随着材料科学的发展,有机半导体材料因其结构可调和可制备柔性器件等众多优势得到了广泛的关注。苝酰亚胺及其衍生物作为一个电子传输型(《-型)有机半导体材料,在彩色液晶显示(LCD),有机太阳能电池(OSCs)和有机场效应晶体管(OFETs)等方面具有广泛的研究。然而,由于苝酰亚胺拥有较大的芳香共轭平面,分子间作用力大,易于形成大的聚集体,导致其溶解度差,溶液加工困难,从而限制了其应用。因此,设计合成新型苝酰亚胺分子并研究其聚集结晶行为与光电性质之间的关系尤为重要。本文选取了一系列功能化的苝酰亚胺衍生物,围绕分子结构、聚集结晶行为与光电性质的关系展开,并对其光电性质和器件性能进行了系统的研究。本论文的主要内容包括:1.选取了一系列长烷基链取代的苝酰亚胺分子(C18-4CIPBI,C16-4ClPBI,C14-4ClPBI和C12-4ClPBI),对其热力学、光电性质和相转变性质进行研究,发现它们都有多重熔融峰和结晶峰,对应了不同的相转变,在用偏光显微镜(POM)对其形貌进行表征时,发现在高温相向低温相转变时产生了明显的形貌变化。于是重点研究了 C18-4C1PBI的相变过程中的形貌变化,发现C18-4ClPBI可以产生可逆的热致性液晶,结合小角X光散射(SAXS)测试拟合了两相不同的单斜晶胞参数,这表明液晶分子在三维空间中是高度有序状态,在从液晶相向结晶相转变时有凸起纹理产生,当结晶相向液晶相转变时凸起纹理消失。经研究,我们发现凸起纹理是由于液晶到结晶晶形转变时,晶胞参数变化导致分子倾斜到晶界处,晶区相互排斥和相互抑制而生成的无定型区域。同时证实无定型凸起纹理的存在会导致电子迁移率从液晶相(1.51 × 10-3 cm2 V-1S-1)到结晶相(2.67 × 10-4 cm2 V-1 s-1)显著降低。2.研究设计了两个在苝酰亚胺核上引入了硫桥、硒桥的单键连接的苝酰亚胺二聚体作为受体材料,将其命名为C4,4-SdiPBI-S和C4,4-SdiPBI-Se。选择了一个与 C4,4-SdiPBI-S 和 C4,4-SdiPBI-Se 吸收互补的中等带隙的分子DR3TBDTT作为给体,制备非富勒烯-全小分子有机太阳能电池(NFall-SMSCs)。在制备器件的过程中,发现溶剂退火对于增加给受体的结晶性、得到合适的相分离尺寸和提高激子迁移率有着很大的帮助。在氯仿气氛下的溶剂退火,可以使DR3TBDTT:C4,4-SdiPBI-S器件的 PCE 从 2.52%增加到 5.81%,使 DR3TBDTT:C4,4-SdiPBI-Se器件的PCE从2.65%增加到6.22%。而6.22%的效率是目前基于苝酰亚胺受体类非富勒烯-全小分子有机太阳能电池的最高效率之一。3.研究设计了 一系列不同烷基链取代的苝酰亚胺二聚体Cn,n-SdiPBI-S(n=3,4,5,6,7),探索其制备的非富勒烯-全小分子有机太阳能电池器件性能与受体烷基链长度之间的关系。发现溶剂退火基于不同烷基链取代的苝酰亚胺受体器件性能的提升不同,提升倍数从2.5倍降低到1.2倍。考虑到有机分子一般存在奇偶效应,选择了奇数烷基链,的苝酰亚胺分子研究退火前后性能提升不同的原因。4.选择了一系列不同键接位置的苝酰亚胺B-SdiPBI,O-SdiPBI和H-SdiPBI,研究了不同键接位置对其分子构象、光电性质和光伏性能的影响。不同键接位置的苝酰亚胺会形成不同程度的π平面扭曲和二面角。B-SdiPBI两个PBI单元之间的扭转角为67°,由于O-SdiPBI和H-SdiPBI有更大的空间斥力,二面角增加到86°和90°。而三个苝酰亚胺衍生物的单元平面性大小顺序为:H-SdiPBI>O-SdiPBI>B-SdiPBI。在以DRTBDTT为给体的NF all-SMSCs体系中,器件的效率也是H-SdiPBI>O-SdiPBI>B-SdiPBI,这是因为扭转的二面角有助于破坏小分子结晶,形成更小更有利于电荷分离的相尺寸,而好的平面性有利于在电荷的传输。