我们用宽带隙聚合物FTAZ (苯并二噻吩-二氟苯并氮三唑共聚物)作为给体，窄带隙稠环电子受体FOIC (六噻吩稠环-氟代腈基茚酮类化合物)作为受体，中带隙稠环电子受体IDT-IC (引达醒-腈基茚酮类化合物)和IDT-NC (引达醒-腈基苯并茚酮类化合物)分别作为第三组分，制备了三元共混有机太阳能电池，研究了第三组分端基对器件性能的影响。IDT-IC和IDT-NC具有相似的化学结构，仅端基不同；IDT-IC端基是苯环，而IDT-NC端基是萘环。与IDT-IC相比，IDT-NC吸收光谱红移40 nm，LUMO能级下移0.11 eV，电子迁移率提高50%。基于FTAZ:FOIC，FTAZ:IDT-IC，FTAZ:IDT-NC二元共混体系的有机太阳能电池效率分别为9.73%，7.48%，7.68%。FTAZ:FOIC:IDT-IC和FTAZ:FOIC:IDT-NC三元共混器件的效率分别提升到11.2%和10.4%。对于FTAZ:FOIC:IDT-IC三元共混器件，由于IDT-IC比FOIC具有更高的LUMO能级，开路电压(V_OC)随着IDT-IC含量的增多而增加。由于IDT-IC与FOIC吸收光谱高度互补，短路电流(J_SC)也显著提高。第三组份IDT-IC的加入改善了薄膜形貌和载流子传输，填充因子(FF)有所提高。对于FTAZ:FOIC:IDT-NC三元共混器件，由于IDT-NC比FOIC具有更高的LUMO能级，V_OC随着IDT-NC含量的增多而增加；但由于IDT-NC的LUMO能级比IDT-IC的LUMO能级低，其V_OC比FTAZ:FOIC:IDT-IC体系低。由于FOIC和IDT-NC吸收光谱高度重叠，J_SC降低。第三组份IDT-NC的加入改善了薄膜形貌和载流子传输，FF提高，甚至比FTAZ:FOIC:IDT-IC体系有更好的载流子传输和FF。

近年来，非富勒烯太阳能电池的发展迅猛。目前报道的高效率的非富勒烯稠环电子受体主要采用受体-给体-受体(A-D-A)型结构。本工作中，我们在给受体间引入3, 4-二己氧基噻吩作桥，用5, 6-二氯-3-(二氰基亚甲基)靛酮作端基设计合成了一种新的稠环电子受体(ITOIC-2Cl)。一方面，可以通过S···O和O···H等作用在分子内形成非共价键构象锁促进分子的平面性；另一方面，通过增加端基的缺电子性可以增强分子内的电荷迁移。在两者的协同作用下，ITOIC-2Cl的光谱吸收拓宽到近红外区，这有利于获得宽的光谱响应。将ITOIC-2Cl与一种吸收互补的给体聚合物(PBDB-T)共混制备活性层，我们用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)表征其形貌，发现共混薄膜可以形成纤维状的互传网络结构和合适纳米尺寸的相分离，这有利于电荷的分离和传输，从而获得高的短路电流(J_sc)和填充因子(FF)。最终，基于PBDB-T:ITOIC的电池，我们获得了9.37%的光电转换效率，其开路电压(V_oc)为0.886 V，J_sc为17.09 mA·cm⁻²，FF为61.8%。这些研究结果为我们提供了一种设计高效率的非富勒烯稠环电子受体的有效的策略。

与富勒烯受体材料相比，非富勒烯受体材料具有更强光吸收、可调的带隙和前沿电子轨道能级等优点。本工作中，我们将报道新型含萘并二噻吩小分子受体材料的设计与合成。该材料的吸电子端基与稠环核之间含有一个噻吩桥，因此与不含噻吩桥的同类受体材料相比，该分子(DTNIT)具有更窄的带隙，能与经典的宽带隙聚合物给体PBDB-T实现更好的吸收互补。基于PBDB-T:DTNIT的聚合物太阳能电池实现了0.91 V的开路电压、增大的短路电流(14.42 mA∙cm⁻²)，以及7.05%的光电转换效率。该光电转换效率接近于基于PBDB-T:PC₇₁BM的倒置聚合物太阳能电池的效率(7.12%)。该工作不仅报道了一个新型高效非富勒烯受体的合成方法，同时提供了一种非富勒烯受体材料的能级调控策略。

有机太阳电池的电子传输层(cathode interlayer，CIF)要求具备多种性质以利于实现高性能的电子传输与收集，这些性质包括可以与活性层形成优异的欧姆接触、高电子传输能力、低密度缺陷、高空穴阻挡能力等，而使用合适的双组份共混电子传输层可能更好地实现这些功能。本文中，我们选取苝二酰亚胺和四苯基溴化膦(PDINO:TPhPBr)来制备双组份共混的小分子CIF，并选取PBDB-T:IDTBR制备活性层。受体IDTBR的高分子空轨道(LIMO)能级、给体PBDB-T的低最高占据轨道(HOMO)能级以及小的给受体间的HOMO-HOMO能级差有利于得到高的开路电压(V_oc)，更主要的是，与单组份CIF相比，PDINO:TPhPBr所具有的更优异的性能使得所制备的非富勒烯聚合物太阳能电池具有更高的V_oc、短路电流(J_sc)和填充因子(FF)。最终，得到了8.27%的光电转换效率和1.0 V的V_oc。这些结果说明了苝二酰亚胺和膦盐基双组份共混小分子CIF在提升电池性能方面所具备的巨大潜能。

非富勒烯电子受体由于其吸收强，能级可调，稳定性好等优点，近年来受到研究者的广泛关注，并且光电转换效率已突破14%。在本研究中，我们设计并合成了一种结构简单，易于合成的非稠环结构的非富勒烯电子受体ICTP。通过合理的结构设计，利用分子内的非共价作用力，实现了高的空间平面性。其在长波长区域宽且强的吸收和合适的能级水平，使得ICTP适合与许多聚合物给体材料搭配，制备太阳能电池。基于PBDB-T:ICTP的聚合物太阳能电池取得了4.43%的光电转换效率和0.97 V的开路电压。

非富勒烯太阳能电池目前已经成为有机太阳能电池的研究热点，大量的共轭电子受体分子被开发，并成功应用到高性能光伏器件中。共轭分子作为非富勒烯电子受体，需要综合考虑吸收、能级、电子传输以及结晶性等，其中宽吸收光谱可以提高对太阳光谱的利用，是分子设计中重要因素之一。本工作中，我们设计一种新型电子受体分子，以卟啉为核、萘酰亚胺为端基以及炔为桥连基团。这种新型分子具有近红外的吸收光谱以及合适的能级。将一种具有吸收互补的共轭聚合物为电子给体，星型分子为电子受体应用到电池的活性层中，我们获得了1.8%的能量转换效率，电池的光谱响应为300–900 nm。实验结果证明了这种以卟啉为核的分子设计在实现近红外吸收的电子受体方面具有重要应用前景。

非富勒烯太阳能电池具有给受体能级可调、吸收范围宽及可溶液加工等优势，已经成为太阳能电池领域发展趋势。在高性能材料开发及器件结构优化的推动下，能量转换效率已经突破11%。其中，苝二酰亚胺(PDI)类分子价格低廉且具有良好的稳定性及较高的电子迁移率，已经发展成为重要的非富勒烯受体材料。然而，PDI类材料刚性稠环结构使得分子间具有强烈的π-π相互作用(受体-受体分子间及给体-受体分子间)，导致共混体系相分离尺寸可控性差，给受体分子间共混程度难于调控，从而发生严重的成对以及非成对电荷复合。本文从分子间作用力入手(溶剂-溶质、给体-受体分子间作用力)详述了非富勒烯共混体系相分离结构、相区尺寸及共混相含量调节的相关原理及方法。研究表明基于PDI共混体系，固-液相分离及分子扩散能力是决定相分离结构的本质因素，通过调控给受体比例及热退火温度实现了孤岛及互穿网络结构的构筑。同时，通过平衡受体分子间π-π作用及给受体间电荷转移，实现了低相容性及高相容性共混体系相区尺寸的可控调节。在此基础上，利用添加剂手段通过调节溶剂与溶质分子间的溶度参数差值，实现了薄膜内共混相的可控调节，并针对具有不同相容性共混体系给出了添加剂的选择原则。

有机太阳能电池(OSCs)活性层中的给体材料主要包括共轭聚合物与有机小分子，由于有机小分子给体具有结构确定、易于提纯、重复性高等独特的优势，近年来受到研究工作者的广泛关注。本工作中，我们采取具有良好共平面性的三联苯并二噻吩(TriBDT-T)为推电子(D)中心共轭单元，分别以罗丹宁(RN)、氰基罗丹宁(RCN)和1, 3-茚二酮(IDO)为拉电子(A)共轭端基，设计并合成了三种具有A-D-A型结构的小分子给体材料TriBDT-T-RN、TriBDT-T-RCN和TriBDT-T-IDO。我们对比研究了三种端基对其热分解温度、吸收光谱和分子能级等基本性能的影响，并分别将三种小分子给体与非富勒烯型受体材料IT-4F共混制备器件，详细研究了活性层形貌与光伏性能之间的关系。结果表明，不同的A型端基对小分子给体材料的光学性能、电化学性能、光伏器件中活性层的微观形貌以及能量转换效率(PCE)产生显著影响。基于TriBDT-T-RN:IT-4F、TriBDT-T-RCN:IT-4F和TriBDT-T-IDO:IT-4F的光伏器件的能量转换效率分别为9.25%、6.31%和6.18%。

有机小分子电子受体材料的侧基能够影响异质结有机太阳能电池的给体/受体匹配和器件性能。我们设计并合成了一个硼原子带有噻吩侧基的有机硼小分子(MBN-Th)。该分子的LUMO离域在整个骨架上，HOMO定域在中心核上，其独特的电子结构使该分子具有两个强的吸收峰(波长分别为490和726 nm)，因此分子具有宽的吸收光谱和强的太阳光吸收能力。与苯基侧基相比，噻吩侧基使分子的HOMO能级下移0.1 eV，LUMO能级保持不变，进而引起分子带隙减小和吸收光谱蓝移20 nm。基于该有机硼小分子受体材料的异质结有机太阳能电池，实现了4.21%的能量转化效率和300–850 nm的宽响应光谱。实验结果表明，硼原子上的噻吩侧基是调控有机硼小分子光电性质的有效方法，可以用于有机硼小分子受体材料的设计。

分别以绕丹宁和噻唑烷-2, 4-二酮单元为端基、IDT为中心核设计合成了一个新型不对称结构的有机小分子受体IDT-2，并通过与两端均以绕丹宁或噻唑烷-2, 4-二酮受体单元的对称小分子受体IDT-1和IDT-3进行对比，探讨了分子结构与性能之间的关系。研究发现，从IDT-1到IDT-3，随着两端的绕丹宁基团被噻唑烷-2, 4-二酮基团逐步取代，这类小分子受体的吸收光谱显著蓝移，光学带隙E_g^opt逐步增大，LUMO和HOMO能级也逐渐抬升。随后我们分别以这三个小分子为受体、P3HT为给体共混构建活性层而制备了有机太阳能电池，结果表明，以两端均为绕丹宁单元的对称结构小分子受体IDT-1构建的电池器件具有最高的光电转换效率(PCE)，相应的J_sc和FF值也最大，而V_oc则最低；而以两端均为噻唑烷-2, 4-二酮基团的对称结构小分子受体IDT-3的电池器件，其V_oc最高，但其J_sc和FF则最低，PCE值也最小。对于IDT-2而言，由于分子只有一个绕丹宁单元被噻唑烷-2, 4-二酮所取代，其V_oc，J_sc和PCE均介于IDT-1与IDT-3之间。由此说明，尽管噻唑烷-2, 4-二酮基团的引入能有效提升器件V_oc，但却不利于改善其J_sc和FF，因此受体的分子设计中如何平衡电池器件的几种光伏性能参数而获得高的光电转换效率仍是十分重要的研究课题之一。

在各种共轭聚合物给体材料中，以聚3-己基噻吩为代表的聚噻吩衍生物因其结构简单、易制备以及良好的空穴传输性能，在富勒烯衍生物为受体材料的聚合物太阳能电池体系中一直是研究重点之一。但是在近年来发展迅速的稠环小分子非富勒烯体系中的相关研究较少。在本工作中，我们通过在噻吩侧链引入烷硫基和氟取代基，设计合成了一种新型的聚噻吩衍生物给体PBSBT-2F；并对其吸收光谱、分子能级、传输性能以及光伏性能进行研究。基于PBSBT-2F:ITIC的聚合物太阳能电池取得6.7%的能量转换效率，其中开路电压为0.75 V，短路电流为13.5 mA·cm^-2，填充因子为66.6%。结果表明：PBSBT-2F在非富勒烯体系中有很大的应用潜力。

最近几年，有机太阳能电池中的非富勒烯小分子受体研究引起了人们的兴趣。其中，苝二酰亚胺(PDI)类分子因具有良好的电子传输能力，较强的电子亲和力，稳定的光、热、化学性能以及化学结构的可设计性带来的性能可调控性而得到广泛的关注。本文总结了近三年来在体异质结有机太阳能电池应用方面PDI小分子受体的研究进展，重点关注了PDI分子结构对其性能的影响，希望为以后PDI类受体分子的设计思路起到一定的启发作用。