作为一种新兴光伏技术,钙钛矿太阳能电池（PSCs）能量转换效率（PCE）已从2012年的9.7%提高到了 2021年的25.5%,引起了学术界和产业界的极大关注。常规PSCs使用贵金属（Au/Ag）背电极收集光生空穴,但贵金属价格昂贵且容易被卤素离子腐蚀,进而影响器件稳定性。碳基PSCs（简称C-PSCs）以导电碳材料作为背电极,具有优异的稳定性。但是,在常规C-PSCs中,由于碳层及其相关界面在载流子提取及传输方面表现不佳,造成的动力学能量损失较为严重,致使C-PSCs效率普遍偏低（2018年以前,通常在17%以下）。开发新型器件结构、减少电荷复合、提升电荷收集能力是解决C-PSCs性能低下的根本途径。为此,本论文从一种新型模块化C-PSCs着手,通过器件结构的创新设计和新材料的开发大幅减少了光生空穴收集过程中的动力学能量损失,显著提升了器件性能,并在此基础上发展出了双面透光C-PSCs和叠层太阳能电池。主要研究结果如下:首先,设计了一种新型模块化C-PSCs,器件结构特征为:（ⅰ）光阳极和背电极独立制备,以碳层为连接层,通过机械叠压的方法组装成完整器件;（ⅱ）光生空穴的横向传输主要借助于背电极中的高导电基底（如透明导电玻璃或金属箔片）,摆脱了对碳层厚度的依赖,由此可以大幅降低电荷转移动力学能量损失。论文系统考察了三种典型碳材料（炭黑,石墨片,石墨烯）作为背电极时界面接触电阻在机械压力作用下的演化规律,分析了碳层塑性及弹性特征对界面电学接触的作用意义,深入研究了光生空穴在碳层相关界面（碳/spiro-OMeTAD或碳/钙钛矿界面）的动力学特性。结果表明,石墨烯作为背电极材料具有较小的界面接触电阻和良好的空穴提取能力。石墨烯基C-PSCs的PCE达到了18.65%,显著高于常规C-PSCs。未封装的器件在大气环境下（40%～80%相对空气湿度）,85℃老化1000h后,仍能保留初始效率的90%,展现了良好的稳定性。此外,这种新型C-PSCs经过500多个周期的反复拆分和组装,其PCE几乎无衰减,表现出了良好的结构可靠性,具有可反复拆装,易维护的优势。其次,研究利用原子级分散的Ti调控还原氧化石墨烯（rGO）电学特性,并将其用作C-PSCs背电极,提升光生空穴的界面转移和传输性能。借助于X射线吸收光谱、球差矫正透射电镜、DFT（Density Functional Theory）理论计算、化学结构模拟等手段,解析出了一种Ti-O4-OH的精细配位结构,并研究了其对rGO电子结构和电学性能的影响。研究结果表明,Ti-O4-OH能够很好地调控rGO的电子结构,使材料功函数增加,从而降低了碳电极与空穴传输层之间的接触电阻。基于该材料制备的模块化C-PSCs获得了高达21.6%的PCE,性能明显高于已报道的C-PSCs。此外,未封装器件在标准模拟太阳光照下（1-sun）,在最大功率输出点处运行1000 h后,效率仍保持其初始值的90%,显示出了优异的稳定性。最后,使用碳纳米管（CNT）制备透明电极和双面透光C-PSCs,有效解决了传统C-PSCs不能有效利用背光的问题,增加了器件单位面积总的输出功率,并以此为基础制备出了叠层太阳能电池。系统考察了三种不同直径或结构的CNT作为连接层时,其尺寸及结构特性对双面C-PSCs光电性能的影响。结果表明,单壁CNT作为背电极具有较小的界面接触电阻和良好的透光性,器件正面受光时PCE高达21.4%,背面受光时的PCE为16.8%。在自然反射环境中（IEC TS 60904-1-2）标准测试),双面C-PSC获得了 24.0 mW cm-2的双面受光稳态输出功率（背面入射光强为AM 1.5G光强的20%）,在人工反射环境中,获得了高达34.1mWcm-2的双面受光稳态输出功率（背面入射光强为AM 1.5G光强的100%）。更重要的是,通过将双面C-PSCs与带隙为1.0 eV的CuInSe2（CIS）太阳能电池进行集成,所制备的钙钛矿/CIS四端叠层太阳能电池获得高达27.1%的 PCE。