成本低、工艺简单、光电转换效率逐渐增加的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池已成为光电领域的研究前沿。目前钙钛矿太阳能电池存在能量利用率低、PN结能带失配、PCBM迁移率低、TiO2需高温烧结、Spiro-OMeTAD价格昂贵等问题,尚未广泛应用。针对这些问题,本文基于连续性方程、泊松方程、漂移-扩散方程,考虑到界面缺陷、四种体缺陷（类受主态高斯分布、类施主态高斯分布、类受主态导带尾分布、类施主态价带尾分布）、四种复合（表面复合、俄歇复合、SRH复合、辐射复合）等因素的影响,用密度泛函理论量化自旋轨道耦合并计算材料能级,采用热电子发射模型计算载流子渡越能级尖峰的过程,由此用TCAD Atlas软件建立太阳能电池的物理模型并仿真优化。全文以钙钛矿为主体,设计了全钙钛矿叠层电池以拓宽光谱利用率、通过简化电池结构和材料层设计了无电子传输层电池以去掉PCBM、无载流子传输层电池以去掉TiO2和Spiro-OMeTAD,依次去掉传统P-I-N结构中的电子和空穴传输层,实现透明电极TCO和CH3NH3PbI3两种材料直接结合的最简结构;用能带工程优化太阳能电池的PN结能带失配,调控梯度带隙分布以增强载流子收集速率,提高电池效率。首先基于传统P-I-N结构设计了由两个P-I-N结组成的叠层钙钛矿电池,上层P-I-N结主要吸收300-700 nm可见光,下层P-I-N结主要吸收700-1100nm近红外光,以拓宽光谱利用率。对比研究PEDOT:PSS、Spiro-OMeTAD、CuI、CuO、NiO和CuSCN,选择NiO作为上、下两个P-I-N结的P型层;对比研究C60、SnO2、TiO2、ZnO、PCBM和CdS,选择SnO2作为上P-I-N结、ZnO作为下P-I-N结的N型层时,叠层电池可获得最高效率。通过调控钙钛矿薄膜厚度可进一步减少电流限制,叠层电池的效率可提高到32%。其次基于钙钛矿良好的双极电荷传输特性和低成本理念,设计了无电子传输层钙钛矿电池。研究了器件结构、空穴传输材料、背电极材料和钙钛矿带隙分布对电池性能的影响。发现钙钛矿递增带隙结构可解决能级失配问题,降低异质结接触电阻,促进光生载流子的传输,减少复合损耗,由此获得26.64%的效率。在此基础上设计的无载流子传输层钙钛矿太阳能电池效率达到20.2%。最后基于能带工程方法,用离子掺杂改变钙钛矿带隙,设计了梯度带隙钙钛矿电池。前梯度带隙的辅助电场可改善开路电压,双梯度带隙可拓宽光谱吸收范围,降低perovskite/ZnO界面的能带偏移,电池效率提高了2.84%。该方法还可降低CuSCN/perovskite界面的能带偏移,验证了能带工程在光电领域的有效性。