有机太阳能电池(OSC)能够将光能直接转换成电能,它也是目前人类利用太阳能的各项技术中最具有发展前景的技术之一,因此,开发高效活性层材料、降低原料成本、简化合成步骤、制作稳定性高的器件是推动其商业化的关键。本论文以现有的高效稳定的非富勒烯电子受体结构为基础,通过端基修饰、改善分子内基团连接化学键类型、以及有效的侧链工程,结合其合成简单、原料来源广泛、高效廉价、良好的成膜性等优势,开发了一系列高效稳定的有机太阳能电池小分子非富勒烯电子受体材料,分别用于解决目前非富勒烯受体材料的某些问题,诸如,吸光度弱、合成提纯困难、开路电压较低、原料成本高昂等等。基于这些新材料,本论文通过基本材料表征以及制备有机太阳能电池器件为依据来进一步优化分子结构,并且通过形貌、能级调控等方式来进一步提升其器件性能。主要可以分为下列三个部分:(1)我们设计合成了基于稠环给体单元引达省并二噻吩(IDT)的星型小分子非富勒烯电子受体,用苯并三噻吩(BTT)作为核心,引入具有拉电子特性的端基以构建A-D-A结构,探究了其光电性质。BTT的刚性和共面结构以及更强的电子给予能力,都有利于增强光吸收和电荷传输,从而有效地提高电池器件的开路电压和摩尔吸光系数。引入氟化的端基后,因为氟原子具有很强的电负性,导致此端基能够具有更强的拉电子能力,并通过形成非共价FS和F-H键促进分子间相互作用,这有利于电荷传输,增长了激子扩散长度;且氟原子的引入,优化了分子堆叠,从而提升了其短路电流和填充因子(FF)。我们将此类星型分子与线性分子IDC8IC比较,发现星型分子由于其无定型形态,它与高效给体形成的共混膜具有更好的热稳定性,而这是线性分子IDC8IC所没有的。最终将这类星型小分子受体应用于OSCs,发现BTTIDC8IC和BTTIDC8IC-F的光电转换效率分别为6.24%和8.24%。(2)基于苝酰亚胺(PDI)设计合成了一系列小分子电子受体,我们首次将席夫碱(-CH=N-)结构引入到基于PDI的电子受体分子中(PDINCB和2PDINCB),发现在引入-CH=N-结构之后,相对于含有碳碳双键(-CH=CH-)的电子受体分子PDICCB表现出拓宽的光谱,更高的功率转换效率(PCE),究其原因,是由于碳原子和氮原子的电负性有一定的差异,这就导致了器件当中分子内电荷转移效应增强,从而提升了电池器件的性能;进一步的,我们合成PDICCB,用料价格较高,且需用贵重金属四三苯基磷钯催化,合成成本高,且产率只70%,而PDINCB和2PDINCB的合成简单,成本低廉,无需贵重金属催化,溶剂为绿色溶剂乙醇,且产率达到90%以上。此策略为今后的小分子非富勒烯电子受体提供了有效的策略。(3)基于芴的小分子非富勒烯电子受体材料的合成。芴作为一种成本低廉的富电子分子在此之前已经有很多工作报道了其在OSCs中的优异性能,先前基于芴两端连接噻吩单元的分子已经被报道,其在用氯仿溶剂、进行热退火处理后且需要添加剂的情况下取得了超过7%的PCE。我们以芴为基本单元,两端连接3位烷基噻吩单元、4位烷基噻吩单元,最后端基利用3-(二氰基亚甲基)靛酮(IC)衔接来合成不同的分子进行比较。首先,烷基侧链工程能提高分子溶解性以获得良好的成膜性能,其次,不同位置的烷基侧链还可以调节光伏材料的光学吸收,分子能级和形态。在无需任何后处理的条件下,以氯苯作为溶剂,3位烷基噻吩单元的PCE高达8.91%。