为了缓解全球面临的能源短缺与环境污染问题,科研和工业界都在积极探索新型的可再生能源。为了利用清洁能源——太阳光辐照而发展出的太阳能电池在可持续发展中占据重要地位。在过去20年期间,太阳能电池模组安装率每2-3年便翻一番,其成本在过去40年中下降了300倍。这皆得益于科研人员对电池材料、器件、技术上的不断探索和革新。目前,太阳能电池已经发展到第三代薄膜太阳能电池阶段,薄膜电池单节器件的光电转化效率也逐步攀升至超过25%。作为近年来新兴的一种光伏技术,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池性能提升突飞猛进,不仅能量转化效率已达到商业化标准,还在制备工艺复杂性、制备成本、应用场景适配度方面展现出优势,成为炙手可热的光伏明星。本论文的研究内容立足于开发新型高效的钙钛矿太阳能电池,针对目前钙钛矿光伏器件中存在的共性问题尝试提供可行有效的解决策略。众所周知,效率-成本-稳定性的黄金三角是评价包括钙钛矿太阳能电池在内的各类光伏器件的重要指标。目前,基于甲脒铅碘（FAPb I3）钙钛矿吸光层的电池最高能量转换效率超过25%,完全可媲美传统Si、Ge、Ga As等无机半导体器件的效率。同时钙钛矿光伏器件在制作工艺以及成本上也远低于无机电池。然而,钙钛矿作为一种离子晶体,其材料的本征特性（结晶活化能低等）导致器件水氧、光、热稳定性较差,因此亟需开发更多能够有效增加钙钛矿材料抗水、氧侵蚀以及抗光、热降解的策略。另外,目前高效钙钛矿吸光层通常为铅基组分,而随着人们对于生活类应用产品安全环保需求的逐渐提升,对于钙钛矿组分含有重金属铅的问题也逐渐被重视。因此制备高效、稳定、低毒的钙钛矿电池是现阶段的一个重点课题。值得一提的是,目前在发展低毒钙钛矿方面,使用同主族的锡（完全或者部分）替代铅是一种得到广泛认可的研究思路。其中的锡铅二元钙钛矿,在效率上目前已经能够媲美铅基组分的钙钛矿,甚至具有比铅基钙钛矿器件更大的理论效率（其带隙更接近S-Q理论中理想带隙）。然而,锡取代不可避免地引入Sn2+氧化的新问题,需要开发适配的应对策略。界面工程以及掺杂工程是研究人员开发高效、稳定、低毒钙钛矿太阳能电池的重要手段。针对钙钛矿层中存在的结构缺陷、水氧侵蚀、Sn2+离子氧化等问题,通过开发钝化、水氧隔绝、抗氧化材料对钙钛矿进行表界面‘封装’或掺杂改性来针对性地解决。在本论文中,我们对用于表界面处理或体掺杂材料的分子结构进行合理设计,探究了多功能分子在高效稳定低毒钙钛矿太阳能电池中的应用。论文三部分工作所用钙钛矿吸光层以逐步降低有毒铅组分含量为原则,旨在改进钙钛矿光伏性能的同时,提高器件的稳定性并降低毒性。同时对每部分内容,我们尝试从器件物理的角度揭示钙钛矿改性过程中涉及的材料特性与器件载流子动力学过程之间的映射关系。本论文共分为以下三方面工作,分别对应文中的二、三、四章的相关讨论。在第一部分工作中,我们以甲铵铅碘（MAPb I3）钙钛矿为吸光层,采用界面修饰的方式在钙钛矿表面引入一层4-氯苯甲酸（4-Cl BA）自组装单分子层。研究表明4-Cl BA的羧基能够有效钝化钙钛矿表面未配位的Pb2+,抑制缺陷引发的非辐射复合能量损失。同时4-Cl BA在钙钛矿与空穴传输层之间引入界面偶极,有效增加空穴抽取,抑制界面载流子复合损失。最后,4-Cl BA疏水端基在钙钛矿表面形成保护层,降低钙钛矿的亲水性,提高钙钛矿层抗水氧侵蚀的能力。最优器件的能量转换效率接近21%,器件储藏稳定性T80寿命从100小时提高到700小时。在第二部分工作中,我们以减少钙钛矿中的重金属铅,降低钙钛矿毒性为目标,研究了锡铅比例为3:7的混合二元钙钛矿电池。针对溶液加工过程中钙钛矿表面产生的结构缺陷以及水氧入侵引发Sn2+氧化和钙钛矿分解等问题,采用还原性的大阳离子配体——酪胺离子,在三维锡铅二元钙钛矿表面原位生长二维钙钛矿。酪胺基二维钙钛矿的引入不仅通过配位作用钝化了钙钛矿表面的结构缺陷,还抑制了由于卤素离子移动导致的相分离问题,增强了钙钛矿的光稳定性;酪胺离子的还原性以及三维/二维钙钛矿异质结构的形成也有效抑制了薄膜表面Sn2+的氧化,防止氧化产生的p-掺杂以及钙钛矿降解的问题;酪胺基二维钙钛矿的引入增强了体系的疏水性。锡铅二元钙钛矿太阳能电池的能量转换效率达到18.3%,封装器件的T80寿命超过1000小时。第三部分工作:我们进一步降低了钙钛矿层中的铅含量,制备了锡铅比为6:4的少铅的钙钛矿太阳能电池。在该体系中存在的主要问题有锡铅钙钛矿组分结晶速率不平衡导致的结晶质量低、钙钛矿层缺陷态密度高、Sn2+氧化严重等问题。为此我们首次采用芹黄素、槲皮素、白藜芦醇三种还原性的天然多酚产物对钙钛矿薄膜进行掺杂。研究结果表明芹黄素、槲皮素能够有效与Sn2+形成螯合物从而对钙钛矿结晶动力学进行调控。同时芹黄素在Pb2+和Sn2+离子之间表现出明显的Sn2+选择螯合性,芹黄素掺杂有效提高了最终钙钛矿薄膜的结晶性、均一性以及晶粒尺寸,降低了缺陷态密度。此外三种天然多酚的引入有效抑制了锡铅钙钛矿在结晶过程以及后续器件老化过程中的Sn2+氧化。最终基于芹黄素掺杂的FA0.7Pb0.3Sn0.5Pb0.5I3钙钛矿器件取得了21.1%的能量转化效率,器件稳定性也得到大幅改善。我们的研究结果也表明此类存在特异性螯合的黄酮类分子为解决钙钛矿锡铅组分结晶速率不一致提供了新的研究思路。