基于铜基硫属化合物半导体的第三代薄膜太阳电池由于其光电转化效率高、吸收系数高、光谱响应好、抗辐照能力强、功率密度高等优势,过去30年中吸引了来自学术界和产业界的广泛关注。然而,与传统硅基光伏技术相比,目前第三代薄膜光伏技术的成本仍然较高。降低成本已成为第三代薄膜光伏技术发展的一项核心需求。基于铜基硫属化合物半导体纳米颗粒前驱体的吸收层非真空制造工艺（以下简称非真空工艺）被认为是降低第三代薄膜光伏技术成本的一条有效路径。非真空制造工艺包括3个主要环节:1)纳米颗粒的合成;2)基于纳米颗粒分散系或“墨水”的成膜工艺;3)以促进晶粒生长为目的的薄膜热处理。得益于印制电子、高精度涂布技术的发展,基于纳米颗粒分散系或“墨水”的成膜工艺相对成熟。非真空工艺的技术挑战主要为:1)铜基硫属化合物半导体纳米颗粒的制备方法工艺成本高、产物物相可控性差、反应时间长;2)基于化合物半导体纳米颗粒制备的吸收层薄膜,即使经过550℃左右的高温热处理,其晶粒尺寸仍然较小,导致吸收层薄膜内晶界众多,载流子复合中心密度极高,无法满足高性能光伏器件的需求。针对上述挑战,本文从机理研究入手,发展了一系列创新的技术策略。简而言之,本研究在铜基硫属化合物半导体纳米颗粒合成方法学、反应与结晶动力学相关的机理研究和非真空工艺纳米颗粒前驱体的理性设计与制备三个方面开展了探索性研究,以期为第三代薄膜光伏技术的未来发展提供技术解决方案和启示性科学认识。在铜基硫属化合物半导体纳米颗粒合成方法学方面,论文基于对多元硫属化合物半导体纳米颗粒合成反应路径的认识,围绕物相与成分精确控制、增强反应动力学两个主要目标丰富并拓展了多元硫属化合物半导体纳米颗粒的合成方法学。首先,基于溶液中络合物与离子平衡原理,通过调制反应溶剂环境,调控前驱体物种的反应活性,进而影响触发晶核形成的热力学条件,最终实现闪锌矿结构和纤锌矿结构铜铟镓硫的相选择合成。其次,受关于微量锑元素促进铜铟镓硒结晶动力学研究报道的启发,在溶剂热反应中引入微量锑元素,通过影响溶剂热反应中固-固和固液传质过程,实现了硒化亚铜的相选择合成。此外,本文还通过强还原剂Na BH₄活化单质硒,提高其在反应溶剂中的溶解度和反应活性,显著增强了溶剂热合成的反应动力学,将溶剂热合成铜锌锡硫的反应时间减少了90%,同时,提高了调控硫属化合物固溶体产物成分的灵活性。围绕微量锑元素促进铜基硫属化合物反应动力学和结晶动力学的机理问题,以铜铟镓硒作为模型材料,通过仔细研究溶剂热反应产物的物相演化趋势,确认了Cu₃SbSe₃为形成流动相的关键物种,揭示了高传质性流动相增强动力学过程的机理,并通过高通量实验快速优化了锑元素的掺杂比例。我们基于对结晶动力学增强机理认识,设计了由铜锑硒包裹铜铟镓硒的核壳结构纳米颗粒,作为薄膜光伏器件非真空制造工艺的理想成膜前驱体。其中,铜锑硒既可形成低温流动相、又具备良好光伏特性。通过巧妙的合成路径设计,以预制铜铟镓硒纳米颗粒与反应溶剂的异质界面诱导铜锑硒在低能量态下结晶并包覆内核,实现上述铜铟镓硒@铜锑硒核壳纳米结构。最后,以该核壳结构纳米颗粒作为前驱体通过非真空工艺制备了高质量铜铟镓硒吸收层薄膜,结合对照组实验的结果验证了本文关于锑元素促进铜基硫属化合物结晶动力学的机理认识。总之,本论文围绕基于铜基硫属化合物半导体纳米颗粒的太阳电池吸收层非真空制造工艺的主要环节和关键技术挑战,丰富并拓展了合成方法学,填补了部分动力学机理方面的认知空白,设计、开发并实践了一种基于核壳结构纳米颗粒的非真空工艺策略。对于薄膜太阳电池、全固态锂电池、高分辨光电显示、下一代光源、传感器等涉及基于纳米颗粒构建功能器件的领域,本论文所发展的技术方案和揭示的科学机理均具有重大的应用价值与启发意义。