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聚合物太阳能电池因质量轻、成本低、柔性好和易于大面积制备等优点而得到广泛关注。目前提高电池能量转换效率的方法包括:开发高性能电子给/受体材料;优化活性层形貌;开发高性能界面材料;开发新型高效器件结构。富勒烯衍生物因具有独特的球形分子结构、高电子迁移率和高电子亲和势等优点，被广泛应用于聚合物太阳能电池电子受体材料和阴极缓冲层材料。本论文以新型富勒烯光伏材料为对象进行了两部分研究工作，第一部分是以器件优化为主，结合活性层形貌、电荷传输与复合机理等研究新型富勒烯受体分子结构与器件性能的关系;第二部分是设计了一种新型“热切断”富勒烯阴极缓冲层材料用于提高反式电池效率。具体研究内容和结果如下: (1)研究了一类含噻吩基团的富勒烯受体材料的光伏性能，探讨了加成数目和烷基侧链对材料性能的协同作用。结果表明双加成衍生物比单加成衍生物的LUMO能级高约0.1 eV，烷基链对LUMO影响不大，基于双加成衍生物的电池开路电压（Voc）均较高;烷基链对单加成和双加成受体光伏性能的影响截然相反:对单加成衍生物，烷基链的存在可大幅提高材料溶解度，提高电池效率，但对双加成衍生物，烷基链干扰富勒烯堆积，破坏材料电子传输能力，降低电池效率。最高效率(5.1％)由无烷基链的双加成衍生物bis-TOQC实现，Voc为0.86 V，短路电流密度Jsc为7.7 mA/cm2，填充因子FF为66％(AM1.5G，86 mW/cm2)。 (2)研究了新型56π电子亚甲基富勒烯OQMF和TOQMF的光伏性能。以P3HT为给体，以OQMF(或TOQMF)为受体制备太阳能电池，研究给/受体比例、活性层厚度、热退火温度及器件结构等对器件性能的影响。通过优化，OQMF和TOQMF电池效率分别达到5.74％和5.51％(AM1.5G，100 mW/cm2)。其中OQMF电池相比参比PC61BM电池，实现了Voc、Jsc和FF三个参数的同时提高。 (3)研究了结构相似的两个54π富勒烯tris-TOQC和bis-TOQMF光伏性能，探讨了亚甲基加成基团对54π富勒烯受体性能的影响。实验发现，从tris-TOQC到bis-TOQMF，尽管只有一个噻吩邻醌二甲烷加成基团替换为亚甲基，材料的电子迁移率提高了10倍，能量转换效率(PCE)提高了近4倍。亚甲基富勒烯bis-TOQMF刷新了54π富勒烯电池记录，最高效率达4.56％，Voc达0.94 V，Jsc达8.09 mA/cm2，FF达58％(AM1.5G,97 mW/cm2)。 (4)系统研究了亚甲基(-CH2-)加成基团数目对54π富勒烯光伏性能的影响。以三个结构相关联的54π富勒烯tris-TOQC(无-CH2-)、bis-OQMF(一个-CH2-)和OQBMF(两个-CH2-)为研究对象，比较了三者在电化学、吸收和发射光谱、活性层形貌、电荷迁移率、双分子复合及器件性能等方面的不同。结果表明:随富勒烯中大位阻加成基团逐渐被亚甲基取代，活性层吸光能力得到改善，给体P3HT结晶度提高，给/受体纳米尺度相分离更好，电子和空穴迁移率均提高，双分子复合减少，电池在Jsc、FF和PCE上均有显著提高。 (5)研究了一类新型的“热切断”富勒烯界面材料(DBMD、BMHMD和bis-DBMD)，用于提高反式聚合物太阳能电池效率。这类材料合成简单，具有好的溶解性，尤其是BMHMD和bis-DBMD还具有好的成膜性，二者在ZnO表面成膜后，160℃-180℃下加热可切断侧链原位生成光滑、抗溶剂的富勒烯羧酸层(MCA1和MCA2)。MCA缓冲层可以改善激子分离效率、提高与活性层的浸润性、降低接触电阻从而提高反式电池Jsc、FF和PCE。MCA1和MCA2作为阴极缓冲层分别应用于P3HT/PC61BM和PBDTTT-C/PC71BM反式电池时，使前者效率从3.44％（参比）提高至3.79％(MCA1缓冲层)和4.10％(MCA2缓冲层)，使后者效率从6.95％（参比）提高至7.13％(MCA1缓冲层)和7.57％(MCA2缓冲层)(AM1.5G，100 m W/cm2)。