相比于无机材料,有机半导体材料具有质量轻、廉价易得、性能易调制和可制成大面积柔性器件等优点。在有机半导体材料的分子设计上,利用给体(D)-受体(A)单元进行组合而构建有机共轭主链,可方便有效地调节其能级和能隙,成为构筑有机太阳能电池和聚合物场效应晶体管材料的主流设计思路。其中以吡咯并吡咯二酮(DPP)为受体单元的D-A结构的有机太阳能电池和聚合物场效应晶体管的研究受到广泛关注,展示了优良的光电性能。本文基于这一思路,设计合成了单噻吩稠合的DPP (TPTI)和双噻吩稠合的DPP (BTI)这两种新型受体单元,然后以TPTI为受体单元合成了一系列D-A结构小分子太阳能电池材料、以BTI为受体单元合成一系列D-A结构聚合物场效应晶体管材料,并制作了相应的有机太阳能电池和场效应晶体管器件,测试了太阳电池器件的光伏性能和场效应晶体管的电荷传输性能,探讨了材料的结构-性能关系。本论文各章节的主要内容如下：第一章绪论,首先简要概述了有机半导体材料的发展及结构优势,然后介绍了有机太阳能电池材料和场效应晶体管材料分子设计的共同特点及发展状况,最后分别详细介绍了有机小分子太阳能电池和聚合物场效应晶体管的器件结构、工作原理、材料类型以及分子设计思路,并基于DPP分子在有机太阳能电池和聚合物场效应晶体管材料中的广泛应用和研究状况,提出了本论文的设计思路和研究内容。第二章设计合成了一类新的单噻吩稠合DPP受体单元(TPTI),通过噻吩环与DPP核的稠合,使其共轭面进一步扩展。然后以TPTI为受体单元,并分别以三联噻吩、苯并二噻吩(BDT)、噻吩取代的BDT (BDTT)和二噻吩并硅咯(DTS)为给体单元,设计合成了四个A-D-A型的有机小分子太阳能电池给体材料S1-S4。S1-S4在溶液和薄膜状态下均具有较宽的吸收范围,带隙均在1.5 eV左右,属于窄带系的有机半导体材料。通过研究它们与PC71BM受体材料构筑的太阳能电池器件的光伏性能发现,在这四个小分子中,基于DTS的小分子S4表现出了较好的光电性能,加入0.4%DIO优化后,其最高光电转换效率达到0.97%。小分子S1-S4的电池器件的短路电流密度较低,光电转换性能较差,这可能是因为分子设计中引入的长叉链烷基链对分子间的π-π相互作用造成了较强位阻效应,影响了电荷传输。第三章考虑到侧链烷基链的位阻作用对材料光电性能的影响,通过对上一章BDTT-2TPTI和DTS-2TPTI小分子体系的烷基链进行调整,设计合成了烷基链较短的小分子S5-S8。烷基链变短后,小分子S5-S8在溶液和薄膜状态下的堆积明显增强,分子的HOMO能级均有所提升。以溶解性较好的小分子S7和S8为给体材料,分别与PC71BM作为受体材料制作了太阳能电池器件并测试发现,与上一章具有相同共轭骨架结构但含有长叉链烷基链的小分子S3和S4相比较,基于S7和S8的器件的短路电流密度都提高了2-3倍,尤其小分子S8在加入0.5%DIO添加剂进行器件优化后,最高PCE达到4.28%。第四章为降低给体材料的HOMO能级,提高太阳能电池器件的开路电压,利用Sonogashira反应将乙炔基作为π-桥引入到BDTT-2TPTI口DTS-2TPTI分子体系而设计合成了小分子S9和S10。通过光物理和电化学性质测试发现,炔基引入后,分子的吸收光谱蓝移,带隙增大,HOMO能级降低了近0.1eV。通过太阳能电池器件测试,发现引入炔基后,S9和S10的器件开路电压均显著提升,最高提升了0.16 V。但是炔键的拉电子效应对共轭骨架的π-电子的束缚作用可能影响了载流子传输,从而降低了相应太阳能电池的电流密度。随后采用不同的添加剂对器件进行优化,小分子S9在加入0.5%DIO优化后,器件最高效率达到1.90%；小分子S10加入0.3%DPE优化后最高效率则达到了2.83%。第五章以TPTI为受体单元,分别以芴、咔唑、三苯胺和IDT为给体单元,设计合成了四个基于P3HT为给体材料的小分子非富勒烯受体材料S11-S14。通过光物理和电化学测试发现,S11-S14的HOMO-LUMO能级与P3HT可以匹配,基本满足作为受体材料的能级要求。基于S11-S14和P3HT的太阳能电池器件均具有较高的开路电压,但是短路电流密度极低,最高的光电转换效率仅为0.138%。从AFM图中发现,其较差的相分离或过大的相分离尺寸是影响器件性能的主要原因。而基于S11-S14为给体材料和PC71BM为受体材料的太阳能电池器件均表现出一定的光电转换效率,其中小分子S14在加入0.7%DIO后,活性层相分离明显,光电转换效率明显提升,最高PCE达到了2.20%。第六章设计合成了双噻吩稠合的DPP受体单元BTI,然后以BTI为受体单元,分别以噻吩、联二噻吩、三联噻吩和二并噻吩为给体单元,设计合成了五个D-A结构共轭聚合物P1-P5。聚合物P1-P5均具有较大的分子量和良好的热稳定性,在溶液和薄膜状态下的紫外-可见吸收光谱范围拓宽到了近红外区域,具有较窄的光学带隙。通过场效应器件性能测试,发现这五个聚合物均为空穴传输材料,其中P2,P4和P5在室温旋涂条件下展示了较高的空穴迁移率,以P2的空穴迁移率最高,达到了0.45 cm2V-1s-1,开关比为106。聚合物P1主链上烷基链之间的位阻效应较大,影响了共轭主链间的分子堆积;聚合物P3的溶解性较差,影响了其溶解性和成膜性能,因此这两个聚合物的空穴迁移率相对较低。第七章为降低聚合物材料的HOMO能级而提高相应材料的OFET器件稳定性,利用给电子能力较弱的苯环和拉电子较强的苯并噻二唑(BT)基团分别与BTI受体单元共聚,设计合成了聚合物P6-P9。除聚合物P7由于刚性较大,分子量较低外,其余聚合物均有较大的分子量。通过光物理和电化学性能测试发现,聚合物P6和P7共轭主链上由于没有引入噻吩桥,主链内的共轭基团之间以及链间的烷基链之间存在较大的位阻效应,导致聚合物分子主链的链间π-π堆积较弱。而聚合物P8和P9由于拉电子的BT基团的引入,其HOMO能级有所降低,同时因共轭主链内引入了噻吩桥,其在溶液和薄膜状态下均表现出较强的的堆积。通过场效应器件性能测试,发现聚合物P6-P9均具有空穴传输性能,其中聚合物P8-CF在室温旋涂条件下的空穴迁移率达到0.14 cm2V-1s-1,开关比为107。