非富勒烯有机小分子受体材料由于具有合成简单、纯度高、化学结构的确定性、更加宽广的吸收、易调节的能级、批次间无差异等重要特点在有机太阳能电池领域内的地位在近几年急剧上升。目前非富勒烯有机小分子受体材料的太阳能电池的效率超过了13%,应用前景非常广阔。所以,进一步探索非富勒烯有机小分子受体材料的构效关系和空间构型与其性能的关系,为接下来开发研究出高效的受体材料提供基本的参考指导。本文以深入理解基于以9,9’-双芴、9,9’-(1,4-苯基)-二咔唑和双烯芴为供体单元的纯有机非富勒烯小分子受体材料的构效关系和空间构型为目的,设计合成了三个系列共5种受体材料。详细对比了受体材料的构效关系和空间构型对其光化学性能、电化学性能等的影响,主要获得了以下成果:1.以9,9’-双芴为给体单元,设计合成了具有双链A-π-D-π-A结构的分子2,2’,7,7’-四{5-[2-氰基-2-(1-乙基-己氧基)-乙烯基]-噻吩-2-基}-9,9’-双芴(ETDB)。在结构表征的基础上,做了紫外可见吸收光谱测试,结果表明,ETDB的吸收带均位于450nm之前,最大的吸收峰处于385 nm。其中短波范围的吸收归因于受体材料的π-π*跃迁,350-450 nm范围内的吸收是由分子的内电荷转移(ICT)引起的,扩大了吸收范围,提高材料捕获光子的能力。薄膜紫外测试表明,较溶液紫外受体材料ETDB的吸收带边出现较大红移。循环伏安测试得到受体材料ETDB的HOMO能级为-5.75 eV,LUMO能级为-3.00 eV。ETDB和常见供体P3HT等的能级匹配较好,可以作为非富勒烯受体材料应用到有机薄膜太阳能电池中。化合物ETDB的热分解温度为230℃(5%的质量损失),ETDB的热稳定性良好。以P3HT作为给体制作的有机光伏电池(OPV)器件获得了0.1%光电转换效率(PCE)。2.以9,9‘-(1,4-苯基)-二咔唑为给体单元,设计合成了具有双链A-π-D-π-A结构的分子3,3’,6,6’-四{5-[2-氰基-2-(1-乙基-己氧基)-乙烯基]-噻吩-2-基}-9,9’-(1,4-苯基)-二咔唑(KBW)。结构表征基础上,对上述小分子进行紫外-可见吸收光谱测试,结果表明,KBW在525 nm之前有一个连续的吸收带,最大的吸收峰处于425 nm。在薄膜状态下,KBW的吸收相较于溶液状态发生了明显红移。循环伏安测试得到受体材料KBW的HOMO能级、LUMO能级分别是-5.4 eV、-3.04 eV。能够与常见的供体材料P3HT等搭配,表明KBW可作为非富勒烯受体材料应用到有机薄膜太阳能电池中。热重测试表明,化合物KBW在质量损失5%时的温度为305℃,材料KBW的热稳定性较高。制作的OPV器件获得了0.14%PCE,通过苯环相连的咔唑双链各方面性能均优于ETDB。3.以双烯芴为给体单元,设计合成了具有双链A-π-D-π-A结构的分子2,2’,7,7’-四{5-[2-氰基-2-(1-乙基-己氧基)-乙烯基]-噻吩-2-基}-双烯芴(ETDDB)和2,2’,7,7’-四[5-(2-二氰基-乙烯基)-噻吩-2-基]-双烯芴(CTDDB),并对单臂的受体材料2,2’,7,7’-四{5-[2-氰基-2-(1-乙基-己氧基)-乙烯基]-噻吩-2-基}-芴-9-酮(SETB)做了详细的对比研究。紫外-可见吸收光谱结果表明,ETDDB和CTDDB均有较强的吸收,相比较而言单臂SETB的吸收较弱,双烯芴的引入明显提升材料的光学吸收性能,并且由于二氰基的吸电性更强使得CTDDB的吸收光谱要宽于ETDDB。在薄膜状态下,ETDDB和SETB的吸收相较于溶液状态均发生了明显红移,CTDDB出现少量蓝移,归因于其成膜性差,易发生H聚集。循环伏安测试得到受体材料ETDDB、SETB、CTDDB的HOMO能级分别为-5.61 eV、-5.55eV和-5.88 eV,LUMO能级分别为-3.36 eV、-2.45 eV和-3.85 eV。与常见供体P3HT等对比后,表明ETDDB和CTDDB均可作为非富勒烯受体材料应用到有机薄膜太阳能电池中,但SETB的匹配较差。化合物ETDDB、SETB、CTDDB的热分解温度分别为375℃,220℃,415℃(5%的质量损失)。三种物质均具有良好的热稳定性,而且相对于SETB、ETDB,双烯芴的引入可显著提高受体材料的热分解温度。由于双烯芴的引入材料的内电荷转移明显提升,二氰基的引入进一步扩大了材料吸收带宽,但因CTDDB的溶解性和成膜性较差,局部聚集严重,最终,ETDDB和CTDDB制作的OPV器件分别获得了0.29%和0.18%的PCE。相比于SETB、ETDB和KBW,双烯芴单元的引入明显提升了受体材料的光电性能。