微晶硅材料以其宽的长波响应及良好的稳定性而广泛应用于叠层电池中作为底电池的吸收层。但由于其可见光波段吸收系数较低及材料纵向结构不均匀性的存在，限制了单结微晶硅及其叠层电池性能的提升。本论文针对单结微晶硅电池光管理结构及电学结构进行了设计与优化，并将其应用于非晶硅/微晶硅双结及非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层电池中，实现了叠层电池性能的进一步提高。主要研究工作和创新如下:　　首先，为了增加入射光在本征层内部的有效光程，降低本征层电学厚度，本论文针对单结微晶硅电池长波段光谱响应、短波段光谱响应及全光谱响应提升三方面，对单结微晶硅电池光管理结构进行了研究。(1)为提升单结微晶硅电池长波段光谱响应，研究了具有不同表面形貌的掺铝氧化锌(ZnO∶Al)前电极的光学特性，并探讨其对微晶硅电池光电性能的影响，得出微晶硅电池光电性能达到较佳时衬底应具备的条件。(2)将宽带隙、低寄生吸收、低折射率的p型纳米硅氧(nc-SiOx∶H)材料作为窗口掺杂层引入到微晶硅电池中，使其短波400nm处光谱响应提升至62.16％。(3)结合溅射后腐蚀ZnO∶Al与MOCVD ZnO∶B衬底各自的优势，制备了复合尺寸结构前电极，其具有宽散射角、高散射强度的特性，实现了微晶硅电池全波段范围内光谱响应的提升。(4)经过光学结构优化，获得了短路电流密度高达29.42 mA/cm2的单结微晶硅电池。　　其次，在优化的光管理结构基础上，为进一步降低本征层缺陷态密度，提升载流子收集，针对单结微晶硅电池本征层结构、掺杂层及I/N、P/I界面优化，对单结微晶硅电池电学结构进行了深入研究。(1)在本征层制备中采用分段氢稀释梯度的方法，显著降低了非晶孵化层厚度及晶粒间界等缺陷态密度，改善了材料纵向结构特性，实现了电池电学性能的显著提升。(2)将n型nc-SiOx∶H材料用做微晶硅电池掺杂层，利用其宽带隙及“电流猝灭效应”提升了单结微晶硅电池电学性能。(3)针对I/N界面处的带隙不连续现象，引入了不同厚度的n型a-Si∶H界面缓冲层，研究表明:在I/N界面引入合适带隙和厚度的n型a-Si∶H界面层，降低了本征层与nc-SiOx∶H材料的带隙差，促进了载流子的有效收集，最终使电池长波响应得以提升。(4)为进一步降低P/I界面处由于非晶孵化层的存在而导致的电池性能降低，分别在P/I界面处引入本征a-Si∶H及本征nc-SiOx∶H界面层，研究其对微晶硅电池光电性能的调制作用:本征a-Si∶H可有效降低界面处缺陷态密度，从而提升电池电学性能，但长波段响应略有降低;本征nc-SiOx∶H界面层实现了在保持电池电学性能的基础上，电池全波段光谱响应得到提升。(5)经过光电结构优化，最终获得了初始转换效率为10.54％的PIN型单结微晶硅太阳电池（世界纪录10.9％）。　　最后，将优化后的单结微晶硅电池应用于叠层电池中作为底电池，针对非晶硅/微晶硅(a-Si∶H/μc-Si∶H)双结叠层电池中光谱分配、隧穿结结构及非晶硅/非晶硅锗/微晶硅(a-Si∶H/a-SiGe∶H/μc-Si∶H)三结叠层电池中底电池工艺进行了研究。(1)为解决基于SnO2∶F衬底的a-Si∶H/μc-Si∶H双结叠层电池中的光谱分配不均匀的现象，引入溅射后腐蚀ZnO∶Al，通过对比其与SnO2∶F衬底的光散射特性，成功实现了底电池电流密度的提升。进一步在顶、底电池间引入n型nc-SiOx∶H作为中间反射层，提升了顶电池电流密度，从而使顶、底电池电流密度达到良好匹配。(2)设计了n-nc-SiOx∶H/p-μc-Si∶H/p-nc-SiOx∶H复合隧穿结结构，实现了载流子在隧穿结处的有效复合，同时p-μc-Si∶H材料可促进本征层材料的进一步成核，因此叠层电池电学性能得以提升，同时底电池光谱响应增强。最终获得了初始转换效率高达13.65％的PIN型a-Si∶H/μc-Si∶H双结叠层电池。(3)针对微晶硅电池在叠层电池中表现出的不同行为，即叠层电池中的子电池具有更高的晶化率，进一步对微晶硅底电池工艺进行调整，使电池电学性能显著提升，最终获得了初始转化效率高达16.07％的PIN型a-Si∶H/a-SiGe∶H/μc-Si∶H三结叠层电池（世界纪录16.1％）。