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近些年来，伴随着高性能材料的大量涌现和器件结构的多样化，有机太阳能电池蓬勃的发展预示着其不断向工业化生产迈进。然而，这类电池还存在一些基本的科学问题尚未解决。例如，相对于富勒烯衍生物，光电性质相对更容易调控、结构可变性更大的有机小分子还不能作为受体材料广泛的应用于太阳能电池领域中。 在本研究中，我们针对目前苝二酰亚胺受体材料设计比较单一，效率低的现实问题，提出了一种新型的设计理念，合成了一系列光电性质可调控、溶液可加工的PDI二聚体。通过对材料纳米结构和器件性能的研究，得到了几个较高效率的非富勒烯小分子材料，并通过对成膜过程精细地调控进一步提升了器件的光伏性能。主要内容如下: 1.我们首先研究了取代基对于PDI的bay-位(1，6，7，12)溴化反应的定位效应。通过实验研究发现:给电子的甲氧基乙氧基(EG)取代基显示出了对/邻位的定位效应。弱吸电子Br取代基则显示出了对/间位的定位效应。而对于强吸电子CN取代基强烈的钝化了PDI的芳核，不能进一步发生溴化反应。两个EG取代基还可以表现出“1+1＞2”的效应。比如相对于1，7-二（甲氧基乙氧基）的邻间位定位组合，1，6-二（甲氧基乙氧基）的邻对位定位协同作用加速了溴化的反应速率。同样，EG和Br取代基的邻间，邻对，对间位不同的定位协同作用可以精确地控制溴化的取代位置。对bay-位溴化定位的研究可以拓展对传统芳香环定位的认识和理解，也填补了现今苝二酰亚胺化学关于定位效应研究的空白。由于bay-位(1，6，7，12-)溴化的PDI是重要的中间体，以取代基对溴化定位效应作为指导依据，我们可以在指定的位置精确地进行溴化，从而更好地调控PDI衍生物的光电和自组装性质。 2.为了拓展基于PDI家族的小分子受体材料，我们选取寡聚噻吩、苯并二噻吩、苯、苯并噻二唑等给电子（或吸电子）能力不同的单元作为桥连单元，同时以不同长度和不同取代数目的烷氧基（烷基）或者吸电子基团作为侧链，设计并合成了一系列A-D-A型（或A-A-A型）PDI二聚体。通过合理的反应设计，我们最终以高的产率获得了上述的材料。由于存在分子内电荷转移现象，这类二聚体分子的吸收大大的拓宽并且红移。我们发现这类PDI二聚体材料的光电性质（光谱吸收，前线轨道能级）可精细调控，并且与给体聚合物有合适的能级差，因此PDI二聚体均可以作为受体材料应用于有机太阳能电池。在此基础之上，我们为了进一步提高了分子的扭曲程度，还设计并合成出了以三苯胺单元为核，以PDI为臂的PDI三聚体。PDI二聚体和三聚体的设计与合成不仅拓展了基于PDI家族的小分子受体材料，也为将来新型材料的设计提供了新的思路。 3.最后，我们系统地研究了中间桥连单元对薄膜形貌和光伏性质的影响。通过寡聚噻吩为桥连单元的二聚体1T-6T与P3HT共混制备器件，我们发现材料的溶解度对薄膜形貌和光伏性质会产生很大的影响。其中3T和5T由于较差的溶解性，形成了比较大的聚集相区，给/受体的相容性比较差。为了进一步获得更好的器件性能，我们选用了光谱吸收更宽的聚合物给体PBDTTT-C-T。对于单体分子PDI1，由于分子间强的聚集作用，在混合薄膜中形成了微米尺寸的聚集体，光电转化效率极低。而对于空间上具有扭曲构型的PDI二聚体分子1T，由于聚集能力大大减弱，在混合薄膜中只形成了较小的相尺寸。进一步我们通过添加剂DIO调控PBDTTT-C-T:1T的相分离程度。当加入5％DIO时，我们获得了最优的相尺寸（约30nm），达到了4.03％的光电转化效率。这同时也创造了当时基于非富勒烯小分子受体材料所达到的最高效率值。当使用结构很相似的二聚体分子Se作为受体与PBDTTT-C-T共混时，我们发现未加入DIO时混合薄膜就可以达到合适的相分离程度，获得了4.01％的效率，而加入DIO后会导致光伏性能的降低。对比PBDTTT-C-T:1T和PBDTTT-C-T:Se两个体系，我们发现对分子结构进行极其微小的改变就可以影响共混薄膜的形貌以及光伏性能。通过对三聚体tris-PDI-TPA-EG分子与PBDTTT-C-T共混制备正向器件，我们发现添加剂的加入会引起相尺寸的过分增大，减少给/受体界面，降低了激子的分离效率进而产生较低的Jsc。而相对于正向结构器件，在未添加DIO的条件下制备反向器件可以获得1.85％的效率。我们通过对成膜动力学相关参数的精确调控，可以精细的调控混合薄膜的微观形貌。这种精细的优化方法进一步展现了材料潜在的能力，将PBDTTT-C-T:1T体系的光电转化效率提高到了6.08％。这个工作对于如何通过工艺优化提升非富勒烯太阳能电池器件效率有很大的指导意义。