体异质结(BHJ)有机太阳能电池由于其质量轻、制备简单、易于加工、易于调控性能等优势，受到人们的广泛关注。目前，BHJ有机太阳能电池的活性层主要由共轭小分子或共轭聚合物的给体材料与富勒烯或非富勒烯的受体材料组成^1-5。其中，富勒烯及其衍生物能够成为主要电子受体材料是因为自身具有以下几个特点：(1)最低未占分子轨道(LUMO)能级为三重简并轨道，电负性较强，电子亲合能大；(2)三维球状构型，电子传输具有各向同性，有利于激子的扩散和电荷的有效传输；(3)具有大π共轭体系和刚性分子骨架，能够促进激子分离和抑制电荷的复合。同时，其独特的球形结构容易形成独立的聚集态，便于嵌插在给体材料的连续相中间⁶。然而，富勒烯受体也存在一些明显不足，比如：成本高、提纯困难、能级调控有限和化学结构不易修饰等。因此，为了实现有机太阳能电池的商业化应用，人们又开始把目光转向非富勒烯的受体材料上^7-10。

非富勒烯受体分为有机小分子和聚合物两大类。与聚合物相比，有机小分子具有确定的分子量、结构准确以及容易提纯等优点；与富勒烯相比，有机小分子的摩尔消光系数高、结构可设计性强以及能级易于调控，从而能够与不同的给体材料匹配^11-14。在非富勒烯受体中，苝二酰亚胺(PDI)由于具有良好的电子迁移能力，易于调控的低LUMO能级，以及在可见光区有较宽吸收等特点，因此很早就作为受体材料而被广泛研究¹⁵。然而，PDI作为受体材料仍然具有一定的局限性：首先，PDI具有大的π共轭平面，表现出强烈的自聚集倾向，在固态下较易形成晶体结构；同时，共平面分子间强烈的π–π相互作用，容易导致激基缔合物的形成，激子很容易被其捕获，从而限制了激子的扩散和电荷的有效分离^{2, 16}。

为了解决PDI易自聚集这一问题，降低其分子结构的平面性是抑制分子间聚集并调节薄膜形貌的有效途径之一，同时也是提升PDI受体基非富勒烯太阳能电池性能的关键所在。然而，分子平面性的破坏又会降低电荷迁移率，从而影响太阳能电池的性能。因此，如何通过PDI的分子设计，实现PDI分子间的聚集抑制并同时保留高电子迁移能力是一项重要的课题^{17, 18}。如图1所示，PDI分子的结构具有对称性，其一半结构中有三种活性位点：bay位，Ortho位和苝二酰亚胺的N位。这些活性位点通过修饰，可以使分子平面结构形成一定的扭转角，从而很好的抑制聚集。譬如，PDI的bay位易于进行反应来调控光学和电子性能，对吸收光谱影响较大，其溴化得到的单取代和双取代溴化物常被用来做反应的原材料，进而形成PDI的二聚体来有效抑制聚集^{1, 16}。相比bay位修饰，N位修饰对于光学和电子特性的影响比较小，其原因归于N位是分子节点。但是，N位上可以进行一系列烷基和其他基团的取代，不仅可以改善材料的溶解性，还可以通过分子骨架与取代烷基的不共平面性来调节器件中混合膜的形貌，提高器件性能¹⁹。Ortho位修饰则是PDI较为理想的一种修饰方式，不仅可使PDI骨架保持平面性，还可以进行不同烷基取代来调控材料的性能。此外，其他有效抑制聚集的方法还有对非共平面的结构进行关环反应，一方面能保持部分不共面结构抑制聚集，另一方面通过限制单键的旋转来增强其有序性，进而提高电子迁移率^{20, 21}。以上各种方法都具有其独特性，因此，可以通过两种或多种方法结合来优化分子结构，以提高材料的光电性能。

本文将主要介绍近三年来基于PDI非富勒烯小分子受体在有机太阳能电池中的应用研究进展，重点关注PDI类分子结构的优化过程以及化学结构与能级、聚集态、有机太阳能电池性能间的关系。

图2为本文中所涉及的给体材料结构。有机聚合物给体材料的发展总的来说可分为为三个阶段。首先是聚对苯撑乙烯(PPV)及其衍生物^{22, 23}，这类是早期应用最多的给体聚合物材料，但这类材料具有较大的光学带隙，对太阳光谱的吸收能力比较有限。因此，基于这类给体材料与富勒烯受体加工的聚合物太阳能电池器件的最高光电转换效率仅有3.0%左右^{24, 25}。第二阶段是聚噻吩类聚合物给体材料。2004年，Brabec课题组²⁶报道了基于聚(3-己基噻吩，P3HT)的给体材料，并与富勒烯受体混合加工制备的太阳能电池器件的光电转换效率高达3.85%。第三阶段是基于BDT结构单元设计的一系列聚合物给体材料。其中最为经典的分子改进为Chen课题组²⁷设计并合成的二维共轭的聚合物给体材料PTB7-Th，基于PTB7-Th材料与富勒烯混合加工的器件的光电转换效率达到了9.35%。由于PTB7-Th的优越性能，目前被广大科学家所研究。此外，效率最高的给体材料PBDB-T，同样是以BDT结构单元为基础而合成的²⁸。

通过bay位修饰PDI使之实现功能调控是使用最广泛的一种方法，因为其合成方法较为简单，同时也能够降低PDI的聚集作用^{1, 29}。在Bay位引入烷基链或芳香烃类基团，取代基团与PDI平面之间会存在空间位阻，因此PDI骨架与取代基团之间会形成一个较大的二面角，抑制分子聚集。更重要的是，不同取代基的修饰会使PDI的性能如光吸收、电子传输、前线分子轨道以及给受体材料的混溶性等发生改变，有利于通过分子设计来调控材料性能^{6, 30, 31}。

Wang等^{32, 33}在PDI分子一边的bay位引入带有不同长度烷基链的苯环，得到分子a1 (见图3)，并研究了烷基链长度对光学、电化学、热学以及光电性能的影响。结果表明：烷基链长度对光谱和电化学性能影响可以忽略不计，但对光伏性能影响较大。其中，烷基链最短的4-PP-PDI分子具有最好的光伏性能，基于P3HT:4-PP-PDI的太阳能电池效率可达0.77%，其主要原因可能是由于分子间相互作用与给受体共混膜相分离之间的平衡所致。随后该课题组又进一步研究了烷基链在苯环上不同位置的取代对光电性能的影响，设计合成了一系列分子a2。结果表明：大体积的取代基在间位和对位时的影响可忽略不计，而邻位由于大的空间位阻使得PDI核与苯基间存在大的扭转角，导致共轭程度降低，最终吸收光谱发生蓝移，光学带隙增大。研究结果表明：间位取代的分子3-iPP-PDI与P3HT和PTB7给体材料共混时均表现出良好的器件性能，分别达到1.1%与1.7%的效率。同时，与未取代的PDI分子相比，烷基取代的分子太阳能电池性能都有所提高，表明在PDI分子bay位引入大的烷基侧链可以使结晶度与电子迁移率达到平衡，从而提高光电性能。此外，孙艳明等¹⁶在PDI分子的bay位引入四个苯基，同时N位引入环己基，得到了宽带隙的小分子a3。由于空间位阻效应，这些大体积基团的引入导致了分子结构的扭曲，因而，有效地抑制了PDI的聚集。与窄带隙的给体材料PTB7-Th共混，器件的效率达到4.1%。占肖卫等³⁴以PDI-2DTT a4作为受体材料，实现太阳能电池的三元共聚。相比串联太阳能电池，构建三元体系太阳能电池成为提高有机太阳能电池效率的另一个重要战略。目前的三元混合太阳能电池其中一种类型：两个给体材料和一个受体材料的三元共混效率已经达到了10%以上¹²。另一种则是一个给体和两个受体材料的混合。由于LUMO和HOMO(最高已占轨道)能级较低，与给体材料能级相比其能级差较大，更有利于激子分离，因此当在PTB7-Th/IDT-2BR混合膜中添加1%或2% PDI-2DTT时，在给受体之间表现出有效的电荷转移。且在含1% PDI-2DTT时，具有最小的能级损失和最大的开路电压(V_OC)值，器件效率可达10.1%。

构建二聚体PDI是获得高效非富勒烯小分子受体的有效策略，两个PDI单元可以通过单键，单个芳香环或多个芳香环连接。李韦伟等³⁵在单键相连的PDI二聚体上用氰基修饰，得到受体分子a5(见图4)，在PDI二聚体上引入氰基提升了电子迁移的空气稳定性，其LUMO能级为-4.56 eV，以PDPP2Tz2T为给体，太阳能电池能量转换率达到1.4%，这是第一例基于给/受体LUMO能级均低于-4.0 eV的研究。Welch等³⁶设计合成了以N稠合PDI衍生物为受体端基，DPP作为桥连单元，以噻吩α活性位连接PDI单元bay位，设计合成了一类新型的PDI受体分子a6。以其作为受体，来筛选可以替代昂贵高效的PTB7-Th的给体材料。研究发现：由于活性层混合膜经过溶剂退火后会引起由受体分子决定的优先重组，增强器件性能。实验中采用廉价的给体材料PDTT-BOBT与受体单元a6按1 : 1.5共混，经溶剂退火4 min后其器件效率高达4.5%，这一效率值与PTB7-Th：a6基太阳能电池的效率值(4.6%)非常接近。

姚建年等¹⁴采用噻吩环的2, 5活性位来桥连两个PDI单元合成了a7-a，他们研究了以p-DTS(FBTTh2)2为给体材料，调节受体在不同添加剂中的溶解度，结果表明：在CN (1-氯萘)、ODT (1, 8-辛二硫醇)及DIO (1, 8-二碘辛烷)这些添加剂中，受体材料在DIO中的溶解度最低。以氯仿作为溶剂，通过改变添加剂的种类及含量来调控受体分子的相尺寸，器件效率由0.02%提高至3.7%。随后，詹传郎等³⁷又合成了受体材料a7-b。与给体材料PBDT-TS1共混，所得太阳能电池器件效率最高可达6.36%，与PC71BM:PBDT-TS1器件效率(8.73%)相比较略低，推测主要是由于受体分子a7-b，自由电子重组能损失较大，电子迁移率较小，从而光电流较低。Yu等²⁰在两个PDI分子间用不同多芳香杂环化合物PID和BDT桥连，得到小分子a8-a。与PTB7-Th混合后，其器件效率分别达到3.47%和3.53%。颜河等^{38, 39}则使用联二噻吩作为桥联单元，连噻吩的α活性位连接两个PDI分子得到材料a8-b。对比两种噻吩上烷基不同位置取代对太阳能转换效率的影响。其中两个甲基互相指向两个PDI分子的受体性能较好，这是由于此种烷基取代可导致更大的二面角，高达54°，结构更扭曲，达到更适合的相尺寸大小，从而获得高效率的材料。与窄带隙的聚合物给体材料PffBT4T-2DT混合后，太阳能电池器件效率可达4.1%。随后，他们又通过螺旋形的螺二芴分子桥接两个PDI，合成了受体材料a8-c。该受体材料与PffBT4T-2DT能级匹配，所得太阳能电池器件的V_OC为0.98 V，光电转换效率达到6.3%。王朝晖等^{40, 41}则通过单键将两分子PDI相联，再使用S原子或Se原子连接PDI二聚体分子的外侧bay位，形成碗状结构的五元环，得到小分子a9。通过与宽带隙聚合物给体PBDT-T1共混，器件效率分别达到7.16%和8.42%。孙艳明等⁴²以ITIC-Th和a9-b为受体分子，以PDBT-T1为给体材料作为三元体系的基础。这三种材料表现出光谱互补，覆盖了整个可见光范围，同时吸收的拓宽并没有破坏激子分离和载流子传输的两相形貌，而且，两个受体的易混合性降低了结晶度，形成了致密的混合膜，具有良好的传输性能。因此，所得三元体系太阳能电池表现出高达10.3%的能量转换效率。

富勒烯衍生物的一个优点是它们的形状近似于球形，可以形成三维的电荷传输网状结构，而不同数目的PDI分子也可能以某一基团为核心形成三维立体结构的衍生物。在此结构中，各PDI分子分别朝向不同的方向，不仅抑制了BHJ混合膜的自聚集倾向，还促进了纳米级相尺寸的形成，这样就有利于PDI分子间的能量转移和电荷传输，更重要的是可以实现三维的电荷传输和分离^{36, 43}。

研究者首先采用具有三个联结点的分子为核，合成了一系列具有三个PDI单元的三维小分子受体材料。Russell等⁹以苯环为核连接三个PDI单元构建了分子a10(见图5)。由于破坏了对称性，抑制了结晶性能，但又保留了相邻分子的π–π相互作用，确保了有效的电荷分离和电荷传输。基于PTB7-Th:a10的太阳能电池器件效率达到5.65%。彭强等⁴⁴以缺电子基团三嗪为核，连接三个PDI形成三聚体小分子a11。与以苯环作为核的三聚体分子相比，吸收光谱更宽更强，且分子结构扭转角较小，提高了分子结晶性，具有更强的π–π堆积作用。对材料的光物理性质具有明显影响，与PTB7-Th共混，苯环为核的三聚体所得器件效率为5.57%。而三嗪为核的三聚体所得器件效率则高达9.15%，且短路电流(J_SC)和填充因子(FF)值均显著增大，分别达到17.10 mA·cm^-2和68.5%。Tan等⁴⁵以BTT为核连接三个PDI形成三叶型的小分子受体a12。由于PDI单元和BTT核之间存在部分共轭，因此小分子受体表现出较高的电子迁移率，达到了3.69 × 10^-3 cm²·V^-1·s^-1。但由于共混膜的相分离模糊，因此，混合膜的电子迁移率和空穴迁移率较低。基于PTB7-Th:a12的太阳能电池器件效率仅有1.35%。Ong等⁴⁶以DMTPA为核心桥连三个PDI分子，构建了小分子受体a13。该分子结构趋于平面化，因而减小了分子内的扭转角，使分子内π电子得到充分离域。不仅扩大了光谱吸收范围，并且提高了LUMO能级，得到了更高更平衡的空穴和电子传输性能。与PTB7-Th共混，器件效率达5%。陈永胜等⁴⁷设计并合成了受体分子a14-a。其PDI分子一边的bay位被1，2-二甲氧基乙烷取代，另一边与三蝶烯相连。该受体与PTB7-Th共混，太阳能电池效率达2.80%。Sun等⁴⁸合成了以三蝶烯为核，连接三个PDI单元构建的受体分子a14-b。研究表明：嵌入三维结构的核不仅降低了分子结晶度还提高了电子迁移率。基于PTB7-Th:a14-b共混，能量转换率达3.16%。随后Yang等⁴⁹用相同的中心单元构建了受体分子a14-c，其LUMO能级与传统的PCBM相近，而且，该受体分子具有良好的热稳定性，在400–600 nm范围内存在强吸收。该受体分子与窄带系的聚合物PBDT-TS1共混，太阳能电池效率可达4.53%。詹传郎等⁵⁰合成了以三苯胺为核心，噻吩桥连三个PDI单元形成的小分子受体a15。相比三苯胺直接连接的PDI分子结构，噻吩的引入拓宽了分子的吸收光谱范围。XRD证实了由于芳香基团间存在edge to face (边对面堆积)的相互作用，因此，在固态下存在芳香基团的分子自组装现象。作者通过添加DIO调整了分子堆积方式，提高了结晶性和电子迁移率，基于PBDTTT-C-T:a15的太阳能电池器件效率达到了1.92%。

在研究以三连接点分子为核的同时，研究者也考虑采用有四个活性位点的分子为核，合成具有四个PDI单元的三维受体材料。颜河等⁵¹以四苯乙烯为核心连接了四个PDI分子，由于空间效应，得到了扭曲的三维结构分子a16(图6)，不仅减弱了分子聚集能力，使薄膜趋于平滑整齐，而且更有利于电荷传输。与PBDTT-F-TT共混，所得器件效率高达5.53%。

随后，黄辉等¹²以ITIC-Th为给体，以PBDB-T为第二组分，以TPE-4PDI (a16)为第三元组分也进行三元共混，相比FT-2PDI，a16受体材料作为第三组分可以更有效的增大V_OC值。因为TPE-4PDI:ITIC-Th体系具有更大的准前沿轨道态密度值N_e，通过调控三种材料的比例，当第三组分TPE-4PDI含量为10%的条件下，器件效率最高达11%，相比二元体系明显提升。随后颜河课题组⁵²将核换为四苯吡嗪，得到小分子受体a17，相比结构a16，a17核比较大，PDI相互间扭转角减小，降低了分子内的扭曲程度，因此聚集增强，但同时电子迁移率也有所提升。在器件优化后，具有较大的填充因子，所得器件效率高达7.1%。接着，颜河课题组⁵³又合成了一系列分别以四苯基碳、四苯基硅及四苯基锗为核心的三维PDI受体结构a18，其中四苯基碳与四苯基硅形成的小分子受体表现出良好的聚合物太阳能电池性能。所得最大V_OC值为0.96 V，优于聚合物与富勒烯受体器件，电池效率分别高达4.3%和4.2%。由激子复合和双分子复合研究可知，以四苯基碳和四苯基硅为核心的受体分子其双分子复合弱于四苯基锗为核心的受体分子，而且后者所得的器件的V_OC和J_SC数值也较低，因此效率最低(1.6%)。王朝晖等⁵⁴合成了以四苯基碳为核的小分子受体a19，并且进一步的在四个PDI分子相邻bay位引入S桥，形成噻吩环结构，噻吩环的形成使PDI分子内部具有更大的平面骨架，有利于电荷传输，更重要的是，噻吩的给电子效应使分子LUMO升高，V_OC值增大，因此，基于PBDT-TS1:a19的有机太阳能电池效率可达6.17%。

黄辉等⁵⁵以螺二芴为核，与四个PDI分子偶联，形成了非共平面小分子结构a20-a，相比二聚体，具有更有效的激子分离和更高更平衡的电荷输运能力。与窄带隙给体PTB7-Th共混，器件效率达到5%。几乎同时，Cho等⁵⁶以a20-b为受体分子，与光谱互补、能级匹配的聚合物给体P4T2FBT和PV4T2FBT分别共混，太阳能电池效率分别达到了5.11%和5.82%。马昌期等⁵⁷改变烷基链合成了类似的小分子受体a20-c，与PTB7-Th共混，太阳能电池效率达到了5.34%。李韦伟等²⁸设计了一种基于卟啉的星形电子受体作为核心和四个PDI构建的小分子受体a21，新的共轭分子表现出合适的能级，良好的电子迁移率并且与给体聚合物的吸收光谱互补，因此基于PBDB-T:a21的器件效率达到7.4%。这是在目前基于卟啉衍生物受体材料的太阳能电池器件中，所获得的最高的光电转换效率。Wang等⁵⁸以刚性的枝化寡聚四噻吩单元为核，噻吩α活性位连接四个PDI分子，合成了非平面结构的受体材料a22，该受体具有宽泛的吸收光谱，LUMO能级为-4.1 eV，与窄带系的PTB7-Th为供体材料共混，可得到更高的电子迁移率、适当的相分离尺寸以及超快的电荷产生与分离，因此，器件效率高达4.12%。

PDI单元bay位的取代会使分子具有一定的扭转角，抑制分子自聚集，但也会破坏分子的平面性，减弱分子间的相互作用。而PDI分子中N活性位的取代是最为简单的修饰，不会造成分子平面的扭曲。但由于目前这种取代对光电性能影响较小，因此对于N位的研究也相对较少^{19, 51, 59}。Hill等⁶⁰研究了分子a23(见图7)中N位不同烷基取代对材料溶解性、薄膜自组装、光电性能等方面的影响，研究结果表明：烷基链的长短及碳链分叉位点的不同都会影响分子的π–π堆积，因此对各种性能都有微妙的影响，与F-DTS共混后，烷基链为EP的受体得到的太阳能电池效率最高，达3.21%。侯剑辉等^{61, 62}通过酰胺的N-N单键将两个PDI桥接起来，得到了近乎互相垂直的PDI二聚体受体分子a24，由于该分子带隙较宽，因此，与窄带隙给体聚合物PBDT-TS1共混，得到的太阳能电池效率最高达5.58%。随后其课题组又进一步设计了通过N位连接三个PDI单元形成三聚体结构的a25，与给体PBDT-TS1混合，在可见光区域其摩尔消光系数较大。且二者光谱吸收互补，活性层形貌良好，有利于电荷分离，J_SC值达16.5 mA·cm^-2，太阳能电池效率达7.25%。陈永胜等⁴⁷以三蝶烯为核心，连接三个PDI的N位，构建了三维结构的分子a26，与PTB7-Th混合，不仅提高了形态兼容性，而且得到了平滑均一的混合膜。太阳能电池效率达3.64%。Choi等¹⁹设计了以环己基为核心，具有独特的sp³σ桥连接两个PDI单元N位，得到受体分子a27。sp³σ桥不仅可以消除PDI之间的自聚集，还可以使p型聚合物具有适当的形貌。与PPDT2FBT共混后，形成合适的纳米尺寸相分离，促进了激子的分离与扩散。为电荷运输提供途径，器件效率达5.28%。张其春等¹¹以四苯基碳为核与四个PDI的N位相连，构造了三维构型分子a28，在溶液加工的BHJ太阳能电池中，与PBDTTT-C-T共混，器件效率达2.73%。王朝晖等⁶³设计合成了一系列以DACH为桥连的PDI手性二聚体分子a29，形成了U型框架，有利于PDI单元间的相互作用，与PTB7-Th共混发现：不同烷基链外消旋的混合物太阳能电池效率均高于纯R-或S-构型的分子。一方面，外消旋分子与给体材料互溶，另外，由于取代较短的烷基链与给体材料能级更匹配，因此太阳能转换率较高，可达4.68%。

通常，在PDI分子上Ortho位上的功能化是通过钌催化反应或铱催化反应来实现的。Ortho位的取代仍保留着PDI分子π共轭的平面性，这是一种不畸变PDI核又可调控分子性能的较为理想的途径^{64, 65}。

Wasielewskki等⁶⁵合成了在PDI单元上以苯环修饰Ortho位，不同烷基链修饰N位构建的一系列小分子a30(见图8)，与不同含量DIO混合，发现在DIO体积分数小于0.5%时，晶体结构主要以片状堆积为主，当含量大于0.5%时，出现了鱼骨状堆积，当含量为0.5%时，晶体结构全部为片状堆积，与PBDTT-FTTE共混，达到的最优转换效率为3.62%。光致发光淬灭实验结果表明：两者都经历了快速的电荷转移，但在鱼骨状结构中的速度更快，并且在鱼骨状结构中发现了双分子复合现象，与PBDTT-FTTE之间相互作用力更强，因此该类太阳能电池效率较高。

肖义等⁶⁴设计合成了PDI单元Ortho位直接单键连接的二聚体分子a31，该分子具有良好的平面性，不仅保留了PDI单体的光电性能，而且，相比bay位二聚体来说，具有更强的吸收和更高的LUMO值，有利于捕获更多的太阳光来提高开路电压，与PTB7-Th共混表现出良好的形貌特征，更高的载流子迁移率及更平衡的载流子传输。因此，J_SC值可达18.79 mA·cm^-2，能量转换率高达8.3%。Yu等^{20, 66}则设计了以芳香基团PID和BDT为核心桥连两个PDI单元的Ortho位构建的二聚体分子a32-a和a32-b，其π–π堆积紧密，表现出强的聚集倾向和高的电子迁移率。分别与PBT7-Th共混，基于a32-b的太阳能电池效率达4.92%，而基于a32-a的太阳能电池能量转换率达3.61%。研究结果表明：相比bay位取代的二聚体，Ortho位二聚体在共混界面上表现出更有效的激子分离，因此效率较优。随后，其课题组又以BDT-Th为核，与四个PDI的Ortho位偶联，形成一种三维结构的PDI四聚体材料a33。与PTB7-Th共混后的薄膜形态良好，能有效的分离电荷。与富勒烯受体体系相比，J_SC值更高，可达18 mA·cm^-2，在添加8%的DPE条件下，器件效率达到了8.47%。

在PDI的bay位进行桥连共轭关环，不仅能拓展PDI的共轭骨架，还可以增加固体状态下分子排列的有序度和电子的离域范围，促进电荷分离，提高电荷迁移率，同时光谱也会拓宽，能级有所调节^{67, 68}。Jen等⁶⁹合成了一系列以呋喃、噻吩、硒吩桥连bay位关环的PDI衍生物分子a34-a(见图9)。相比bay位未关环的分子结构，关环的PDI分子不仅减少了重组能还延长了有效的π共轭范围，有利于激子的扩散和电荷传输。更重要的是，关环的分子几何构型能够通过氧族元素进行合理调控。原子半径越大，两个PDI分子间的扭转角也逐渐增大，不同的几何构型导致形成的薄膜具有不同的形貌、相分离和结晶度。其中，噻吩桥连关环的FPDI-T具有适中的扭转角且上述参数都比较平衡，因此与PTB7-Th共混，具有最好的器件效率，可达6.72%。相比同主族的五元杂环来说，由于碲具有重原子效应，可促进自旋轨道耦合。因此，通过系间窜越产生长寿命的激发三线态，具有较长的激子扩散距离。此外，碲-碲间的相互作用增强了分子间作用力。这些因素均有利于电荷的分离与传输。基于此理念，以碲吩为核连接两个PDI单元关环的受体材料a34-b由黄辉⁷⁰课题组设计合成。以a34-b:PBDB-T共混得到转换效率为7.52%。这是目前基于碲吩材料的有机太阳能电池获得的最大效率。

陈红征等^{71, 72}合成了以IDTT为核心桥连两个PDI单元关环构建的分子a35，由于该分子具有一个全关环的分子骨架，因而具有优越的载流子传输性能。高的LUMO能级提高了V_OC值，因此，基于PTB7-Th:a35的太阳能电池效率可达7.33%。随后其课题组又设计合成了以BTT为核先通过单键连接三个PDI而后关环的小分子a36。未关环的分子结构因存在C-C单键而使PDI单元可旋转，且具有高度扭曲的分子骨架，而关环后，分子结构具有良好的平面性和刚性结构。更重要的是在核心骨架与PDI单元间增强了有效的共轭环，因此该分子能级上移、吸收增强、电荷迁移率提高。基于PTB7-Th:a36共混器件效率可达6.19%。王朝晖等⁷³设计合成了极度扭曲的三叶螺旋桨分子结构a37，发现邻近分子间存在强的π–π相互作用力。随后将硒吩并入PDI单元外侧bay位，形成了更为扭曲的螺旋桨分子结构a38，且由于Se-O键的相互作用使得分子三维网状组装更为紧密。由于两个受体材料的三维网状结构提供了有效的电荷传输通道，因此均具有良好的电子传输能力。以PDBT-T1为给体材料，太阳能电池能量转换效率分别达8.28%和9.28%。进一步研究表明：宽且强的光谱吸收、适当的LUMO能级、适度的聚集、高的电子迁移率和良好的共混膜形态等共同作用导致了高的电池转换效率。黄维等⁷⁴以SCPDT为核连接四个PDI单元，通过关环构建了受体分子a39，有效的延长了共轭，增强了骨架与PDI单元间的平面性，同时三维的刚性结构有效的抑制了分子的过度聚集，提高了与给体材料的可混合性。相比未关环分子，其LUMO能级升高。与PTB7-Th给体材料共混，由于有效的光谱互补、平衡的载流子迁移率和良好的相分离使转换率高达8.89%。颜河等⁶⁷以TTB为核心分别与四个PDI单元连接关环得到小分子a40，相比未关环的分子结构，该分子在性能上表现更优异，主要归因于分子内扭转角的调整及关环策略的影响，如：更有利的能级、更强的光吸收能力以及分子间堆积。与P3TEA共混仅有0.53 V的电压损失，因此，器件效率高达10.58%。

为了获得基于PDI单元的高效率太阳能电池器件，人们对PDI分子的各个活性位点进行修饰，即在bay位、Ortho位、N位取代。形成不同结构的单体、二聚体、多聚体等衍生物。目的都是在光谱吸收、HOMO/LUMO能级匹配、电子迁移率以及共混膜形貌方面进行调控，来达到太阳能电池的最优效率。通过以上总结，基于非富勒烯小分子受体在太阳能电池转换效率方面所表现的优异性能，常用的分子设计思路如下：1)有宽的吸收光谱和高的消光系数，与给体材料尽可能互补；2)有合适的HOMO/LUMO能级值，与给体材料合适的能级匹配，能够保证有效的激子扩散和分离；3)有高的电子迁移率，同时要与共混给体材料空穴迁移率保持平衡，保证有效的电荷传输；4)与给体材料形成良好的共混膜，能形成纳米尺寸的相分离结构，保证给受体间形成双连续的互穿网状结构，实现电子和空穴的有效传输。以上都是获取高效率的必要条件，这些调控对于分子的自聚集也都有不同程度的抑制。除此之外，在设计合成非富勒烯受体材料时还应该综合考量分子结构、电子特性、材料微观结构以及光电性能间的关系。通过设计、选择适当的给体材料或开发优异的薄膜加工方法以及将非富勒烯受体材料拓展到三元体系等手段都将进一步提高有机太阳能转换效率以及优化光电性能。从长远来看，PDI类受体分子依然具有很好的应用前景，并且在非富勒烯类有机小分子受体材料的研究中有望取得更大突破。