提高有机太阳能电池功率转换效率有三个主要途径：研发新的有机材料,改进器件制备工艺和设计新的器件结构。本论文首先研究了现有的方酸材料SQ,之后设计合成了一系列可溶性方酸菁类有机小分子材料并制备器件,通过对器件的优化,提高了器件性能。首先研究了不同活性层厚度对基于SQ:PC71BM的有机太阳能电池性能的影响,活性层厚度为78nm时能获得2.84%的最高器件效率,对应器件的最高短路电流密度为8.76mA/cm2,这是光吸收和载流子传输相平衡的结果。其次对比了旋涂PEDOT:PSS溶液和蒸镀氧化钼作为阳极修饰层对基于SQ:PC71BM的电池性能的影响,研究表明PEDOT:PSS的酸性对SQ产生了破坏,反而使器件性能降低,而蒸镀的氧化钼阳极修饰层能增加器件的开路电压和填充因子,使器件性能得到明显提高。之后研究了不同时间紫外臭氧处理M003薄膜对器件性能的影响。当紫外臭氧处理M003的时间间为10分钟时,器件能获得3.99%的最高效率。研究了热退火对器件性能影响的机理。70℃退火l0分钟时,器件的Jsc和FF增加到最大值。通过用空间电荷限制电流计算空穴迁移率,发现热退火后空穴迁移率从2.26×10-6cm2/Vs增加到了3.34×10-6cm2/Vs,这证明电荷传输性能得到了很大改善。另一方面,AFM显示薄膜的粗糙度增强,这表明给受体通过退火实现了充分和稳定的相分离,使电荷能更有效的分离和传输。与对称结构的方酸SQ相比,不对称方酸ASQ更容易进行光电性质的微调且在常见的有机溶剂中都具有更好的溶解性。因此,我们设计合成了多种新的不对称方酸材料,并重点研究了其中的ASQB和ASQC。对基于ASQB:PC71BM的器件,通过优化给受体配比,发现最佳比值为1:8,通过70℃热退火10分钟,最终获得最高效率2.24%。对基于ASQC:PC71BM的器件,通过优化给受体配比,发现最佳比值为1:5,通过110℃热退火10分钟改善给受体相分离情况,获得最高效率2.82%,并获得迄今为止在小分子给体材料中的最高开路电压值1.12V。随后,将ASQB掺入P3HT:PC61BM中进行了三元电池的研究。通过吸收光谱和X射线衍射谱证明了ASQB的掺入不仅没有影响P3HT的结晶,反而能扩宽吸收光谱的范围,增加红光和近红外区域的吸收,还能通过Forster能量转移增加激子的产生,增加了器件的短路电流,从而将器件的效率从2.58%提高到3.22%。通过分别引入环戊醇二氢吲哚基团和环戊醇吲哚基团,我们又合成了ASQ-1a和ASQ-1b两种可溶液加工的非对称结构的方酸材料。最终ASQ-1a为给体的器件获得0.5的填充因子和4.01%的高效率,ASQ-1b为给体的器件获得0.33的填充因子和2.22%的效率。通过ASQ-1a和ASQ-1b为给体器件的对比研究,我们发现材料密度越大,对应器件的填充因子就越高,相比于载流子迁移率等参数,材料密度更便于测量和调控,这为我们以后分子设计提供了一个新的参考方向。之后我们使用了一种简单的溶液法,分别用高锰酸钾和双氧水处理ITO表面进行阳极修饰,提高了基于P3HT:PC61BM的电池器件性能。一方面KMnO4和H2O2的强氧化性提高ITO了的功函数从而降低了ITO和PEDOT:PSS之间的势垒,提高了空穴的收集效率；另一方面溶液处理还能去除ITO表面的碳污染物,使薄膜表面更加平滑清洁,增加ITO和PEDOT:PSS界面间的平整度,进而提高器件的性能。将该方法运用于ASQ-1a:PC71BM的器件中,用强氧化性的双氧水溶液处理ITO表面,证明了该方法对器件效率的提升的确要好于传统的紫外臭氧处理的方法,说明溶液法处理ITO在方酸材料的体系中也是具有普适性的。