有机太阳电池因其低成本、柔性、重量轻及可溶液加工等优势备受学术界和产业界的关注。近年来有机太阳电池发展迅猛,基于非富勒稀小分子受体材料的应用,单节和叠层电池的能量转化效率不断提升且突破了17%。非富勒稀受体材料相比富勒烯受体材料具备突出的优点,可根据需求进行分子结构的设计来调节吸收光谱和能级,增加与给体材料的匹配性。同时,对于给定的非富勒稀受体材料,器件加工工艺的不断优化对效率的提升也至关重要。本论文选用小分子非富勒烯受体材料和聚合物受体材料制备有机太阳电池器件,通过器件加工工艺优化活性层形貌提高器件的能量转化效率,并对相关光电转换过程进行了器件物理研究,本论文分为三部分展开工作。第一部分,研究了基于噻吩并吡咯的七元S,N稠环的小分子非富勒稀受体材料BDTIC在有机光电器件中的性能,依据能级匹配和吸收光谱互补选择PBDB-T作为给体材料。对活性层为PBDB-T:BDTIC的器件进行给受体比例、热退火温度和时间、添加剂和活性层厚度的优化之后,当器件在给受体比例1:1,热退火温度为120℃,退火时间为10 min,以0.5%的氯萘作为添加剂,在活性层厚度为100 nm时取得了12.07%的能量转化效率,远高于相同条件下未进行优化的器件效率(9.92%)。通过对器件进行电荷的抽取、传输和复合测试,进行优化后的器件具有更长的激子寿命和更短的电荷抽取时间,更高的载流子迁移率,及更低的电荷复合损失。对两器件进行掠入射广角X射线散射测试,优化后的最优器件活性层分子链段之间的堆积更加紧密,有利于分子之间的电荷传输。形貌测试结果表明优化后的器件具有更小的相分离尺寸及合理的相分离,有利于激子的分离和电荷的传输,因而优化后的器件具有更高的短路电流密度,填充因子和能量转化效率。第二部分,研究了两个基于萘二酰亚胺类的聚合物受体材料:单侧侧链含硅氧烷端基Si-Th和双侧侧链含硅氧烷端基DSi-Th的光电性能。通过对两受体材料相应的器件进行给体材料、给受体比例、溶剂和溶剂添加剂及阴极界面的优化后,基于PTB7-Th为给体,Si-Th和DSi-Th为受体的器件分别取得了5.75%和4.72%的能量转化效率,均高于侧链不含硅氧烷端基PNDI-2HD制备的全聚合物器件效率(4.30%)。两器件均采用溶剂加工的PFN-Br作为阴极界面,基于Si-Th的器件活性层与PFN-Br界面层间有更好的浸润性,使得其开路电压高出基于DSi-Th的器件0.03V。通过对器件进行电荷的传输和复合的测试,发现Si-Th对应的器件较DSi-Th对应的器件有更高的载流子迁移率和更低的能量损失。结果表明,相比于侧链不含硅氧烷端基的聚合物受体材料,受体材料单侧引入硅氧烷对器件效率提升更加明显。第三部分,选用具有光异构化性能的小分子受体材料PDI-I-Ph制备有机太阳电池,探究受体材料光异构化对有机太阳电池器件性能的影响。首先对未光异构化的PDI-I-Ph进行器件的制备,通过给受体比例、添加剂和热退火等加工条件的优化,基于PTB7-Th:PDI-I-Ph的器件取得了4.34%的能量转化效率。最优条件下制备紫外光光照时间为0～25 min的6组器件,结果表明随着光照时间增加器件短路电流密度,填充因子和能量转化效率均逐渐下降。原因归结于光异构化后PDI-I-Ph在短波方向减弱的吸收高于在长波方向增强的吸收,且UV光照产生的热积累使得器件效率下降,因而,光异构化后器件效率下降。同时,制备了光异构化的半透明器件,随着UV光照时间的增加,器件的平均可见光透过率从24.8%增加到28.4%且伴随着颜色的变化。