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有机光伏电池因为具有柔性、可大面积制备、低成本等优势受到广泛的关注。但是要实现这项技术真正的应用，还需要进一步提高有机光伏器件的能量转换效率。本论文以提高光伏器件能量转换效率为目标，设计合成了一系列可溶液处理的小分子光伏给体材料，研究了材料的热稳定性、光学以及电化学性质，制作了单层光伏器件并进行了器件优化工作。论文各部分的研究内容如下： 1、设计合成了含有二维共轭的苯并双噻吩（BDT）结构单元的可溶液处理有机小分子光伏给体材料：DR3TBDTT，DT3TBDTT-HD和DR3TBDT2T。相比于同类的一维BDT小分子给体材料DR3TBDT，新合成的三个材料具有更高的热分解温度，更加红移的吸收。在使用形貌添加剂PDMS的情况下，基于DR3TBDTT与DR3TBDT2T的光伏器件能量转换效率分别高达8.12％与8.02%，为当时文献报道的有机小分子光伏领域里最好的结果。 2、设计合成了一个基于硒吩核的可溶液处理小分子给体化合物DRCN7T-Se。该分子具有与基于噻吩核的分子DRCN7T类似的光谱吸收和能级结构。在使用热退火进行形貌调控的情况下，基于DRCN7T-Se的光伏器件获得了最高为8.30%的能量转换效率。活性层形貌分析表明，基于DRCB7T-Se的活性层共混薄膜中较大的纤维状相宽度，相对较差的给受体互穿网络对光伏器件的短路电流产生了不利影响，从而使得能量转换效率稍低于其同类材料DRCB7T的器件。 3、设计合成了一个新的可溶液处理小分子给体化合物DRDTSBDTT。借助于模型分析器件的暗场电流-电压（J–V）特性曲线，研究了退火温度对器件性能和活性层形貌的影响。J–V曲线分析表明，提高退火温度极大地增大了光伏器件二极管反向饱和电流密度及其指前因子，从而减小了开路电压。与此同时，随着退火温度的升高，一方面共混薄膜中的结晶尺寸与相宽度都会明显地增加，进而导致了单分子复合的增加；另一方面更大的晶体尺寸与更好的互穿网络又导致了双分子复合的减少。这两部分的共同作用使短路电流密度与填充因子呈现出先增加后减小的趋势。 4、为了探求基于DR3TBDTT-HD和DR3TBDT2T的光伏器件性能差异的原因，我们建立了新的双二极管等效电路模型并用来仿真分析器件光场下的电流-电压特性。结果表明基于DR3TBDTT-HD的光伏器件的电荷传输能力不足，从而导器件内部寄生回路漏电较大，进而使其器件能量转换效率变低。拉曼光谱技术以及二维掠入X射线衍射技术也证明按照现有工艺制备的DR3TBDTT-HD共混薄膜的结晶性较差，印证了器件电学仿真结果。随后，通过低温旋涂活性层的方法成功提高了DR3TBDTT-HD活性层薄膜的结晶性，减少了相应器件中寄生回路的漏电电流。最终，基于DR3TBDTT-HD的太阳能电池平均能量转换效率从5.66%提高到了7.95%，最佳的器件效率高达8.29%。