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科学发展推动时代进步,而能源短缺与分布不均成为限制人类社会进一步发展的最大障碍,能源开采和利用而带来的环境污染也成为危害人类生命健康的重大难题。现在人们普遍认为,采用光伏发电直接将太阳能转化为电能是最具潜力的解决能源短缺的方法之一。随着光伏技术和产业的不断进步,第三代光伏技术应运而生并蓬勃发展。其中,聚合物太阳能电池和钙钛矿太阳能电池成为第三代光伏技术的两个重要分支,具有低成本、低温制备工艺、柔性衬底兼容性等优点。经过近几年的迅猛发展,目前单节聚合物太阳能电池认证效率已超过18%,而钙钛矿太阳能电池认证效率已达到25.2%,这使它们成为最有潜力取代传统的硅电池的光伏发电技术。在进一步的商业化推广道路上,它们也同时面临着提高效率、规模化生产、降低成本、提高稳定性等诸多挑战。在探索解决这些问题的研究中,碳纳米材料以其低成本、结构多样、绿色环保、来源广泛、导电性强、稳定性好等优点受到广泛的关注,为光伏电池的发展提供了新的思路。而不同维度的碳纳米材料在电池的电极、传输层、活性层等都可以发挥独一无二的作用。围绕这一思想,针对聚合物太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池的固有缺陷,定向的合成碳纳米材料并用于器件的性能优化,可以有效克服光伏电池缺陷,实现高性能器件,真正为第三代新型光伏的商业化推广扩宽道路。本论文围绕碳纳米材料制备及其在光伏电池的应用展开研究,主要包括以下内容:低成本的碳纳米材料是制造高导电率的光电器件顶电极的新的选择,在第二章中,我们采用一种简单的燃烧法合成具有洋葱结构的纳米碳（Onion-like Carbon Nanosphere,OLCNS）、制备OLCNS/Ag复合电极、并探究该复合电极在聚合物电池中的应用。在这种复合电极中,OLCNS作为主体材料,而一层薄的Ag被用来填补OLCNS之间的缝隙,提高OLCNS之间的接触来改善导电性。与单独的Ag电极相比,这种复合电极不仅减少贵金属的用量,并且OLCNS高的导电性能够更好收集电荷。同时,OLCNS/Ag复合电极对器件的光场调控还有效的提高了器件对入射光的利用。因此,优化以后基于PTB7:PC71BM以及PCDTBT:PC71BM体系的聚合物太阳能电池器件效率都获得了明显提高,器件效率分别达到9.81%与6.95%,器件稳定性也得到改善。为了解决三维碳球的溶解性较差的问题,在第三章中,我们缩小碳纳米材料维度,进一步探讨一维碳纳米棒在光伏器件中的应用。我们通过锑粉辅助球磨的方法对碳纳米管进行加工,获得锑掺杂的碳纳米棒。我们将锑掺杂的碳纳米棒加入反型CH3NH3PbI3钙钛矿太阳能电池的PCBM钝化层中作为添加剂改善电荷传输。这种经过N型掺杂的碳纳米棒能有效扩展钙钛矿与PCBM之间的电场,进而促进电荷分离。同时,碳纳米棒在PCBM中引入大量不连续能带进而改变PCBM内部电荷分布,促进PCBM中电子沿一维碳纳米棒传输。钙钛矿器件效率与稳定性同时提高,器件效率达到19.26%。随后,我们采用化学氧化的方法进一步对锑掺杂的碳纳米棒进行处理制备出氧化型碳纳米棒,并将这种氧化型碳纳米棒掺杂进入PEDOT:PSS空穴传输层来克服PEDOT:PSS空穴传输层与钙钛矿活性层能级不匹配的问题。氧化型碳纳米棒的引入有效的提高了PEDOT:PSS空穴传输层的功函数,避免了材料之间的能级失配,器件的开路电压明显提高。此外,碳纳米棒的引入还可以改善钙钛矿结晶,有效促进电荷传输,使器件填充因子明显提高,器件效率达到了19.02%。在第四章中,我们进一步降低碳纳米材料维度,研究了零维碳点在光伏器件中的应用。我们合成了一种聚合物表面功能化的碳点并将其作为聚合物太阳能电池的电子传输层来提高电荷传输。我们采用微波方法合成的CDs作为主体材料,使用静电自组装的方法在CDs表面包覆PEI形成聚合物功能化的CDs@PEI电子传输层。实验结果表面,CDs@PEI电子传输层能够有效吸收紫外光并转换为低能量蓝光进行再次利用,提高了器件对入射光的利用率。同时,CDs@PEI电子传输层内部的局域态可以在暗态下束缚电荷降低暗电流,而光照下由于局域态全部被填充可以有效传输电子。通过这种方法,基于PTB7:PC71BM体系的聚合物太阳能电池器件效率达到9.53%,器件性能得到明显提升。在第五章中,我们通过在钙钛矿前驱溶液中引入钾离子功能化的碳点实现对钙钛矿薄膜的缺陷钝化以及结晶调控。碳点对碱金属离子的束缚作用可以有效防止碱金属离子进入钙钛矿晶格,减少晶格畸变。而碱金属离子与碳点的协同作用可以调整钙钛矿晶粒尺寸、钝化缺陷、降低缺陷态密度、减少电荷复合并延长载流子寿命,经过优化后器件效率达到了21.01%,器件填充因子达到84%,器件性能明显提高。在随后的工作中,我们还采用钠离子功能化的碳点对PTAA进行界面修饰,与前面的方法相似。碳点对钠离子的束缚作用可以有效防止其进入钙钛矿晶格,减少晶格畸变。同时,钠离子功能化的碳点能够改变PTAA表面浸润性,可以有效调控钙钛矿结晶,减少离子迁移,提高界面接触,器件效率与稳定性都得到明显提高。尽管碳点在钙钛矿的化学修饰、晶界调控、表面钝化等方面都有巨大潜力,但碳点的亲水性与钙钛矿材料的水敏感特点却不相兼容。第六章中,我们提出采用C3H4Cl3F3Si在碳点表面功能化的方法得到疏水的碳点钝化层。在这一复合功能层中,碳点可以有效调整钙钛矿结晶,并钝化晶界缺陷,增加载流子寿命,促进电荷传输。而C3H4Cl3F3Si绝缘层可以在钙钛矿与富勒烯之间形成一层超薄的隧穿层,它能够选择性传输电子而阻挡空穴,进而提高电子与空穴的空间分离,减少其复合,优化后器件效率明显提高。此外,C3H4Cl3F3Si的自组装使碳点钝化层的浸润性由亲水转变为疏水,器件在未封装情况下储存30天依然保持最初性能的90%,稳定性获得了明显提高。