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有机太阳能电池具有制备工艺简单、成本低、重量轻以及可制备成柔性器件等优点而受到了广泛关注，体异质结有机太阳能电池是迄今效率最高的结构，富勒烯衍生物是其中使用最多的受体材料，围绕设计和合成具有更高能量转化效率的富勒烯衍生物材料，以及材料和器件性能关系，本论文做了以下工作：
1.形貌对有机太阳能电池的性能影响很大，我们试图通过氢键超分子作用来调控用于受体材料的富勒烯衍生物在活性层中的有序堆积，设计和合成了三个新型的含有酰胺键的[60]富勒烯衍生物，并在相接的芳环上修饰可溶性基团显著地提高了它们的溶解度，从而改善了电池的形貌。我们发现P3HT：PCB-n-BA的器件在不退火时效率为0.78％，高于同样情况下PCBM的效率(0.59％)。实验结果表明氢键作用能有效诱导分子间超分子作用力，从而堆积成有序结构继而提高电池效率。这个研究为从材料角度来实现对器件形貌的控制提高了新思路。
2.理解富勒烯衍生物的结构和功能的关系有利于设计和合成高性能太阳能电池的材料。通常情况，富勒烯衍生物加成数越多，π电子数越少，LUMO能级越高，Voc可能也越高。因此我们设计和合成了[6，6]-苯基-C61或C71丁酸正丁酰胺系列富勒烯衍生物，包括C60、C70和它们各自的单加成和双加成衍生物计四个，是基于PCBM骨架的N、N-二取代酰胺衍生物，因其有两个烷基链，它们的溶解度都高于PCBM；而酰胺基团则使它们在硅胶上的极性都大于PCBM，更易分离；这些衍生物的前体很活泼导致他们与富勒烯反应得到多加成产物的产率很高。我们发现其中单加成衍生物A1和B1的效率最高，分别是1.77％和1.90％，接近PC61BM的2.43％；而双加成产物有较低的效率，甚至完全不工作，可能原因是相对单加成衍生物其较低的迁移率、大尺度的相分离和不均一且粗糙的表面。
3.通常情况，由于富勒烯球上的结合位点很多，富勒烯衍生物的异构体数目会随着加成数的增加而增加，不过变化率不同。我们发现t-BCB系列的三加成产物t-BCB-T的异构体数目小于双加成产物t-BCB-B，导致t-BCB-T的迁移率、短路电流和器件性能都高于t-BCB-T；单、双和三加成产物的最高效率分别为2.43％，0.48％和1.68％，这是富勒烯三加成衍生物的光伏器件指标和迁移率全部优于二加成产物的首次报道，可能原因是位阻导致三加成衍生物异构体数目反而少于双加成衍生物。
4.t-BCB系列富勒烯衍生物是叔丁基酯，而烷基链会阻碍电荷的传递。为了既能保证富勒烯衍生物的溶解度，又能提高其迁移率，我们设计合成了将叔丁酯换成最小的甲酯的富勒烯衍生物甲基4-C61-苯甲酸酯的单加成衍生物MCB-M和双加成衍生物MCB-B，其前体来自廉价的工业品对酰基苯甲酸甲酯，比t-BCB的前体更便宜，少了两步合成路线。单加成MCB-M和双加成MCB-B的最高效率分别为3.48％和0.16％，前者比PCBM(3.4％)略好，但是它的成本远低于PCBM。