随着环境问题与能源问题的日渐严峻,作为清洁能源的太阳能的利用越来越受重视。有机太阳能电池在第三代太阳能电池器件中将承担极其重要的角色。相比于无机材料,有机材料存在明显优势,但是与无机太阳能电池相比,有机太阳能电池的转化效率还较低。如何从本质上解决有机半导体光电转换效率低的问题,是太阳能电池研究的关键。提高有机太阳能电池效率主要可从两个思路出发:(1)对功能材料进行物理掺杂或者化学修饰,改善给体材料、受体材料对太阳光的波长吸收范围,增加载流子的迁移率;(2)优化电池活性介质层的厚度,优化给体-受体界面处的电子过程,促进激子解离的同时需要抑制电子-空穴复合等其他竞争行为。选择单线态激子裂分材料是思路1的具体体现,材料吸收一个光子最终产生两个能量较低的激子,生成两个电子空穴对,这在理论上可以使太阳光转化效率加倍。然而实际器件中很难达到理论预期的效率翻倍,因为影响有机太阳能电池性能的有短路电流JSC,。,开路电压VOC,填充因子FF,光电转化效率PCE和外量子效率EQE等多个参数。给受体界面处的电荷分离过程是光电转换的最为重要的环节,是决定光伏器件效率的关键,也是思路2的具体体现。本文从这两个思路出发,结合(含时)密度泛函理论((TD)-DFT)与含时波包扩散方法(TDWPD),从理论的角度对新近合成的单线态激子裂分材料噻吩醌衍生物的几何和电子结构、载流子输运性质等进行了模拟计算,从分子间相互作用去认识材料的光电特征与分子聚集结构的关系,解释实验现象,寻找规律启迪设计新的功能材料;我们将一系列噻吩醌衍生物与传统富勒烯受体和热门的非富勒烯受体组成异质界面,对界面处的电子过程进行分析,解释了使用激子裂分材料的器件转化效率没有达到预期的原因,并对效率改进提出可行性建议。本篇论文的结构如下:第一章介绍了研究的背景和有机太阳能电池的基本原理以及单线态激子裂分现象的原理、发生条件,介绍了它们的发展历史和研究现状,提出了存在的问题和可能的解决思路。第二章介绍了密度泛函理论的基础知识以及Frenkel激子模型和包含声子、电声作用的混和激子模型,给出了激子模型哈密顿量中关键参数的计算方法。第三章介绍了含时波包扩散方法与计算激子解离和电子空穴复合速率的经典Marcus模型与全量子力学模型。第四章介绍了结合电子结构理论与含时波包扩散方法对噻吩醌衍生物材料的载流子性质和激子裂分动力学行为的研究,解释了材料功能与结构间的联系。第五章介绍了给受体界面处的激子解离和电子-空穴复合过程,采用经典Marcus模型和全量子力学模型从理论层面给出激子裂分现象在器件中不能达到理论预期效率的原因。第六章简要总结了本论文内容,并给出存在的问题和未来研究的方向。