有机太阳能电池，作为一种将光转换成电的有效手段，以其价格低廉、质量轻便、可设计性强、易于大面积柔性制备的优点，迅速成为近年来的研究热点。有机太阳能电池的光伏性能不仅与电子给受体材料的光电化学性质（如吸收能力、前线轨道能级）密切相关，还与活性层混合膜中形成的纳米形貌和界面情况有着决定性的关系，这些微观结构包括聚集体的相尺寸，分子的堆积情况，堆积的有序性等。这是由于固态混合膜的吸收、激子的扩散效率与分离效率和电子/空穴的传输效率等都受到这些纳米结构因素的制约。　　尽管活性层的薄膜形貌对于有机太阳能电池的效率起着重要作用，然而如何获得趋于理想的薄膜形貌，还有很多问题需要解决。本论文工作着眼于用不同的方法（桥连单元的结构、溶剂挥发速度、侧链氧原子的位置、骨架的封端基团）来实现对形貌的调控，从而获得高效的有机太阳能电池。主要内容如下:　　1.桥连单元结构及溶剂挥发速度:我们合成了两个PDI的二聚体BDT-T和BDT-O，由于桥连单元BDT上侧链不同，相比于后者的平面结构，前者侧链上的噻吩单元与BDT有50-60°的扭曲角，使其聚集能力大大降低，具有很好的溶液加工能力。BDT-O与P3HT共混后制备的器件PCE只有0.03％。对于二聚体BDT-T，效率可以达到1.72％。更有趣的是，降低溶剂挥发速度时(slow-speed)，所得到的器件效率可以提高到1.87％。XRD研究发现，slow-speed条件下，活性层中扭曲的BDT-T分子的堆积有序性得到明显改善，因此电子迁移率增大，短路电流提高，PCE变大。进一步优化D/A比，效率可以达到1.95％。从这些结果可以看出，除了分子结构上的影响，器件加工条件也对混合膜中的微观形貌和分子堆积有序性起着重要的作用，从而影响最终的光伏性能。　　2.侧链上氧原子的位置:我们合成了两个PDI二聚体O1 only和O2 only，系统地研究了侧链上氧原子的位置对光伏性能的影响。与给体聚合物PBDTTT-C-T混合后，TEM图显示O1 only和O2 only混合膜的相尺寸大小分别是10和27 nm。关于复合损失的测试表明O2可以促进内建电场驱动下的电子-空穴对的解离，而O1有助于减弱单分子和双分子的复合损失。当受体材料由O1 only变为O2 only时，Jsc和FF都有明显的提高，所以PCE也由0.98％提高到5.24％。这些结果说明相比于O1，引入的O2对光电流的增强和光伏性能的提高起着更重要的作用。PDI二聚体侧链上氧原子的位置所起到的重要作用对于未来设计高效率的非富勒烯受体材料有着很好的启示作用。　　3.非富勒烯与富勒烯的对比:我们选用PDI二聚体Bis-PDI-T-BuO为非富勒烯受体材料，来对比研究非富勒烯与富勒烯受体的光伏性能。当使用聚合物PBDTTT-C-T为给体材料时，最优的非富勒烯器件效率为5.24％，当给体为PBDT-TS1时，PCE最高可以达到6.36％。然而，这些效率要远远落后于相应的PC71BM富勒烯体系。我们通过对比研究发现，较强的载流子复合损失、较低的电子迁移率和较大的相尺寸导致了非富勒烯体系的Jsc比较低，因此制约了其最终的光伏性能。　　4.小分子给体的封端基团:我们报道了PC71BM受体相的有序性可以通过选择小分子给体骨架的封端基团来有效地调控。相比于体积小但缺电子的基团-CF3和体积大的富电子基团-Cz，引入体积较小的富电子基团-OCH3不仅有助于改善给体本身的堆积有序性，而且可以增强给体小分子与PC71BM受体之间的D-A相互作用，同时获得更有序的PC71BM受体相。因此，-OCH3封端的小分子SM-OCH3表现出最高的空穴和电子迁移率，从而得到了最高的Jsc。这些结果说明通过改变小分子给体骨架的封端基团可以有效地调控D-A相互作用以及PCBM受体相的有序性，从而实现对光伏器件性能的调节。