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有机太阳能电池由于其柔韧性好，质轻，材料来源广泛容易降低生产成本等优点，使得其有潜力成为下一代的能源来源。随着近年来对材料分子结构的设计裁剪和对器件结构的创新的优化，单节异质结太阳能电池的效率已经超过11％。目前受体的材料大多选用具有优秀电子传输性能的富勒烯材料。然而由于富勒烯材料的结构修饰较为困难，使得其能级单一，因此为了实现较好的激子分离效率，给体材料也需能级调至与富勒烯材料匹配的范围。这大大牺牲了有机材料结构能级多样性的优势。因此目前利用非富勒烯类材料作为电池中的电子受体成为了研究的热点之一。相对于常用的富勒烯材料来说，非富勒烯材料的分子多样性及易裁剪性使得其有希望在能级、吸光性能调控上面实现突破，为实现更高效率的给受体组合提供了无限的可能。截止目前为止非富勒烯类材料作为受体的电池体系中，最高单节电池效率也已经超过11％，在短短的五年时间内效率迅速提升到可以和富勒烯类电池的效率并肩。因此如何利用非富勒烯材料的优势，进一步提高电池性能，加速实现产业化的步伐，是目前研究的重点。在本论文中，我们主要从对新的给受体组合探索，对薄膜形貌调控方法的探索，以及对电池中新的光物理过程探索这三个方面入手开展研究工作。具体研究内容和结果概述如下: 1.我们合成了一个新型的DPP类有机小分子给体DPP-BDT-T，并将其与我们课题组制备的新型PDI二聚体类受体bis-PDI-T-EG结合，制备出全小分子的太阳能电池体系。通过表征，我们发现相对于该给体跟富勒烯受体组合，得益于非富勒烯受体的能级调控性，这种全小分子的组合得到了更高的电压。不同于富勒烯分子的各向同性的球型结构，非富勒烯的共轭平面结构带来的各向异性效应使得非富勒烯体系的电池性能更容易受到薄膜形貌的影响。 2.因此，我们首先从给受体共混比例入手来探索非富勒烯体系中的形貌调控。我们发现在非富勒烯体系中，给体p-DTS(FBTTh2)2和受体EP-PDI之间的共混性和两者的溶液共混比例有很大的关系。在给体比例特别大的时候或者受体比例特别大的时候，两种材料都倾向于生成大块的堆积聚集体。通过改变给受体比例的变化可以得到不同的给受体相大小和结晶性，从而改变电池中的电荷转移效率。而对最终器件性能的影响上面，比例优化造成吸收的变化对电荷生成率的贡献很小，其电池性能的大幅度提高主要来源于受体相大小带来的电荷生成效率提高的贡献。 3.随后我们又系统性地研究了添加剂在非富勒烯体系中的作用。通常认为添加剂需要满足高的沸点和对给体或受体有选择性的溶解度这两个要求。但是我们发现给受体在添加剂中的绝对溶解度也对形貌调控有很大的影响。在对比一系列添加剂优化得到的薄膜形貌，我们发现受体相尺寸与添加剂的溶解度值成正线性相关。选用的添加剂对给受体材料溶解度越大，其与材料之间的作用力越强，得到的相尺寸越大。反之，选用的添加剂溶解度越小，优化得到的相也越小，最终得到更高的电荷转移效率和电池效率。通过添加剂的加入量来调节材料与添加剂的作用时间往往也可以改变最终相尺寸的大小。但往往利用改变添加剂含量的方法调节作用时间的同时，在溶液中两者的作用力也会发生变化。为了使添加剂的选择和使用更具普适性，我们通过结合溶剂退火的方法，将添加剂作为退火溶剂来对薄膜后处理，利用可调节的退火时间来控制材料和添加剂之间的作用时间，实现了三种不同添加剂均得到高效薄膜形貌的结果。 4.不同于富勒烯材料的跃迁禁阻，非富勒烯受体材料在可见区的强发光为受体材料的光生激子的利用提供了一个新的途径——能量转移。通过多层薄膜和混合膜的荧光表征我们发现确实在我们选用的给受体体系中存在电子受体到电子给体的能量转移。利用加入不同添加剂比例可以有效改变给受体相的大小，即给受体之间的距离，我们研究了从电子受体到电子给体的能量转移这个光物理过程在光电转换当中的作用。结合电池表征，我们发现长距离的能量转移将有望作为电子转移的补充来提高非富勒烯类太阳能电池中非富勒烯材料光生激子的利用。