有机半导体作为一种有前途的且用途广泛的光电材料而备受关注。为了提高有机半导体光电器件的能量转换效率,人们建立了很多研究半导体材料电荷输运的理论模型。这些模型大多都能很好地描述室温下的实验数据。但是,目前哪种模型是正确的仍然是一个悬而未决的问题,尤其是对激子的研究与争论持续不休,而有机光电器件的性能在很大程度上受到激子的限制。因此,本文基于漂移扩散方程、连续性方程和泊松方程建立模型研究了有机半导体材料中的激子解离过程。数值计算的结果表明,在室温下考虑与不考虑激子解离的结果非常相似,但只有引入类氢模型的激子解离模型才能对低温实验数据进行定性的描述。所以在对有机太阳能电池进行建模时,在低温条件下应考虑激子效应,而在常温条件下可忽略激子效应。基于该激子解离模型,本文提出了一个研究激子扩散和离解的统一模型。该模型可以把激子扩散和离解模型作为特殊情况包含在内。此外,它可以定量地解释在不同有机材料的厚度条件下电流特性的实验数据,但是两个经典模型在目前不能定量解释。不仅如此,激子在界面的解离率对有机光电器件的性能有明显影响,而激子的解离率主要由激子结合能决定。然而,激子结合能的计算极具争议,并且实验上很难直接测量。通过提出一个合理的有机半导体材料的色散关系,本文建立了一个模型。该模型只需要吸收光谱中的最低能量吸收峰就能可靠地计算激子结合能。本文采用19种材料的吸收光谱对该模型进行了验证。所有最低能量吸收峰的数值结果均与实验数据较好拟合,所得到的激子结合能均在已经报道的结果范围内,特别是低温下的钙钛矿的结合能为5 meV,与文献在50特斯拉以及2 K条件下测得的实验结果相同。此外,本文还表明吸收肩越明显,激子结合能就越小。该模型还可以估计激子的有效质量、介电常数以及激子半径。本文利用费米-狄拉克分布,证明了当输运层的能量无序度足够大时,光理想因子和爱因斯坦系数都可以超过2,甚至高达6。本文通过对15种材料的数值结果与实验数据比较证明了当入射光强接近10 W/m~2时,光理想因子与爱因斯坦系数几乎相同。此外,爱因斯坦系数和理想因子与能量无序度均呈正相关关系,但太阳能电池的能量转换效率会随着能量无序度的增加而降低。这些结果为提高有机太阳能电池的能量转换效率提供了参考依据。同时,本文还利用漂移扩散方程和恒定场强近似建立解析模型,研究了有机太阳能电池在开路电压条件下的光电性质,预测了随着光照强度的增加,光理想因子满足4:2:1:0的关系。并通过从实验数据中提取的中间状态和最终状态的突变点,成功利用解析计算拟合了理想因子高于2的实验数据。这项工作挑战了普遍接受的光理想因子的解释:直接复合使光理想因子趋近于1,而间接复合导致理想因子趋近于2。但是,普遍接受的理论与实验数据的契合度远远不如本文所提的解析模型。本文的研究表明,在低光照条件下逐渐增加光照,使光理想因子趋于稳定时,活化层内以直接复合机制为主。此时,我们通过解析解以及数值解均得到爱因斯坦系数与光理想因子相等这一结论。考虑到爱因斯坦系数是表征半导体材料载流子的简并化程度的理论指标,我们预测并利用数值计算与解析解验证了,可以使用100 W/m~2光照附近的稳定光理想因子来判断玻尔兹曼统计在未知材料中的适用性:当理想因子接近1时,可以使用;理想因子越大,采用费米统计和玻尔兹曼统计所得的结果的差距就越明显。因此,本文提供了一个很容易从实验获得的参量,以判断玻尔兹曼统计在半导体材料(既适用于有机,也适用于无机)理论建模中是否适用。该工作为用统计方法研究半导体的光电性质提供了一个先决条件,使我们能够更准确地了解半导体的光物理特性。