有机无机杂化钙钛矿材料具有载流子扩散长度长、电子/空穴迁移率高、光吸收系数大和制备工艺简单等特点,钙钛矿太阳电池的光电转换效率记录被不断刷新。在追求高光电转换效率的同时,钙钛矿太阳电池的稳定性成为当前面临的突出问题。本论文围绕钙钛矿电池器件的性能提升及其稳定性,开展了钙钛矿电池结构设计、钙钛矿材料的修饰及改性研究,并探索了电池器件性能衰减的机制,主要研究工作如下:(1)新型二氧化钛(TiO2)嵌入式钙钛矿太阳电池结构设计研究。结合钙钛矿太阳电池的介孔结构和平板结构的各自优势,设计出了一种新型的TiO2嵌入式钙钛矿太阳电池结构。采用TiO2纳米颗粒嵌入到钙钛矿薄膜中,一方面,提高了薄膜中载流子抽取能力;另一方面,可促进钙钛矿晶粒长大,形成致密的钙钛矿光吸收层。这种结构的器件中光生载流子可以被高效地分离和抽取,减少载流子的复合损失。该新型嵌入式结构对比无TiO2纳米颗粒嵌入的钙钛矿太阳电池,光电转换效率从16.6%提高到了 19.2%。同时,这种TiO2嵌入式钙钛矿薄膜和器件展现出优良的稳定性,在空气中经过28天老化,电池器件的效率与初始效率相比平均保持在80%以上。TiO2嵌入式结构钙钛矿太阳电池提高了载流子传输效率,并实现了高效稳定钙钛矿电池器件的全低温制备,为钙钛矿太阳电池新型结构设计提供了借鉴。(2)有机阳离子-π相互作用对提高钙钛矿器件稳定性的影响。为了减少钙钛矿材料中离子迁移现象的发生,在钙钛矿薄膜中引入芳香类红荧烯分子,通过与钙钛矿有机阳离子形成超分子相互作用(有机阳离子-π相互作用),实现了对于钙钛矿中离子迁移的抑制。红荧烯分子与钙钛矿之间的相互作用能约为1.5 eV,远远大于钙钛矿中有机阳离子的迁移能,可以牢牢束缚住钙钛矿中的有机阳离子,阻止其发生大规模迁移。这就可以减少钙钛矿薄膜中由于阳离子损失产生的缺陷,并可以大幅提高电池器件的稳定性。将这种稳定的钙钛矿薄膜组装成钙钛矿电池,得到了 20.8%的认证效率。此外,这种钙钛矿太阳电池经过720小时的老化过程,仍能保持原始效率的98%,证明了对离子迁移的抑制对于提升电池器件稳定性具有重要作用。这种钙钛矿中有机阳离子与超分子π体间的阳离子-π相互作用可以有效提高电池性能和稳定性,也为制备更加稳定的钙钛矿器件提供了新的思路。(3)耐潮湿材料的掺杂对钙钛矿太阳电池湿气稳定性的影响。潮湿环境下的稳定性,是制约钙钛矿太阳电池发展的关键问题之一。为了减少钙钛矿太阳电池在潮湿空气环境中的衰减,在钙钛矿薄膜当中引入β-环糊精来构建具有一定抗湿气能力的钙钛矿光吸收层。这种β-环糊精可以促进钙钛矿的结晶并通过氢键与钙钛矿薄膜中有机基团形成相互作用,大幅增强钙钛矿薄膜的稳定性。在增强薄膜湿气稳定性的同时,对电池光电转换效率也有提升,加入β-环糊精后,所制备电池器件的平均光电转换效率从16.19%提高到了 19.98%。此外,实验结果表明,掺有β-环糊精的未封装的钙钛矿太阳电池具有优良的长期稳定性,在湿度达到80%的空气中,AM 1.5的光照强度条件下,经过300小时的老化过程,依然保持了原始效率的90%。(4)甲胺铅碘基(CH3NH3PbI3)钙钛矿太阳电池衰减机制研究。一方面,开展了钙钛矿太阳电池光致衰减研究。分别研究了介孔结构和平板结构钙钛矿太阳电池光致衰减过程,研究发现电池中有机空穴传输层与金电极间的界面化学性质与电池光致衰减相关。持续的光照使得平板结构钙钛矿太阳电池光电转换效率发生大幅度下降,通过对电池器件进行电学分析和X射线光电子能谱测试发现,器件性能的衰减是由于持续光照破坏了空穴传输层与金电极之间的化学键,导致了载流子不能有效地从空穴传输层转移到金电极,从而引起了器件性能的下降。基于此,当在原位重新构建新的空穴传输层与金电极界面,无论介孔结构或者平板结构钙钛矿太阳电池的光电转换效率都得到了明显恢复。此外,电子传输层与钙钛矿层界面的研究发现,其并不是引起钙钛矿电池器件光致衰减的主要因素。另一方面,开展了空气环境中钙钛矿太阳电池衰减研究。观察到钙钛矿器件在7天的空气环境中性能显著降低,光电转换效率从18.2%下降到11.5%。通过对钙钛矿器件进行原位表征发现器件性能的变化主要是由器件中缺陷态的增加导致的。随着电池器件在空气中放置时间的延长,钙钛矿表面缺陷显著增加,引起了器件光电流及填充因子的大幅降低。本研究增进了对缺陷态导致的钙钛矿电池器件降解机制的物理认识,为未来设计和制备更加稳定高效的钙钛矿太阳电池提供了相关理论和实验支持。