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作为一种N型有机半导体材料,苝酰亚胺(PDIs)因其具有较高的摩尔消光系数、强的接受电子能力、高的荧光量子产率、高的电子迁移率、高的光电化学稳定性、易于化学修饰等优点而受到广泛关注。在有机太阳能电池(OSCs)中,它是一种很重要的受体材料。本论文以有机光伏器件理论为指导,设计并合成了一系列花单/二酰亚胺衍生物,并对它们的光物理性能、热稳定性以及体异质节(BHJ)太阳能电池性能进行了研究。1.设计、合成了受体材料15-22,并对它们的光物理性能以及热稳定性进行了系统研究。它们均具有较强的吸收、很好的接受电子能力和热稳定性。空间电荷限制电流(SCLC)测试表明,化合物17：P3HT薄膜显示比较高的电子迁移率(985×10-5cm2V-1s-1)。在BHJ器件中,以P3HT为供体材料,化合物15-22作为受体材料,经过热退火150℃,化合物17显示最高的能量转换效率(PCE)2.30%,并且它具有1.00V的开路电压(Voc)。光电流密度、原子力(AFM)表面形貌和化学阻抗谱表明电荷分离效率、表面粗糙度和界面电阻对OSCs性能具有很大的影响。2.利用希夫碱光诱导闭环反应,经过一步法或一锅两步法合成了模型化合物26。根据模型化合物的反应过程,合成了双氮杂刚性平面共轭化合物31(31’)。并测试了化合物31(31’)的紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱和电化学性质。扫描电镜(SEM)测试表明化合物31a(31a’)能够形成纳米带,有利于电子的传输和提高成膜性。通过制作4个不同厚度的薄膜,利用SCLC法测试了它们的电子迁移率,487nm厚的电子迁移率是最高的,其数值为5.65×10-4cm2V-1s-1。3.设计、合成了新型梯形共轭星形大分子受体材料40,该化合物由四个PDI支臂和一个芴核所组成。相比PDI(35mg/mL)和39(70mg/mL),化合物40具有很好的溶解性(155mg/mL)。TGA分析表明,化合物40的热分解温度(Td)为291.2℃,它具有很好的热稳定性,要高于PDI的Td,大约高65℃。经15次循环伏安(CV)扫描,化合物40仍然保持不变的还原峰。化合物40也显示良好的光稳定性,其荧光强度一直保持在99%。在SCLC器件中,化合物40显示比较高的本征电子迁移率(2.22×10-5cm2V-1s-1),比PDI(3.52×10-8cm2V-1s-1)高3个数量级。以化合物40为受体、P3HT为供体,所构筑的BHJ OSCs获得0.64%的PCE,大约是PDI：P3HT电池的64倍。4.利用液晶(LC)受体材料来提高BHJ OSCs的性能。以一个结构简单的PDI分子43为模型进行了全面的研究。它显示了比较宽的液晶相(从41℃到158℃的温度范围),并且通过差式扫描量热法(DSC),偏光显微镜(POM)和X射线衍射(XRD)对其LC性能进行了表征。利用P3HT：43(1：2)作为有机光伏活性层,经过热退火120℃,BHJ器件显示0.94%的最好效率。通过对比,一种非LC分子41的器件,只获得了比较低的效率0.22%。AFM图像表明P3HT：43活性层组分具有平滑和规整的形貌。通过旋涂技术制作SCLC器件,在热退火120℃相同的状态下,分子43显示了2.85×10-4cm2V-1s-1的本征电子迁移率,是非LC分子41(5.83×10-5cm2V-1s-1)的约为5倍。