Strategies for Boosting Performance of Perovskite Photodetectors: Synergistic Material and Device Optimization for Advanced Applications

Ying Li, Xinmiao Li, Yancheng Chen*, Guozhen Shen*

Nano-Micro Letters (2027)19: 50

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02335-0

本文亮点

1. 系统梳理了钙钛矿光探测器从基础光电特性、器件结构到应用拓展的发展脉络，构建材料制备、光管理、界面工程和稳定性提升四类核心策略的分析框架。

2. 从光子利用、载流子产生与提取、长期工作可靠性等物理过程出发，说明不同优化手段如何协同作用，并提示性能指标之间需要结合应用场景进行权衡。

3. 面向成像、光通信、可穿戴电子和X射线探测，讨论无铅化、稳定性、大面积均匀制备、异质集成与标准化测试等走向实用化的关键问题。

研究背景

光探测器是连接光学信息与电子系统的关键器件，广泛服务于成像、光通信、环境监测、健康感知和高能辐射探测等场景。传统硅、InGaAs等探测材料性能成熟，但其制备和集成通常依赖高成本工艺。金属卤化物钙钛矿具有高吸收系数、可调带隙、较长载流子扩散长度以及溶液加工兼容性，为构筑轻薄、柔性、低成本且可覆盖宽光谱范围的光探测器提供了新的材料选择。然而，将优异的材料本征性质稳定地转化为器件性能并落地于实际应用，仍面临多重挑战。具体而言，制备过程中的缺陷和晶界会增加非辐射复合与暗电流；有限的光吸收、界面能级失配和电荷传输损耗会削弱灵敏度与响应速度；水氧侵蚀、离子迁移和热机械应力又会限制长期可靠性。随着应用从单器件性能展示走向商用传感成像、可穿戴系统和辐射监测，研究重点正在由单一指标的提升转向材料、结构、界面与封装的协同设计。

内容简介

针对钙钛矿光电探测器的光利用效率不足、缺陷与界面复合损耗较大以及长期工作稳定性欠佳等关键问题，北京理工大学李营、沈国震等围绕钙钛矿光探测器的性能提升与先进应用，系统总结了从材料制备到器件设计的关键进展。文章首先介绍光探测器的分类、核心性能参数以及钙钛矿材料的结构和光电特性，继而以材料质量控制、光管理、界面电荷收集与稳定性提升为四条主线，分析不同策略在器件层面解决的问题及其相互关联。本工作强调从器件工作链条理解性能优化：高质量吸收层决定光生载流子的产生基础，光管理提升入射光的有效利用，界面工程减少复合并促进电荷提取，稳定性设计则保障器件在复杂环境和长期运行中的可靠性。文章进一步将这些策略与成像、光通信、可穿戴电子和X射线探测等应用场景对应起来，提出钙钛矿光探测器的下一阶段发展应聚焦应用需求、规模制造和标准化评价。

图文导读

I 材料质量筑基：从可控制备到高质量光吸收层

钙钛矿薄膜或晶体的质量直接决定器件的缺陷密度、载流子输运和噪声水平。文章归纳了旋涂、喷涂、喷墨打印等湿法路线，以及真空沉积、化学气相沉积和溅射等干法路线的特点：前者具有工艺简便和成本优势，后者在组分、厚度与大面积均匀性控制方面显示出潜力。空间限域生长则通过物理模板调控结晶尺寸、厚度和形貌，为单晶薄膜、微纳阵列和像素化结构提供了新的构筑路径。这些方法的共同目标并不是追求某一种工艺的“最优”，而是针对应用选择合适的材料形态与制造方式。例如，面向大面积柔性器件，需兼顾低温制备和薄膜均匀性；面向高分辨成像阵列，则需降低像素间不均匀性和晶界引起的噪声。材料制备因而是后续光管理、界面调控和封装设计的基础。

图1. 钙钛矿材料的制备方法总结。

图2. 优化钙钛矿材料的空间限域生长策略。

II 光管理增效：让入射光得到更充分利用

光探测的起点是对入射光子的吸收与转换。尽管钙钛矿本身具有较强的吸光能力，器件在有限厚度、特定波段或弱光条件下仍可能受到光利用不足的限制。文章将等离激元结构、光学微腔和多级纳米结构等归入光管理策略：它们可通过局域电场增强、散射、共振和光俘获等效应，延长光在活性层内的作用路径或提升目标波段的吸收。光管理的价值并不止于提高光吸收。合理设计的光学结构还能够服务于窄带选择、偏振分辨或多光谱探测等功能。不过，增强光场也可能改变界面电学环境或增加器件结构复杂度，因此需要与载流子传输设计同步考虑。文章指出，只有当新增的光生载流子能够被快速、低损耗地收集，光管理带来的增益才能真正转化为器件的响应度和比探测率提升。

图3. 提升光利用效率的代表性光管理策略。

III 界面工程提效：从光生载流子到有效电信号

钙钛矿层吸收光子后，电子和空穴需要跨越异质结界面并被电极收集。缺陷态、能级失配和传输层不匹配会造成非辐射复合、暗电流升高和响应变慢。文章从缺陷钝化和界面工程两条路径概括解决方案：前者通过调节晶粒、晶界或表面缺陷，降低陷阱辅助复合；后者借助能级设计、传输层优化和界面层构筑，建立更有利于电荷分离与选择性提取的传输通道。值得注意的是，界面设计的目标随器件类型而变化。对于高速成像和低噪声光电二极管，应尽可能压低缺陷相关电流并提高收集效率；而部分光电导或类突触器件则可能利用可控的陷阱态实现增益或时间响应。文章由此提示，界面工程不应局限于“消除缺陷”，而应围绕具体应用对噪声、速度、增益和功能性的要求进行精细调控。

图4. 载流子动力学与界面电荷收集优化策略。

IV 稳定性保障：从材料内部调控到外部封装

长期稳定性是钙钛矿光探测器走向实际应用的核心门槛。水氧侵蚀、离子迁移、相变、持续光照和热应力均可能引起材料或界面退化。文章将稳定性提升归纳为三个层次：通过结晶调控减少易降解的缺陷和晶界；利用添加剂工程钝化缺陷、增强结构稳固性或构建疏水屏障；采用玻璃、聚合物、薄膜等封装技术阻断环境侵入并提高器件抗应力能力。稳定性设计需要服务于真实使用条件，而不能仅以静态储存测试代替长期可靠性评估。对于柔性和可穿戴器件，还需同时考虑弯折、拉伸等多应变物理场影响；对于成像阵列，则需要关注封装工艺与像素一致性、读出电路兼容性之间的关系。材料、界面和封装的协同优化，将决定钙钛矿器件是否能够保持原有的光电优势。

图5. 钙钛矿光探测器稳定性提升策略。

V 应用需求牵引：连接成像、通信、可穿戴与X射线探测

在成像领域，钙钛矿的光谱可调性和薄膜加工能力有望支持高分辨、多光谱、仿生及神经形态视觉系统；在光通信中，高速响应、低噪声和特定波段选择能力决定信息传输质量；在可穿戴电子中，轻薄、柔性和人体环境下的可靠性尤为重要；在X射线探测中，材料对高能辐射的吸收、灵敏度、低剂量响应和大面积集成能力则成为关键。这些场景对性能的要求并不相同。高响应度并不自动意味着更适合高速通信，极低暗电流也需要与工艺可制造性相平衡。文章通过性能参数、优化策略与应用之间的关联指出，钙钛矿光探测器的设计正在由“提升单项指标”转向“面向任务的协同设计”。未来材料选择、器件架构与读出系统需要共同面向特定使用场景，形成从光信号获取到系统级处理的闭环。

图6. 钙钛矿光电探测器先进应用进展。

图7. 钙钛矿光电探测器性能参数、优化策略与应用之间的关联与协同发展。

VI 走向实用：无铅化、规模制造与标准化评价

文章进一步讨论了钙钛矿光探测器实用化面临的若干共性挑战。首先，铅基钙钛矿具有优良的光电表现，但环境友好型替代材料仍需在吸收能力、载流子输运和稳定性之间寻找平衡。其次，大面积均匀制备和与现有半导体平台的异质集成，是实现高分辨阵列和规模制造的工程基础。溶液法、真空法和模板限域生长各有适用范围，未来需要将工艺可重复性、成本和器件性能一并纳入评价。此外，领域内不同器件的测试条件和报告方式尚不完全一致，给性能比较和技术路线筛选带来困难。对于未来的钙钛矿光电探测器，规范化测试与评价是推动商业化的重要前提，文章建议在报告响应度、比探测率和稳定性等指标时，明确光源波长与功率、偏压、带宽及噪声测试方式，并推动可靠性与系统级性能的标准化评价。只有建立可信、可比、面向应用的评估体系，实验室中的性能进展才能更有效地转化为实际器件能力。

图8. 钙钛矿光探测器的未来发展路线图：面临挑战与应对策略。

VII 总结

钙钛矿光探测器的发展体现了材料科学、光学、器件物理和电子信息技术的交叉融合。高质量钙钛矿吸收层为性能提升奠定基础，光管理增强入射光利用，界面工程控制载流子损耗与收集，稳定性设计则为复杂环境中的长期运行提供保障。四类策略共同构成从材料到器件的优化链条，也为理解不同性能指标之间的关联提供了清晰框架。面向未来，钙钛矿光探测器仍需在无铅材料、可靠性、大面积均匀制备、异质集成和标准化测试等方面持续突破。更重要的是，研究应围绕成像、通信、健康监测和辐射探测等具体需求，开展材料与器件的协同设计。在此基础上，钙钛矿有望从高性能新型光敏材料进一步发展为服务智能感知系统的重要技术平台。

作者简介

沈国震

本文通讯作者

北京理工大学 教授

▍主要研究领域

(1)柔性可穿戴电子；(2)智能传感器；(3)医疗健康监测

▍主要研究成果

北京理工大学集成电路与电子学院教授、博士生导师，柔性电子器件与智造研究所所长，国家高层次人才。2003年于中国科学技术大学获博士学位，其后在韩国汉阳大学从事博士后研究，并在日本国立材料研究所和美国南加州大学开展访问研究。2009年回国后先后任职于华中科技大学和中国科学院半导体研究所，2022年加入北京理工大学至今。沈老师的主要研究领域为柔性电子器件与系统研究，涵盖智能传感、光电探测与医疗健康监测等方向。在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等期刊发表论文300余篇，出版中英文学术专著5部。多次入选科睿唯安全球高被引学者，2014年起连续入选Elsevier中国高被引学者。

▍Email：gzshen@bit.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

支持单位：