可溶液加工的本体异质结有机太阳能电池(OSCs)具有结构简单、质量轻、柔性、环境友好以及可制备成柔性和半透明器件等特点,是具有重大产业前景的新一代绿色能源,受到科学界和工业界的广泛关注。OSCs主要由正负电极、有机活性层以及中间的界面修饰层组成。有机活性层是给体材料和受体材料的共混薄膜,直接决定着器件能量转换效率(PCE)的高低。受体材料主要包括富勒烯及其衍生物和A-D-A结构的非富勒烯小分子。富勒烯及其衍生物在OSCs研究早期使用较多,取得了 11%以上的PCE;受限于富勒烯类受体材料较窄的吸收光谱和难以调节的最低空轨道(LUMO)能级,相应的OSCs的Jsc和PCE难以进一步提高。近年来,一系列具有A-D-A结构的小分子被合成出来,作为受体材料应用到OSCs中,获得了高达14%的PCE。现在,这类非富勒烯小分子已经逐步代替富勒烯类材料,成为新一代的受体材料。本论文的一部分工作是对这类材料进行结构修改和化学修饰,使其获得优异的光伏性能,同时也更有利于实际的产业化应用。相对于聚合物,小分子具有确定的分子量,制备成的器件光伏性能重复性好,且能够合理准确的分析分子结构和光伏性能之间的关系。同时考虑到小分子受体材料具有优异的光伏性能,因此,小分子给体材料也引起广泛关注,且在小分子/富勒烯体系中取得了 11%以上的PCE。为了充分利用p型小分子给体材料和n型小分子受体材料的双重优势,全小分子有机太阳能电池(SM-OSCs)应运而生,但SM-OSCs的PCE远低于聚合物/非富勒烯小分子体系的PCE。因此,设计并合成新的小分子给体材料势在必行,用来匹配高效率的非富勒烯小分子受体材料,期望得到更高的PCE。本论文的另一部分工作就是设计新的小分子给体材料,制备成高效率的SM-OSCs。本论文的主要研究内容和结论如下:(一)设计并合成了结构简单的小分子受体材料Ph-IC,Ph-IC以非稠环的烷氧基苯为核,以噻吩为π桥,以二氰基取代的茚二酮为端基。Ph-IC拥有很好的热稳定性能和溶解性能。通过DFT理论计算得知,由于烷氧基苯中O原子容易与相邻的H原子和S原子形成非共价相互作用,抑制分子的旋转,使得小分子Ph-IC能够形成共平面的结构,这有利于Ph-IC得到高的电子迁移率。XRD的结果也显示Ph-IC有很好的结晶性能。Ph-IC的电子迁移率为1.84 × 10-4 cm2 V-1 s-1,这个值与一些稠环为核的小分子受体材料的电子迁移率在同一个数量级上。Ph-IC的光学带隙为1.62 eV。选用宽带隙的聚合物PBFTZ为给体材料,基于Ph-IC的 PSCs 获得了 5.68%的 PCE。(二)将噻吩乙烯基侧链引入到非富勒烯小分子的噻吩π桥上,得到了新的小分子ITVT。ITVT在300-500 nm的短波长范围内的吸收光谱增强,达到了预期的结果。ITVT的光学带隙为1.48 eV,LUMO能级为-3.59 eV,电子迁移率为1.85×10-4 cm2 V1 s-1。选用宽带隙的聚合物PBZ为给体材料,基于ITVT的PSCs在没有任何后处理的条件下获得了 5.84%的PCE,其中,Voc为0.96 V。(三)设计并合成了小分子给体材料P2TBR,以对二噻吩烷氧基苯为核,以二维BDT为桥连单元,以乙基罗丹宁为端基。与传统稠环为核的小分子给体材料不同,我们选用非稠环的对二噻酚烷氧基苯为中间核骨架,通过非共价相互作用,使分子在得到高的共轭平面的同时,还能获得好的溶解性能。选用高结晶性的IDIC为受体材料,相应的全小分子太阳能电池经溶剂退火处理后获得了一个高达 11.5%的 PCE,其中,Voc为 0.94 V,Jsc为 17.5 mA cm-2,FF 为 70.1%。这个PCE值是目前全小分子太阳能电池的PCE的最高值。这充分说明P2TBR是一个很好的有机小分子给体材料,同时也说明了具有简单结构和容易化学修饰的非稠环结构单元可以很好的应用于p型有机半导体给体材料中,并且可以获得优异的光伏性能。