开发高效率、廉价、稳定、可溶液加工的活性层材料对于推动有机太阳能电池器件及其商业化的发展至关重要。本论文从设计开发高效率的D-A-D、A-D-A型分子结构活性层材料为出发点,用不同的强给电子和吸电子基团为端基,以改变共轭主链和端基为创新点,结合共轭分子化学结构精确、高纯度以及良好的成膜性等优势,开发了一系列高效率的太阳能电池给、受体材料。基于合成的这些新材料,进一步通过制备有机太阳能电池器件来研究其性能,并且通过形貌调控、构建三元共混太阳能电池来研究材料与性能之间的关系,揭示给、受体材料在二元以及三元共混太阳能电池中起到的作用。具体而言,主要分为以下六个部分:第一章,简要介绍有机太阳能电池工作原理、器件结构以及目前常用的活性层材料的研究现状,然后重点介绍了非富勒烯受体材料的发展现状。同时,本章也阐述构建小分子给受体材料的优势然后从小分子材料方向凝练本论文的研究路线和创新思路。第二章,本章设计合成了一系列不同核结构的星型分子给体材料并对其光电性质进行了研究。引入给电子核结构能拓宽星型分子的光谱吸收,引入平面核结构提高星型分子之间的共轭。然后将这些材料作为给体制备了以富勒烯为受体的有机太阳能电池器件,并对不同核给体材料的光电性质以及对太阳能电池器件性能的影响进行了系统性的研究。第三章,本章采用一种新型的拉电子单元硫代巴比妥酸作为端基修饰开发了一种小分子受体材料。通过构建A-D-A结构的小分子非富勒烯材料可以调控材料的光谱吸收、电化学能级以及小分子材料的平面堆积,提高太阳能电池器件的开路电压、短路电流,以此来开发高光电转换效率的太阳能电池材料。将该材料作为活性层受体材料制备了有机太阳能电池器件,制备工艺简单不需要任何前后处理,该材料是一种有潜力的受体材料。第四章,效仿P3HT聚合物良好的堆叠性能,本章采用截取该聚合物骨架片段手段合成了具有强结晶性的小分子受体材料,以期望调控活性层薄膜的堆积以及结晶性。结晶性小分子能与聚合物形成共晶,提高活性层薄膜的结晶性,提高载流子迁移率。此外,采用端基修饰方法调控受体与给体之间能级匹配,吸光互补,提高活性层光吸收效率以及开路电压。此外本章还研究了利用不同添加剂去调控小分子受体材料的结晶性以及阐释其中的原因。第五章,传统的有机太阳能电池器件的活性层例如:PTB7-Th:PC₇₁BM等的电子迁移率往往低于空穴迁移率。利用具有结晶性的小分子非富勒烯材料去构建三元共混太阳能电池以提高活性层的电子迁移率和平衡载流子的传输。此外,引入第三种受体材料提高了有机太阳能电池活性层对太阳光的吸收从而提高电池的光电转换效率。第六章,利用小分子非富勒烯受体的光谱以及电化学能级等性质可调控的优势,采用星型结构以及端基修饰去调控受体材料的聚集形态以及电化学能级以便于在三元太阳能电池的活性层中构建能级梯度,为载流子的传输提供额外的传输通道从而降低载流子的复合、提高活性层的迁移率。本章设计合成了BTTCN材料作为能级连接引入PTB7-Th:PC₇₁BM主体活性层中提高了空穴与电子的迁移率,从而提高了太阳能电池的光电转换效率。引入能级梯度材料是构建高效率三元共混太阳能电池的一种有效手段。