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能源短缺、环境污染是全球经济可持续发展面临的重大问题。光伏发电作为新型绿色能源技术是解决上述问题的重要途径之一,其中有机太阳电池因具有柔性、成本低、质量轻及可溶液加工等优点备受关注,已成为各国竞争较为激烈的一个前沿研究领域。近年来,非富勒烯受体材料发展迅速,特别是对小分子受体材料的研究极大的推动了有机太阳电池的前进,单结有机太阳电池的能量转换效率已超过14%,展现了巨大的应用前景。小分子受体具有确定的分子结构、确定的分子量、合成简单、易纯化、没有批次差异等优点,具有广阔的发展空间。基于此,本论文主要是围绕A-D-A（受体-给体-受体）型小分子受体材料的研究展开的,设计策略可分为:开发新型给体核单元、侧链工程、开发新型端基受体单元。蒽单元具有较好的平面性,在有机电子领域应用广泛。在第二章中,我们设计合成了一系列基于蒽单元为核,以苯并噻二唑（BT）或噻吩为桥键,以不同吸电子单元为端基的小分子受体材料。研究了这类化合物的光学、热学及电化学性质,并初步研究了它们的光伏性能,获得了高达1.13 V的开路电压(VOC)和1.84%的能量转换效率（PCE）,证明了蒽单元在非富勒烯受体材料中应用的潜力。研究中发现这类受体材料多数存在分子内电荷转移（ICT）吸收峰较弱的问题,为解释这一现象,我们将两个噻吩并到蒽单元的两边为核,以不同吸电子基团为端基合成了一系列平面性较好的小分子材料,研究发现这类材料具有更弱的ICT吸收峰,这表明以弱给电性的蒽单元为核时,需要具有更强吸电性的集团来促进分子内电荷转移。这一发现为设计更高效的基于蒽的光伏材料提供参考。卟啉具有平面性较好且富电子的大π环结构,在自然界能量转换过程中具有重要作用。在第三章中,我们将金属铜原子引入到卟啉中心为核,以炔基和噻吩为桥键,以3-（二氰基亚甲基）茚-1-酮（INCN）及其氟代衍生物为缺电子端基合成了一系列A-D-A型小分子受体材料,系统的研究了这类化合物的光学、热学及电化学性质,并初步研究了它们的光伏性能,这类小分子具有较强的ICT效应和较宽的吸收光谱,是典型的窄带隙化合物,有利于对太阳光的捕获,最高的器件效率为2.44%,卟啉作为自然界中重要的能量转化介质,对科研具有重大启发意义,本课题研究内容为设计更高效的卟啉受体材料提供了重要参考。对小分子端基的修饰可有效地调节材料的光电性质和分子的排列。在第四章中,我们设计合成了两类新型吸电子单元,包括增加共轭长度的萘茚酮（N）和引入环烷基链的四氢萘茚酮（HN）,并以引达省五并稠环（IDT）为核合成了受体材料IDT-N、IDT-T-N和IDT-HN。端基共轭长度的增加增强了分子内ICT效应,IDT-N和IDT-T-N的吸收光谱发生明显红移,有利于对太阳光的捕获提高短路电流(JSC),以聚合物PBDB-T为给体的器件效率为9.0%,但器件的VOC较低,不利于电池效率的提高。IDT-HN端基所含的环烷基链具有给电子性,有利于提升材料的LUMO能级提高器件的VOC,同时环烷基链具有较强的刚性,能有效调节分子间的π-π堆积和活性层的微观形貌,有利于提高JSC和填充因子（FF）,的确,通过研究发现基于PBDB-T:IDT-HN器件的各个参数都得到改善,器件效率提高到了10.22%,值得一提的是当活性层厚度达到250 nm时,器件效率仍能保持最高效率的91%,对将来制备厚膜有机太阳电池非常有帮助。基于上一章中,缺电子单元N能增强分子内ICT效应拓宽受体材料的吸收光谱,有利于对太阳光的捕获。基于此,在第五章中,我们通过侧链工程合成了一系列近红外小分子受体。首先将IDT-T-N侧链改为直烷基链合成了IDT-TN,由于分子平面性的改善使得吸收光谱进一步红移,其光学带隙为1.43eV,基于PBDB-T:IDT-TN的器件效率为5.89%和VOC为0.97 V,能量损失(Eloss)仅为0.46 eV,这一数值可以与无机太阳电池相媲美。另外,将氧原子引入到桥键噻吩的侧链上合成了IDT-TO-N和IDT-TON,由于氧原子与IDT上的硫原子存在非共价键作用力,使得两个分子均具有高度的平面性,通过DFT模拟得到验证,它们的最大吸收边达到1013 nm左右,光学带隙为1.22 eV,极大的提高了对太阳光的捕获能力,以聚合物PTB7-Th为给体的器件Eloss仅为0.44 eV,这种现象在文献中极其少见,为今后对有机太阳电池Eloss的研究提供了重要参考。在有机太阳电池中,同时满足给受体的能级匹配和吸收互补仍然具有挑战。在第六章中,基于PTB7-Th:ITIC体系具有较低的电压和几乎完全重合的吸收光谱不利于有机太阳电池的发展,我们将ITIC的端基INCN改为吸电性较弱的2-二氰基茚（NO）合成了小分子受体ITNO,它的LUMO能级明显提高,吸收光谱蓝移与给体更互补,基于PTB7-Th:ITNO的效率为5.45%和VOC为0.95 V,比PTB7-Th:ITIC的电压提高了0.15 V,达到了设计的初衷,这种设计思路具有重要的参考价值。为研究分子的构象对有机太阳电池性能的影响。在第七章中,我们分别以二噻吩并环戊二烯（CT）和联二噻吩（TT）为给体核,以INCN和N为缺电子端基设计合成了一系列A-D-A型小分子受体材料,研究了给体核的构象对小分子的光学、电化学、热力学及光伏性能的影响,以CT为核的小分子受体具有较宽的吸收光谱,这是由于这类分子具有较好的平面性,有利于分子内电荷转移和分子间相互作用。而以TT为核的小分子受体由于具有较大的位阻导致吸收光谱蓝移。以PBDB-T为给体的器件在没有后处理的情况下效率为1.59%,为更深入的了解分子构象对材料性能的影响提供了参考。