目前,有机/无机杂化卤化铅钙钛矿太阳能电池由于其高效率、商业化前景和易加工性而正在被广大研究者深入研究。在过去不到十年的时间里,钙钛矿电池的光电转换效率从2009年的3.8%提高到最近认证的23.7%。钙钛矿电池的惊人性能可以归功于钙钛矿材料的独特性质,如高吸光系数、优良的双极电荷传输效率、低激子结合能、很长的电子和空穴扩散长度以及可调带隙。常见的钙钛矿太阳能电池通常由透明金属氧化物电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层和对电极组成。然而,目前制备的常见钙钛矿太阳能电池需要贵重的贵金属电极（如金或银）和有机空穴传输材料,并且制备需要高耗能的高真空蒸发设备。此外,由于钙钛矿材料和有机空穴传输材料容易分解,钙钛矿电池稳定性较差并且制造成本较高,这是目前阻碍其商业化的最大问题。通过使用廉价的碳电极代替贵金属对电极可以显著降低成本,同时,有机空穴传输层的去除能进一步降低成本和提高稳定性。但是,基于碳电极、无空穴传输层的钙钛矿太阳能电池的效率通常低于普通结构的钙钛矿电池,但因它成本低和优异的稳定性,仍具有巨大的商业化潜力。所以,为了推进其商业化进程,我们需要做更多的研究来提高它的效率。通常,由于其优异的稳定性、简单多样的制备方法、无毒、低成本和广泛的原料来源,TiO₂在钙钛矿太阳能电池中充当电子传输层。本论文通过对TiO₂电子传输层的改性和优化,最终将基于碳电极的无空穴传输层钙钛矿电池的效率提高至15%以上。首先,我们研究了钨元素掺杂对TiO₂性质和电池性能的影响。在TiO₂中掺杂金属元素已被证明是提高染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池性能的有效方法之一。我们采用水热法成功将钨掺杂并均匀分布于TiO₂中。优化钨的掺杂量后,电池的性能得到了显著提升。用掺杂钨的TiO₂作为电子传输层的电池性能的改善归因于以下两个原因。首先,钨掺杂TiO₂的薄膜具有较高的导电性,这有利于电子的传输和收集;其次,钨掺杂使TiO₂的导带正向偏移,这有利于更好地提取电子。使用最佳钨掺杂浓度的电池达到10.53%的平均效率值,和未掺杂的电池相比,提高了15.7%。TiO₂电子传输层薄膜的形貌和薄膜的厚度对电池性能起着重要作用。我们通过水热法合成了直径约200 nm的纳米多孔TiO₂球,用作碳基无空穴传输层钙钛矿太阳能电池的支架层,用于改善光吸收、电荷传输、以及电池光伏性能。TiO₂亚微米球具有高比表面积的多孔特征,这对介孔钙钛矿太阳能电池中钙钛矿材料的渗入、载流子提取和运输有着至关重要的作用。此外,与传统的TiO₂纳米颗粒相比,TiO₂大球具有更强的光散射性质,因此可以增强相应器件中的光吸收。采用这种结构的TiO₂电子传输层的钙钛矿太阳能电池具有优异的稳定性并且最高效率达到了14.3%。在钙钛矿太阳能电池中对电子传输层进行表面钝化已被证明是一种提高电池效率的重要策略。我们在锐钛矿TiO₂支架层中引入金红石相二氧化钛,并将此混合相的TiO₂作为钙钛矿电池的电子传输层。锐钛矿和金红石混合相的TiO₂薄膜具有更高的导电性、更快的电荷提取;此外,优化后的器件中,TiO₂与钙钛矿薄膜界面的陷阱密度降低,电荷复合受到抑制,实现了碳基钙钛矿的15.21%的最佳光电转换效率。更重要的是,受益于金红石相TiO₂稳定和更好的紫外线过滤性能,我们的器件表现出优异的稳定性,突出了它们作为未来工业化光伏器件的潜在竞争者的优点。