有机太阳能电池（OSCs）具有质量轻、可溶液加工和可制备柔性大面积器件等优点,受到研究者的广泛关注。但是目前高效的有机光伏材料,特别是非富勒烯受体,仍然较少。而且材料分子化学结构与器件性能之间的构效关系仍未完全揭示,极大地限制了新受体材料的设计。针对以上挑战,本论文设计合成了一系列稠环型苝酰亚胺（Perylene diimide,PDI）衍生物,并制备成有机太阳能电池,获得了目前已报道的基于苝酰亚胺类受体的最高光电转化效率（12.56%）。同时,对受体材料的分子构型、光学、电学以及光伏性能进行了详细的研究,揭示了PDI类受体材料的化学结构与器件性能的构效关系。具体研究结果和创新点如下:首先,为抑制PDI过度堆积和提高PDI分子的吸光性能,以四个PDI单元为臂和并五苯为核心,通过噻吩桥连,设计合成了一种多级扭转的螺旋桨型受体分子。在此基础上,通过稠环化和杂原子取代进一步改善材料的性能。研究表明核心稠环化策略有利于增强PDI多聚体分子的光子吸收能力,同时稠环结构抑制了分子成膜重组能,增强了分子间π-π堆积,从而使得活性层形貌得到优化,采用ITO/Zn O/PTB7-Th:Acceptor/Mo O3/Al的器件结构,最终提升了光伏性能。在PDI单元引入氟或硒原子,对受体分子的吸收光谱、能级和光电转化效率都有影响。其中硒原子引入,将增大分子稠环数,有利于增强分子的堆积和提高电荷迁移率。其中F原子引入,降低了分子的LUMO和HOMO能级,使得给体和受体之间的能级差增大,提高了激子解离效率,并减少了激子复合,得到最高的光伏性能。其次,在三维结构可以抑制PDI分子过度堆积的基础上,为了进一步抑制PDI分子成膜过程中的重组能,设计合成了一系列非平面的刚性稠环苝酰亚胺受体材料,并考察了顺反异构对这一类受体分子性能的影响。在吸收光谱上,这些PDI受体分子没有明显的堆积峰,证明了非平面的结构可以有效地抑制PDI分子的堆积。而溶液态和薄膜的吸收光谱相似,说明两种状态下的分子构型没有发生大的变化,这归功于刚性稠环结构。反式结构的分子吸收光谱更宽,且摩尔消光系数更高,与给体材料共混之后能吸收更多的光子,有利于提高器件的短路电流密度(Jsc),采用ITO/Zn O/PTB7-Th:Acceptor/Mo O3/Al的器件结构,从而提高了光伏性能。此外,还研究了卤素原子取代对这类非平面稠环PDI受体的影响,其中四个氟原子取代的分子有最高的消光系数,说明氟原子的引入有利于增强分子的光子吸收能力,提高Jsc,最终提高了光伏性能。然后,为了进一步增强分子内电荷转移作用,优化受体材料的吸光和能级,将PDI单元和富电子的IDT稠环化,作为给体-受体-给体（Donor-Acceptor-Donor,DAD）型核心,与缺电子的氟代茚酮结合,获得了一系列的A-DA’D-A型受体分子。并通过PDI单元不同的连接位置和IDT骨架的顺反异构,考察了双重顺反异构对材料性质和器件性能的影响。在吸收光谱上,这些顺反异构体的堆积峰有明显的差异,说明不同的顺反异构具有不同的分子堆积形式。研究表明反式结构的分子吸收更红移,而且成膜后吸收光谱红移幅度更大,能利用更多的太阳光。其中双重反式结构的分子tt-PDFC的薄膜吸收光谱覆盖到725 nm,消光系数达到4.32×10~5 M-1 cm-1,有利于利用更多的太阳光,从而实现较高的光电流。tt-PDFC分子以ITO/PEDOT:PSS/PM6:tt-PDFC/Zn O/Ag的器件结构实现了12.56%的光电转化效率,实现了目前已报道的苝酰亚胺类受体材料的最高效率。而且,其填充因子高达81.3%,适合于制备厚膜器件,当膜厚达到570 nm时,光电转化效率仍达到9.66%。最后,在前一章工作的基础上,研究了A-DA’D-A型PDI受体分子的化学结构对光伏性能的影响。研究了不同端基、不同侧链和不同共轭骨架对受体分子的光学、电化学以及光伏性能的影响。首先,对tt-PDFC分子的端基研究表明,弱吸电子端基使得分子的LUMO能级升高,从而提高了器件的开路电压(Voc)。但是,随之而来的带隙增大不利于器件的光电流的提升。其次,对这类受体材料的侧链进行了研究,结果表明大位阻的苯基侧链不利于分子的堆积,阻碍了电荷的传输。第三,扩大分子骨架的共轭长度,改性后的分子FPDTFC-Ph的吸收光谱呈现明显的红移,因此器件的短路电流密度有明显的提升,但开路电压和填充因子都出现了一定的下降。以上的研究结果对进一步改进含有PDI的A-DA’D-A型受体分子提供了参考。