在众多光伏技术中,由广泛存在于自然界的有机材料组成的有机太阳能电池具有质量轻、易加工、兼容柔性衬底等优点,被认为是下一代光伏技术的有力候选者。近年来,基于非富勒烯体系的器件效率迅速攀升,大大推动了有机光伏的发展。目前,单结有机太阳能电池已取得18%以上的光电转换效率,处于商业化的黎明时期。这主要归功于线性稠环“受体-给体-受体”(A-D-A)设计策略的提出和广泛应用。其分子设计主要集中在稠环核、增溶侧链、吸电子端基三个部分。其中,稠环核在调控分子光电特性和分子间相互作用中起到至关重要的作用,进而影响器件光伏性能的优劣。本论文工作主要集中在稠环核中引入三维的骨架,用于优化分子间堆叠,避免受体分子的过度聚集,同时形成有效的分子间电荷传输通道。本论文工作主要有以下几个方面:(1)首先,我们在一维A-D-A稠环体系中嵌入了一个三维的骨架片段(螺二芴单元)。由sp3螺碳原子连接形成的螺二芴单元具有垂直正交的空间结构,可以抑制分子间的过度聚集。同时,刚性的骨架也减少了非辐射能量损失,有利于器件性能的提高。基于此,我们设计合成了具有七元稠环核的SFT6-4F和九元稠环核的SFT8-4F两个材料。其中,SFT8-4F由于具有0.97 V的高开路电压以及在可见光区的良好吸收,与PM6组成的器件获得了 12.1%的平均效率,与近红外吸收的后电池搭配更是达到了 15.9%的光电转换效率。(2)为了探究三维分子结构对器件性能的影响,我们用氮-氮单键来连接双咔唑,这样的骨架具有与螺二芴相似的正交结构,并且咔唑单元比芴单元具有更强的给电子能力,有利于形成有效的链间π-π重叠,增强分子间的电荷传输。基于富电子的咔唑和联咔唑单元,我们分别设计合成了具有一维九元稠环核的926CZ-4F和具有三维空间结构的99CZ-8F。99CZ-8F可认为是由两条一维A-D-A非富勒烯受体正交形成的三维非富勒烯受体,整体上更接近于以PDI衍生物为代表的三维体系。经过二元溶剂体系对PM6:99CZ-8F活性层的优化,其光电转换效率达到了 6.6%,这是基于三维非富勒烯受体太阳能电池报道的最高效率之一。(3)最后,我们在一维A-D-A稠环体系中的引入一个的非平面的受体单元,用于增加分子内电荷转移效应,减小带隙,使吸收光谱变宽。基于碳-碳双键相连的 8,8’-双茚并[2,1-b]噻吩(8,8’-biindeno[2,1-b]thiophenylidene,BTP)单元具有独特的π电子体系。BTP易于获得一个电子以满足14-π电子规则,同时分子扭转以减轻分子间的斥力。我们采用A-D-A-D-A策略构筑非富勒烯受体,可以构筑1000 nm以上近红外吸收材料。目前,由于BTP单元易于发生顺反式结构的异构化,因此提升BTP材料的稳定性是我们工作的一个重点。上述研究表明,我们可以通过采用不同几何形态的三维骨架改善给受体间的相互作用,这为高效非富勒烯受体的设计提供了新的思路。基于三维骨架的非富勒烯受体在抑制分子间过度聚集,优化活性层形貌的同时,以增强分子内和分子间的电荷传输能力,进而有助于提升器件性能。