与无机太阳能电池相比,有机太阳能电池(OSCs)具有成本低、质量轻、可大面积制备柔性及半透明器件等突出优点,展示出巨大的应用潜力,因而成为近年来能源领域的研究热点之一。作为光电转化的核心部分,新型高效有机光伏材料的开发是推动OSCs性能提升的关键,也是目前本研究领域的热点。本文主要通过给、受体材料的分子结构修饰来调节活性层的吸收特性、分子能级以及聚集特性等,制备高性能OSCs;并深入理解材料化学结构、分子堆积特性、电荷传输特性、微观形貌及器件性能之间的构效关系。主要内容及研究结果如下:(1)基于烷基苯取代的苯并二噻吩(BDTP)单元为中心核,设计合成了二维共轭的新型非富勒烯小分子受体材料BP-4F。通过扩大共轭面积来调控材料的吸收光谱、分子能级以及电荷传输性能。选择宽带隙给体PM6与该材料构筑的OSCs,能够获得14.2%的光电转化效率(PCE),其中开路电压(Voc)为0.90V、短路电流(Jsc)为21.6 mA cm-2、填充因子(FF)为0.72、能量损失(Eloss)为0.59 eV。并且,该器件表现出优异的放置稳定性与光照稳定性。(2)基于二噻吩并吡咯单元(DTP)为中心核,设计合成了两个具有不对称结构的小分子受体材料IDTP-4F和IDTTP-4F。其中IDTP-4F分子呈现出“S”型构象;IDTTP-4F分子呈现出“C”型构象。两个受体材料具有相似的吸收光谱与分子能级。选择三个宽带隙聚合物(PM6,PM7和S1)作为给体材料来研究小分子受体的构象变化对光伏性能的影响。结果证明,“S”型IDTP-4F构筑的OSCs的光伏效率普遍高于“C”型IDTTP-4F,其中,基于PM7:IDTP-4F的OSC获得了高达15.2%的光伏效率。(3)通过简单地单侧引入烷硫基噻吩π桥的方法,利用其非共价键相互作用构筑不对称稠环核,制备不对称非共价稠环小分子受体材料IDST-4F。与对称稠环小分子受体ID-4F相比,IDST-4F表现出更宽且更强的吸收、更高的最低未占轨道(LUMO)能级、更大的偶极矩以及减弱的聚集特性。选择PM6作为给体材料,IDST-4F构筑的器件获得14.3%的光伏效率,其中Voc为0.82V、Jsc为24.9 mA cm-2、FF为0.70;而ID-4F构筑的器件效率仅为6.4%,其中,Voc为0.73V、Jsc为13.5 mA cm-2、FF为0.65。同时,基于PM6:IDST-4F的器件表现出更加优异的放置稳定性和热稳定性。(4)在聚合物PM6主链中引入含氟化π桥的受体单元(BFT),通过调整其含量合成一系列的聚合物给体材料PF1,PF2和PM6F,并考察BFT含量对聚合物性能的影响。随着BFT含量的增加,聚合物的吸收光谱逐渐红移、分子能级逐渐降低、分子堆积性能逐渐增强。选择Y6作为受体材料,在相同器件制备条件下,当受体单元中BFT含量为30%时,对应的三元共聚物PF1能够获得高达17.3%的PCE,其中VoC为0.87 V、JSC为26.32 mAcm-2、FF为0.76。