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有机太阳能电池（OPV）由于具备成本低廉、柔性、无毒、质轻、易加工制造等优点成为电池研究领域的热点。但当前较低的能量转换效率制约了其生产应用。原因在于给/受体（D/A）界面电荷转移（CT）过程的复杂性难以预测,阻碍了电池效率的改进。理论模拟可以在分子水平上描述界面电荷的转移过程,通过合理构建结构性能关系表征分子的电子和光学性质、评估电池材料性能以及设计潜在给体分子,为实验提供理论指导。本论文选取当前实验合成的高效的噻吩衍生物类给体分子,调节不同结构单元设计新型分子,通过理论表征筛选潜在高效的OPV给体材料。并对D/A界面CT机制进行详细描述,期望完善给体分子的设计策略,指导实验。本论文的主要工作包括:1.由聚合物分子PDTSBTI（1）和受体PC71BM构成的OPV器件效率为6.41%,基于其受体单元二噻吩酰亚胺（BTI）,我们设计了含有不同给体单元的OPV聚合物给体材料,运用密度泛函理论（DFT）和含时密度泛函理论（TD-DFT）表征了它们的几何、电子结构、吸收光谱和D/A界面电荷转移等性质,并与实验合成的1分子进行对比。通过Scharber图谱预测设计的分子4比实验分子1具有高出70%的能量转换效率。对1/PC71BM和4/PC71BM界面的CT动力学进的进一步研究表明,得到的4/PC71BM界面的激子解离与电荷重组速率的比值比1/PC71BM模型高出5个数量级。计算证明设计的分子4有望成为高效的OPV的聚合物给体材料。2.基于实验报道的D1-A-D2-A-D1-型小分子给体DTS（PTTh2）2（1）,我们设计了一系列以吡啶并噻二唑（PT）为受体单元、双噻吩为端基给体单元、含有不同中心给体单元的OPV的小分子给体材料,运用DFT和TD-DFT表征了它们的几何和电子结构、开路电压以及影响短路电流密度的主要参数,包括:吸收光谱、电子-空穴相干性、能量驱动力、CT动力学和载流子传输效率。计算结果表明,设计的25分子具有较高的开路电压值、稳定的电荷转移和有效的电荷传输。此外,2/PCBM、3/PCBM和5/PCBM异质结的电荷转移与重组速率的比值高于1/PCBM异质结的104倍。因此,我们推断设计的小分子给体材料均可以提升OPV的性能。3.采用分子动力学和量子化学相结合的方法理论上研究了四硫富瓦烯/四氰代二甲基苯醌（TTF/TCNQ）异质结的电荷生成机制,对TTF/TCNQ是否能应用于OPV器件的话题进行详细讨论。基于从分子动力学模拟中提取所有TTF/TCNQ复合物,通过量子化学计算比较并分析了由基态到不同激发态的CT的数值以及相应的CT态的能量。此外,对于这些界面构型的电子转移、重组速率也进行了研究。我们解释了为什么TTF/TCNQ异质结不合适应用于太阳能电池。此外,该工作对界面CT动力学的理论描述,可以作为界面动力学机制的研究指导,帮助实验工作者理解OPV器件的异质结界面的本质机制,为进一步优化和设计高效的OPV材料提供理论基础。