和PBDTTT-C-T∶PCBM体系来说，对器件热稳定性影响程度为填充因子(FF)＞短路电流(Jsc）＞开路电压（Voc);而对PCBM∶ICBA热稳定性影响程度为Voc＞FF＞Jsc。利用光导原子力显微技术(Pc-AFM)研究了热失效过程中三种器件共混薄膜的组装结构、相分离行为以及原位光电性质和电荷传输信息。根据空间电荷限制电流模型，计算出薄膜内部空穴和电子的迁移率，并同时观测热老化处理对薄膜载流子迁移率的影响。发现了介观结构和性质失效与宏观器件转换性能衰退的内在关联，提出了聚合物太阳能电池的热失效机理。　　 (4)采用ESPM技术对紫膜蛋白的结构和电学性质进行了初步研究，高分辨液相AFM结果探测了紫膜在胞质面(Cytoplasma，CP)和胞外面(Extracellular, EC)的纳米结构，CP面呈圆环状单体组成的六角点阵结构，EC面呈点状单体组成的六角点阵结构;EFM相位图结果表明CP面表面电势大于EC面(约10 mV)而显示较大的正电性，从EC面指向CP面的偶极矩可能在垂直方向有助于质子被泵向EC面。同时我们用锁相放大器跟踪导电针尖的振荡频率的二倍频所对应的样品介电信号，自搭建了扫描电容力显微技术，定量化测量了紫膜纳米尺度电容一阶导数为5.25 nF/m。最后，我们成功设计并合成了某种特定序列的多肽分子，通过多肽分子与紫膜细菌视紫红质蛋白两端结合位点的相互作用，实现了紫膜在硅基底上的高效率定向组装，制备了生物器件。