有机太阳能电池（OrganicSolarCells，OSC）是以有机半导体作为光电转换活性材料的新型太阳能电池。相对于无机太阳能电池，它具有质量轻，价格低廉，可制作柔性器件，能够大面积溶液加工等优点，成为当今新能源和新材料领域的研究热点。近十年来，基于有机材料设计的太阳能电池的效率得到了大幅度提高，但距离规模化生产和实际应用还有很大的差距，其中最重要的原因就是较低的光电转换效率。因此，设计具有高光电转换效率（PowConversionEfficiency，PCE）的有机光伏材料是目前科学工作者研究的主要问题。新型的窄带隙D-A聚合物分子通常表现出优异的激子、载流子传输性质和宽的吸收光谱，能够大幅度提高光电转换效率。具备单线态裂解（SingletFission，SF）性质的材料可以将一个高能量的光子“裁剪”为两个低能量的光子，打破了单结太阳能电池的Shockley-Queisser限制，理论上可以达到200%的量子效率。这两类新材料的应用为设计高效率的有机太阳能电池提供了一条有效途径。本论文从量子化学计算的角度出发，采用密度泛函理论和含时密度泛函理论开展了一系列有关高效率光伏材料的设计工作。首先，我们设计了一系列电子给体-受体共轭聚合物分子，研究了分子结构与性质之间的关系，从而为设计新的窄带隙聚合物提供理论参考。其次，我们将单线态裂解应用到有机光伏材料中，设计了一系列具有SF性质的分子，重点研究其光学和电化学性质，为以后设计更理想的分子提供指导。以下是本论文的主要工作：第一部分工作中我们以聚噻吩为母体，通过引入苯并噻二唑（BT）、苯并双噻二唑（B2T）、吡啶并噻二唑（PT）等含有N、O、S和Se原子的杂环基团作为受体单元设计了一系列D-A型窄带隙共轭聚合物。通过对比研究这些分子的构型、分子前线轨道、吸收光谱、重组能等参数重点阐述了吸电子单元对聚合物前线轨道能级的影响机制和含不同杂原子（O，S，Se）的吸电子单元对其吸收光谱和激发能的影响规律。计算结果表明D-A型聚合物分子能带隙的降低主要是由受体单元较低的LUMO能级引起的。同时也在理论上证实了硒原子的引入更有利于设计窄带隙有机光伏材料。第二部分工作中我们设计了一系列以并苯分子为母体，掺杂N、O、S和Se原子的杂环并苯类化合物。利用量子化学理论计算了这类分子的双自由基特性，并采用TDDFT方法计算了分子单线态裂解过程中各激发态的能量。我们利用激发态能量和双自由基特性作为判据，筛选出优良的具有单线态裂解性质的材料。计算结果表明此类杂环并苯类化合物能够满足单线态裂解的能量需求，是一类具有单线态裂解性质的分子。计算结果还表明含氧族元素的杂环并苯分子相比含氮杂环并苯分子具有更利于单线态裂解的性质。第三部分工作中我们研究了一类具有特殊结构的Z型多环芳烃化合物，zethrene类分子。我们基于zethrene类分子，设计了一系列7、14号位取代的zethrene衍生物，并分析了它们的分子稳定性和单线态裂解性质。计算结果表明，heptazethrene和octazethrene分子表现出好的单线态裂解性质，7、14号位置的取代使分子更加稳定，能量上也更利于单线态裂解的进行。此外，吸电子基团的取代使得这种趋势更加明显。