以铅卤素八面体为骨架形成的钙钛矿太阳能电池,由于其低廉的原料成本、灵活的制备方法和优异的光电性能等特点,被公认为是最有希望可以替代晶硅太阳能电池的新一代高效薄膜太阳能电池。到目前为止,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破了23%,产业化前景十分光明。但是,与目前主流的晶硅太阳能电池相比,钙钛矿太阳能电池还面临着诸如在空气中极易衰减、热稳定性不佳和迟滞现象严重等许多问题。而这些问题主要是由于钙钛矿太阳能电池效率发展过快而对许多关键的问题诸如界面电子传输和钙钛矿材料本身的物理性质研究不够彻底而产生的。本文的工作主要是围绕新型、高效的电子传输材料和对钙钛矿吸收层本身的调控展开,在提高钙钛矿太阳能电池效率的同时,改善了电池的稳定性和迟滞现象,并从器件角度对相关的机理进行了深入的分析和研究,本文的主要工作和取得的创新性成果如下:1.针对TiO₂电子传输层电子迁移率较低且具有表面氧空位缺陷的缺点,创新性地采用磁控溅射方法制备了不同的IIB族金属硫(硒)化合物电子传输层,并研究了不同金属硫(硒)化合物电子传输层对钙钛矿太阳能电池性能的影响和相关机理。通过能带结构分析,进一步研究了金属硫化物/金属氧化物复合电子传输层和其在钙钛矿太阳能电池中的应用。通过对IIB族金属硫(硒)化合物薄膜物理性质和界面电子输运情况的分析,发现相比于CdSe和ZnSe,低温磁控溅射制备的CdS具有和MAPbI₃匹配的导带位置和良好的光学透过率,是IIB族金属硫(硒)化合物中最为适合作为MAPbI₃太阳能电池电子传输层的材料。进一步对CdS电子传输层厚度进行研究后发现过薄的CdS电子传输层会导致器件发生严重的漏电现象,而过厚的CdS电子传输层会导致器件短路电流下降。采用优化厚度后得到的CdS薄膜作为电子传输层,MAPbI₃作为吸收层的太阳能电池可以获得超过13%的光电转换效率且迟滞效应相对于采用TiO₂电子传输层的器件发生了明显的减小。此外,通过分析基于CdS和TiO₂电子传输层MAPbI₃太阳能电池的优缺点,发现CdS/TiO₂复合电子传输层可以同时获得CdS优异的电子输运能力和TiO₂的高光学透过率。相比于单独采用TiO₂和CdS电子传输层的MAPbI₃太阳能电池,基于CdS/TiO₂复合电子传输层的MAPbI₃太阳能电池可以实现光电转换效率的进一步提升,并且电池的空气稳定性也可以获得大幅的提高。2.创新性地采用氧辅助磁控溅射法在室温下制备了氧化铌电子传输层,研究了氧辅助和氯掺杂对基于磁控溅射氧化铌电子传输层钙钛矿太阳能电池性能的影响和相关机理。通过紫外可见光吸收谱、X射线衍射谱等表征手段发现氯掺杂可以大幅提高MAPbI₃薄膜的结晶性和光吸收能力,但对MAPbI₃的光学带隙影响不大。相比于MAPbI₃,基于MAPbI_xCl_3-x吸收层的太阳能电池可以实现光伏性能的明显提升。而通过氧辅助磁控溅射的方法,可以在不采用高温退火的情况下有效地减少氧化铌薄膜中的氧空位数量,使氧化铌薄膜的光学和电学性能得到了明显的改善。采用氧辅助磁控溅射得到的氧化铌作为电子传输层的MAPbI_xCl_3-x太阳能电池获得了16%以上的光电转换效率。3.创新性地提出了可以采用PCBM/离子液体复合界面层对磁控溅射氧化铌/钙钛矿界面进行修饰的方法,并研究了界面层修饰对钙钛矿太阳能电池性能的影响。研究发现,采用PCBM/离子液体复合界面层修饰后的氧化铌电子传输层与钙钛矿薄膜的导带能级更加匹配,因此对光生电子的收集和输运可以更加高效。基于PCBM界面层修饰后的钙钛矿太阳能电池的开路电压可以从0.99V提升到1.09V。但采用PCBM界面层修饰后,氧化铌薄膜的表面浸润性变得较差,使得钙钛矿薄膜生长受到了很大影响。通过进一步研究发现,采用PCBM/离子液体复合界面层可以在保证高质量钙钛矿薄膜生长的同时减小氧化铌电子传输层和钙钛矿薄膜之间的能级偏差。采用PCBM/离子液体复合界面层修饰后的MAPbI_x Cl_3-x太阳能电池获得了超过18%的光电转换效率且电池的迟滞现象几乎消失。4.创新性地采用低温溶液法制备了氧化铌电子传输层,进一步降低了电池制备成本,研究了不同沉积工艺得到的氧化铌电子传输层对MAPbI_xCl_3-x太阳能电池性能的影响。研究发现,基于低温溶液法制备的氧化铌电子传输层具有很高的光学带隙和紫外可见光学透过率,可以保证钙钛矿吸收层对可见光的高利用率。通过原子力显微镜、开尔文探针显微镜和电化学阻抗谱等表征手段可以证明基于低温溶液法制备的氧化铌电子传输层可以有效地减小FTO衬底的表面粗糙度和功函数,增强界面电子传输效率。通过对前驱体溶液浓度的优化,以低温溶液法得到的氧化铌做为电子传输层的MAPbI_xCl_3-x太阳能电池获得了超过14%的光电转换效率。同时,发现改变紫外臭氧处理过程时间可以有效地减少电子传输层中的有机物残留、增强表面浸润性,改善钙钛矿薄膜生长质量。但过长的紫外臭氧处理时间反而会提高功函数,不利于钙钛矿太阳能电池的开路电压的提高。通过优化紫外臭氧处理工艺后,以低温溶液沉积氧化铌作为电子传输层的MAPbI_xCl_3-x太阳能电池的光电转换效率可以实现进一步的提升。5.为了解决钙钛矿薄膜和电池的热稳定性问题,研究了两种新型全无机钙钛矿材料CsPbI₂Br和CsPbBr₃,分别以其为光吸收层制备了无空穴传输层碳基钙钛矿太阳能电池。进一步研究了碱金属钝化和吸收层中的杂相对全无机钙钛矿太阳能电池性能的影响,为高效全无机钙钛矿太阳能电池领域的发展提供了研究思路。研究发现,通过一步法沉积的CsPbI₂Br薄膜可以在室温下保持立方相钙钛矿结构且具有非常好的热稳定性。通过紫外可见吸收谱和X射线衍射谱等表征手段证明了CsPbI₂Br具有1.9eV的光学带隙和优异的结晶性能,满足作为钙钛矿太阳能电池吸收层材料的条件。基于碳电极和氧化铌电子传输层的CsPbI₂Br太阳能电池可以获得超过10%的光电转换效率,但开路电压损失相较于MAPbI_xCl_3-x太阳能电池较大且在空气中的稳定性很差。因此进一步通过碱金属铷掺杂对CsPbI₂Br太阳能电池的光伏性能和稳定性进行了改善。为了彻底解决CsPbI₂Br太阳能电池空气稳定性的问题,又进一步开发了在空气中更为稳定的全无机CsPbBr₃太阳能电池。研究发现,可以通过对CsBr和PbBr₂反应次数的精细调控,避免CsPb₂Br₅和Cs₄PbBr₆杂相的出现,得到高质量的CsPbBr₃薄膜。基于碳电极和氧化铌电子传输层的CsPbBr₃太阳能电池获得了超过4%的光电转换效率,且电池在未封装的条件下保持了非常好的空气稳定性。