寻找性能优良的光伏材料和优化太阳能电池性能对光伏产业发展具有重要意义。硫化锑（Sb₂S₃）是一种价格低廉、环境友好、物相单一的半导体光电材料,带隙为1.73 eV,吸光系数达10⁵ cm^-1,其薄膜太阳能电池具有巨大的应用潜力。同时,在叠层结构中,Sb₂S₃的带隙与硅电池完美匹配,有利于促进下一代硅电池的发展。本课题致力于发展高效稳定的Sb₂S₃薄膜太阳能电池,围绕薄膜沉积工艺、背场优化、界面外延、缺陷复合、合金化及叠层结构等方面展开研究。本论文采用快速热蒸发法制备出平整致密且高结晶的Sb₂S₃薄膜,并对薄膜的基本物理参数进行测试和分析,以此指导器件性能优化。Sb₂S₃太阳能电池通常采用敏化结构和有机空穴传输层,价格昂贵且稳定性较差,本论文制备全无机平面异质结TiO₂/Sb₂S₃薄膜太阳能电池,同时设计了硒气氛退火工艺解决Sb₂S₃薄膜掺杂浓度低和接触势垒高的问题。处理后的器件的串联电阻R_s、品质因子A、反向饱和电流密度J₀明显减小,并且掺杂浓度达到9.3×10¹⁵ cm^-3,元素表征和物理测试表明硒元素在薄膜内形成掺杂抑制了缺陷复合,在表面形成合金降低背接触势垒。Sb₂S₃电池最终获得3.2%的转换效率,并且具有很高的稳定性。在未封装情况下光照400小时或在空气中存放6个月,器件效率保持在95%以上。界面缺陷复合、一维传输特性和高反射损耗是限制Sb₂S₃薄膜电池性能的主要原因,针对这些问题,本论文发展了一项界面准外延的生长策略,通过调控TiO₂的晶面和氧空位,首次实现了由衬底诱导外延生长出竖直取向的Sb₂S₃薄膜。TiO₂/Sb₂S₃界面处的TEM晶格衍射花样重合,证明了薄膜异质外延的特征;并且Sb₂S₃每一颗晶粒从衬底上独立生长,晶粒达数微米,薄膜以[221]取向为主,电荷实现了在分子链内传输。系统的物理测试表明外延器件的PN结界面质量明显提高,界面复合和体缺陷得到抑制,开路电压(V_OC)从0.49 V增加到0.65 V。另外,本文通过光学模拟指导晶粒尺寸的优化,3.2μm晶粒的Sb₂S₃薄膜具有最强的陷光效应,光吸收大幅增强,短路电流密度(J_SC)提升约21%,最终Sb₂S₃全无机薄膜电池的效率达到5.4%。为了平衡器件的V_OC和J_SC进一步提升器件性能,在Sb₂S₃薄膜中引入Se元素调节带隙,Se的含量需要精确的控制。本论文设计了非对称性的双源近空间蒸发,首次制备出高通量的Sb₂(Se_xS_1-x)₃合金薄膜库,并将其应用于光伏器件阵列。系统的表征证明合金薄膜在一个维度上成分连续渐变,Se含量x值实现了从0.09到0.84的线性变化,带隙从1.66 eV减小到1.2 eV。在厚度方向上,薄膜的成分相同,晶粒上下贯通。本文详细地研究了成分对器件性能的影响,结果表明富硒的合金薄膜电池少子寿命更高、缺陷较浅、带阶较小,使得体内复合损失较小。最优组分为Sb₂(Se_0.68S_0.32)₃的富硒器件获得了5.7%的转换效率。最后,本论文探究了Sb₂S₃作为顶电池材料在叠层电池中的应用,设计并制备了Sb₂S₃与PbS量子点的叠层太阳能电池。研究发现激子吸收峰为945 nm的量子点和Sb₂S₃薄膜光谱最为匹配;Sb₂S₃顶电池薄膜的最佳厚度为350 nm;中间层采用1 nm-Au与200 nm的ZnO纳米颗粒层能够有效减小势垒,从而提升器件的V_OC和填充因子。最终叠层电池效率达到4.7%,V_OC为1.11 V,实现两个子电池的叠加,同时光谱得到有效利用,为进一步与硅电池叠层应用提供了参考。