随着经济的高速发展与人口数量的持续增长,人类社会对能源的需求越来越大,传统化石能源的大量消耗不仅引发能源危机,更对环境造成了严重破坏。太阳能因其具有储量大、无污染又无地域限制等优点引起社会的广泛关注,它的开发与应用必将引领世界能源产业与能源结构的重大变革。自上世纪中叶第一块硅太阳能电池问世后,硅基太阳能电池有了较大的发展,目前,其在光伏产业市场中占据主要地位,但较高的发电成本限制其大规模商业化应用。为获得廉价且高效的太阳能电池,基于Ⅱ型异质纳米结构制备的第三代新型太阳能电池应运而生。相比于薄膜结构形式,同轴纳米线结构有着更大比表面积、更长的光学吸收长度、更高的载流子分离效率,有望制备更高效的太阳能电池。另外,有机无机杂化金属卤化物钙钛矿材料由于其高吸光系数和超长的载流子扩散长度,在太阳能电池有良好的潜在应用价值,近年来获得极大的关注。为此,本文针对当前这两个研究热点,采用理论和实验相结合的方式,重点研究了 ZnO/ZnSe同轴纳米线、ZnO/钙钛矿同轴纳米线以及1iO2/钙钛矿平面薄膜等Ⅱ型异质纳米结构光电特性及其太阳能电池应用,主要工作和研究成果如下:(1)ZnO/ZnSe同轴纳米线近全光谱响应的实现。首次采用力学解析解法配合软件模拟处理纳米尺度下的大应变问题,并分析其能带结构。ZnO和ZnSe材料具有较好的辐照稳定性和光催化能力,然而其宽的带隙(分别为3.37eV和2.7eV)不利于太阳光吸收,若直接应用于太阳能电池,光电转换效率不高。本文利用ZnO/ZnSe同轴纳米线结构中存在的大应变场调控其有效带隙,可以大幅拓宽其光相应阈值。首先采用弹性力学平衡理论研究了 ZnO/ZnSe同轴纳米线应变结构,结果发现依靠壳层中优先生长的亚稳相纤锌矿ZnSe赝晶层,ZnO/ZnSe同轴纳米线的轴向应变可调范围超过20%。随着ZnO直径增大,ZnSe赝晶层的临界厚度先增大后减小并逐渐趋于2nm的稳定值;当ZnO的直径为9.0 nm,赝晶层的临界厚度达到6.5 nm的最大值。利用第一性原理计算方法(VASP软件)模拟计算了 ZnO/ZnSe同轴纳米线有效带隙,结果发现使用应变调控方法可以实现超宽的光谱响应,有效带隙的理论可调范围为0.4eV-1.8eV。实验上,通过两步CVD法制备了 ZnO/ZnSe同轴纳米线,利用高分辨率TEM观察到超细ZnO纳米线与壳层纤锌矿ZnSe赝晶层的完全共格结构,以及超细ZnO中大的晶格畸变,其晶面间距十分接近ZnSe。透射测试观察到最低光响应阈值为0.82eV,覆盖了超过94%的太阳光谱。所制作的太阳能电池外量子效率测试的光响应阈值也达到0.91 eV的红外区,基本实现近全光谱响应。本工作为设计与发展稳定而高效的宽带隙半导体纳米结构光伏器件提供了策略与方法。(2)高效Ⅱ型ZnO/CH3NH3PbI3同轴纳米线太阳能电池设计。同轴结构因具有新颖的径向载流子分离机制,在高效太阳能电池中的应用十分具有潜力。该工作首次探讨了 Ⅱ型异质结载流子分离机制对同轴纳米线太阳能电池性能的影响。本文结合载流子扩散理论和FDTD-Solutions软件光学模拟,重点研究了载流子分离的与光吸收的分布不均匀效应对ZnO/CH3NH3PbI3同轴纳米线太阳能电池性能的影响。结果发现钙钛矿光吸收层中载流子分离效率沿着径向逐渐减小,当纳米线壳层较厚时,其外侧的光生载流子几乎无法被分离。ZnO/CH3NH3PbI3同轴纳米线中光吸收最强的位置靠近壳层外侧,随着壳层厚度增加,吸收峰的位置逐渐向外移动。在载流子分离效率和光吸收的分布不均匀效应的共同影响下,各种尺寸的同轴纳米线太阳能电池效率都出现不同程度的下降,且壳层越厚,效率下降越明显。因此,在ZnO/CH3NH3PbI3同轴纳米线结构中,存在最优的CH3NH3PbI3壳层厚度使得电池效率达到最大。在本文讨论的实例中最佳壳层厚度为50nm,电池效率为19.5%,通过优化芯层半径、纳米线长度等其它参数可继续提高电池效率。本工作为设计和研究高效的同类型太阳能电池提供了理论指导。(3)高效Ⅱ型平面异质钙钛矿电池研制。钙钛矿材料因为对水分高度敏感,极易吸水分解导致电池效率与稳定性的大幅下降。本文使用气相辅助溶液方法并借助热涂附技巧,在空气环境中制作了 Ⅱ型平面异质钙钛矿太阳能电池。通过优化旋涂速度、反应时长等参数,我们制备了效率为11.26%的平面异质钙钛矿电池,其开路电压为0.92V,短路电流为20.3mA/cm2、填充因子为0.603。保存在干燥环境下,2周后电池效率依然保有原来76%的性能。另外,研究发现在cl-TiO2表面保留一层的很薄PbI2,能够提高电池性能;严格控制并排除电池制作过程中可能的水分吸附能缓解钙钛矿太阳能电池在湿润空气中不稳定的问题。该工作为制作高效稳定Ⅱ型平面异质钙钛矿电池提供参考。