非富勒烯有机太阳电池凭借设计、合成便利性,强光学吸收和最小化能量损失等优点,成为有机太阳电池的研究热点。在突破富勒烯太阳电池效率瓶颈并提高能量转换效率方面,被寄予厚望。目前,非富勒烯作为受体的器件表现已经超越富勒烯衍生物,能量转换效率不断攀升。然而,研究的主要力量在新材料的设计、开发,对非富勒烯受体区别于富勒烯受体的特性缺乏深入的了解。对非富勒烯太阳电池器件物理的研究,有助于系统的理解新材料的新特性,反过来指导器件的优化和材料的设计。常用富勒烯衍生物受体合成成本高,限制了有机太阳电池的大规模推广。本论文的第二章讨论采用无需经过高成本提纯、分离的PC₆₁BM/PC₇₁BM天然混合物作为受体,相对纯富勒烯衍生物受体,能够大幅度缩减合成成本。PCBM混合物受体的器件表现超过了纯PC₆₁BM,并接近PC₇₁BM受体。三者器件短路电流差距较大,PCBM混合物的短路电流高于PC₆₁BM,略低于PC₇₁BM受体。光电转换过程分析表明,三者器件的短路电流差距,主要来自短波长处的光吸收和载流子收集效率差别。采用倒置器件结构和电子传输材料PFN,对器件做进一步优化,我们将PTB7给体PCBM混合物受体器件光电转换效率提高至8.01%。研究结果表明,PCBM天然混合物在合成成本和光电性能上均优于PC₆₁BM受体,是大面积有机太阳电池模组受体材料的优秀候选者。非富勒烯太阳电池能够实现转换效率的突破,其中一个决定性的因素是其具有低能量损耗,在器件上表现出高开路电压。器件的能量损失不仅取决于受体本身,还与相应匹配的给体材料有关。第三章中,我们以P3HT和PTB7-Th作为给体,对比研究了富勒烯和非富勒烯受体器件,使用带隙内的EQE和EL光谱测试分析器件的电荷转移能量(E_CT),发现非富勒烯器件E_CT提高涉及两种不同机制。对于只提高电荷转移能量而不影响单线态能量的体系,开路电压的提高不会损失光谱响应。此外,给受体材料的带尾态和无序态的分析表明,材料的能级无序度也会对器件的能量损失造成影响。有机太阳电池中高效的电荷产生,不仅要求给受体材料有互补的光吸收,还需要给体的高效光诱导电子转移（PET）和受体的高效光诱导空穴转移（PHT）,高效PET和PHT过程需要合理充足的能级差作为电荷转移的驱动力。在能量损失方面,器件的非辐射复合能量损失,是影响开路电压的关键因素。在第四章,我们研究了宽带隙给体PMOT40分别与窄带隙受体IDIC和i-IEICO-4F匹配组成的高效体系。体系不仅展现了平衡、高效的双通道电荷产生和高开路电压（最小化非辐射复合能量损失）,并且由于优秀的载流子传输特性,表现出高填充因子。在PMOT40:i-IEICO-4F单结器件实现了13%的能量转换效率（认证效率12.5%）。