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钙钛矿太阳能电池(PSCs)是一种以有机碱基卤化物作为光吸收材料的新型太阳能电池。因为具有工艺简单和光电转换效率高等优点，PSCs有望超越工艺复杂的硅太阳能电池和效率偏低的有机太阳能电池，发展成为高效率低成本的可实现大规模应用的光伏器件。 从PSCs的应用方面考虑，电池效率和稳定性是两个重要的研究方向。目前PSCs的最高认证效率达到了22.1％，与硅基太阳能电池的最高效率26.6％相比仍有差距，且近一年来认证效率并无增长，说明PSCs的效率发展已经进入瓶颈期。此外，有机碱基卤化物材料的稳定性存在问题，PSCs目前无法达到长期应用标准。因此，本文从其代表性材料甲胺铅碘(MAPbI3，MA+=CH3NH3+)的微观特性出发，对PSCs的效率和稳定性展开系统研究并进行优化。 在PSCs中，吸光材料MAPbI3薄膜的质量是影响电池效率的关键因素。传统的一步溶液旋涂法达到的形核驱动力即过饱和度很低，导致薄膜的制备过程难以调控，且容易制备出表面覆盖差的多孔薄膜，这种薄膜中会发生严重的载流子复合，影响电池效率。本文通过对比传统一步溶液法和乙醚作为反溶剂的一步溶液法并结合经典析晶规律，总结了不同过饱和度下的形核过程是影响MAPbI3薄膜形貌的根本因素，低过饱和度容易诱导二次形核制备多孔薄膜，高过饱和度可以诱导均相形核制备致密薄膜。在此基础上，展开了如下研究:(1)通过新型非极性反溶剂正己烷诱导的界面析晶方法对均相形核和二次形核的比例进行调控，制备出形貌从多孔到致密连续变化的薄膜;(2)通过界面析晶过程设计了新型三层结构薄膜，提高了薄膜的光吸收性能和界面载流子传输性能，将这种薄膜应用到电池中可将效率从15.78％提高到16.93％;(3)设计混合反溶剂，通过界面析晶和体相析晶的配合作用实现了均相形核密度的调节，制备出表面粗糙度仅为4.34nm的超平整钙钛矿薄膜，将电池效率进一步提高到17.08％。 MAPbI3在湿度、光和热环境中容易分解为PbI2，造成PSCs性能快速衰减，无法满足功率输出稳定的要求。MAPbI3材料稳定性较差是因为甲胺离子MA+半径偏小（RMA+=2.17(A))，迁移活化能较低，在环境作用下容易在晶格中迁移。本文采用离子半径较大的甲胍离子(GA+=C(NH2)3+，RGA+=2.78(A)）对MAPbI3进行掺杂，并对掺杂前后薄膜的湿度、光、热稳定性以及PSCs器件的长期稳定性展开了研究。结果表明，在湿度环境中MAPbI3晶格中的GA+通过部分转化为低温GAPbI3相防止MAPbI3材料分解为PbI2;在光和热的作用下，较大尺寸的GA+难以在晶格中迁移，同时GA+在晶格中的均匀分布阻碍了MA+的迁移。因此GA+掺杂改善了MAPbI3的湿度、光、热稳定性以及PSCs器件的长期稳定性，掺杂后PSCs器件在氩气环境中储存1600h后效率可保持初始效率的90％。 本论文结合PSCs发展中的两个问题，通过分析MAPbI3的微观特性，采用多种反溶剂体系详细地研究了析晶过程-薄膜形貌-电池性能之间的对应关系，并系统地研究了大半径GA+掺杂对MAPbI3材料和PSCs器件的湿度、光和热稳定性的影响，得到如下结论:(1)形核方式是影响薄膜形貌的根本因素，二次形核为主导容易制备多孔薄膜，均相形核为主导易制备致密薄膜;(2)反溶剂的种类可以调控形核的方式和数量进而影响薄膜形貌;(3)采用非极性正己烷作为反溶剂可以通过界面析晶过程制备出新型三层结构MAPbI3薄膜，增大光捕获效率和载流子分离速率;(4)完全致密的薄膜不是获得高效率PSCs的唯一途径，在保证覆盖率良好的基础上，对薄膜进行纳米结构设计、引入孔或织构化结构通用可以获得高效率PSCs;(5)采用含有50％乙醚和50％正己烷的混合反溶剂可以制备表面超平整的高质量MAPbI3薄膜;(6)采用GA+掺杂后，MAPbI3薄膜的湿度、光和热稳定性增强;(7)采用GA+掺杂后，PSCs器件的长期稳定性明显提高。