有机太阳能电池被称为第三代光伏技术，具有成本低、质量轻、柔性以及可大面积印刷制备等优点，吸引了学术界与产业界众多关注。作为一门应用型技术，有机太阳能电池在产业化过程中，仍然面临着能量转换效率低，成本高以及加工性差等问题。作为光电转换过程的主要发生场所，针对光活性层的材料开发以及器件工程的优化是本领域中重要的研究内容。本论文以有机太阳能电池的降本增效为目标，以光伏活性层为对象，紧密围绕“调控手段——物理过程——表观性能”这一主线，为提高有机太阳能电池性能，促进有机太阳能电池的实用化而展开研究工作。本论文主要分为以下四个部分:　　1.为了降低器件生产过程的污染，简化器件制作流程，探索使用环境友好型溶剂制备了高效率有机太阳能电池。针对PBDT-TS1/PC71BM体系，首次使用可作为食品添加剂的绿色溶剂邻甲基苯甲醚(MA)制备有机太阳能电池，在不使用添加剂和后处理的情况下获得了9.67％的能量转换效率。形貌表征显示使用MA作为加工溶剂可实现对活性层形貌的精细调控，获得与两种经典二元溶剂体系（DCB/DIO或xylene/NMP）相一致的效果。　　2.小分子光伏材料与聚合物光伏材料相比具有批次差异小，易提纯，易重复的优点，具有极大的应用潜力。为提高小分子太阳能电池的效率，构建了高效率的三元全小分子太阳能电池(DRTB-T/IDIC/PC71BM)。形貌表征结果显示，PC71BM的引入大大改善了另外两种组分的结晶行为，通过优化形貌以及扩展光谱的协同作用提升了电池的能量转化效率。通过透射电镜、掠入式广角X射线衍射以及软X射线共振衍射等多种形貌表征手段，厘清了全小分子电池的构效关系。　　3.为了探索有机太阳能电池的能量转换效率极限，针对开路电压以及能量损失的研究具有重要意义。针对新型非富勒烯太阳能电池(PDCBT-2F/IT-M)，通过精细调控给体材料与受体材料的分子轨道能级，构建了兼具低能量损失(0.46eV)和高开路电压(1.13V)的器件。深入研究了载流子的产生、输运和复合机理，提出由于驱动力不足导致的孪生复合是导致效率(6.56％)不能进一步提高的关键。　　4.通过简单氯取代反应合成了一对新型非富勒烯受体（IT-2Cl和IT-4Cl）。同氟取代受体材料相比，C-Cl键较大的偶极矩降低了材料的分子轨道能级，扩宽了吸收光谱，增强了分子间堆积作用。基于两种材料的有机太阳能电池都获得了超过13％的能量转化效率。通过将两种受体共混制备的三元太阳能电池效率更突破了14％。