钙钛矿与有机光电二极管，Nature Reviews Materials！

米测MeLab

2025-08-11

背景介绍

钙钛矿与有机半导体是一类具有可调光电性能、可溶液加工能力及低成本制备潜力的新型光敏材料，因而被广泛应用于紫外-可见光与近红外光探测、医疗成像、柔性电子以及智能穿戴等前沿领域。与传统的无机光探测材料（如硅和InGaAs）相比，这类材料不仅制造工艺更为简便，适用于低温和大面积制备，同时还能够通过分子设计或器件结构调控，实现对特定波段光的高效吸收与响应，具有轻量化、柔性化和高度集成等显著优势。

然而，目前基于钙钛矿和有机材料的光电二极管在器件稳定性、比探测率（D*）和响应速度等方面仍存在明显短板，且其在暗态下的噪声电流较大，限制了其实际应用的发展。这些问题主要源于材料自身的缺陷态、界面复合损耗以及器件结构的不完善，从而在稳定性、信噪比及长期运行可靠性方面带来了严峻挑战。

有鉴于此，帝国理工学院Davide Nodari， Nicola Gasparini等携手在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“Towards high and reliable specific detectivity in visible and infrared perovskite and organic photodiodes”的最新综述论文。研究人员系统总结了该类光电探测器的最新发展动态，重点围绕比探测率（D*）这一关键性能指标，深入分析了当前文献中对噪声电流的评估方式。团队还从材料设计出发，探讨了提升器件性能与环境稳定性的策略，涵盖钙钛矿组分调控、有机分子的能级匹配设计及界面工程的优化等方面。

此外，研究中还系统揭示了暗电流产生的根本原因，归因于材料本征特性、结构缺陷与器件工程三方面因素，并基于此提出了改进路径。通过整合先进的材料合成与器件构建方法，研究人员成功获得了多种性能优异的钙钛矿和有机光电二极管，其D*指标在紫外-可见光至近红外波段均达到了可与无机器件相媲美的水平。

展望未来，该领域亟需进一步打通从实验室研究到产业化应用的关键环节，重点突破器件长期稳定性、响应速度提升以及波段拓展等难点问题。通过交叉融合材料科学、器件物理与工程技术，有望推动下一代高性能、柔性化、低成本光电探测器在医疗诊断、环境监测、空间通信等领域实现广泛应用。

文章亮点

（1）文章首次系统总结了钙钛矿与有机光电二极管在紫外-可见光及近红外光探测领域的研究进展，明确了其相较于传统无机探测器在制造工艺、器件集成和应用场景方面的优势，得出了这类新型光电探测器具有低成本、柔性化和高光谱可调性的关键特征。

（2）文章深入讨论了影响器件性能的关键表征方法，特别强调了比探测率（D*）作为衡量光电二极管性能的核心指标。作者梳理了当前主流器件的结构设计与材料体系，归纳其在性能参数方面的最新成果。

（3）文章系统分析了限制器件性能进一步提升的根本原因，包括电荷复合过程、暗电流来源以及器件结构工程等关键因素，指出其主要受限于材料本征缺陷、器件设计不完善及界面不稳定性。

（4）最后，文章提出了未来研究的方向与技术创新路径，强调需进一步提升器件的长期稳定性、响应速度和比探测率，并扩展其光谱响应范围，以推动从实验室器件向实际应用的过渡。作者为实现下一代高性能、具商业化潜力的光电二极管绘制了发展蓝图。

图文解读

图1:多年来比探测率的演变。

图2:紫外-可见-近红外钙钛矿和有机光电二极管。

图3:光电二极管的暗电流限制。

图4:光电二极管中的电荷复合机制。

结论展望

钙钛矿与有机光电二极管凭借其性能指标可与无机光电探测器（PDs）媲美，同时在易于沉积和制造、可实现特定波段探测（如窄带探测）等方面具备独特优势，因此有望在传感器市场中占据一席之地。这些材料的未来发展方向主要集中在两个方面：一是有机PDs在红外（IR）和短波红外（SWIR）探测中的潜力，二是钙钛矿PDs的比探测率（D*）已接近10¹³ Jones的水平。未来的研究应重点致力于降低有机PDs中的暗电流密度（Jd），特别是针对波长超过1,100 nm的探测器。深入理解体材料与电极界面的缺陷引起的复合过程、漏电路径、空穴与电子传输/阻挡层的作用，将为红外探测技术的原型开发提供理论依据。这些理解同样有助于推进供体与受体材料的设计与合成。

此外，这些研究成果可以进一步用于推动自动化研究平台、人工智能与机器学习工具的高效运行，从而实现材料设计与器件制备之间的闭环优化，并达成廉价、简便的材料合成工艺。这对有机PDs尤为重要，因为溶液加工量子点已进入市场并构成潜在竞争，但尚未实现大规模量产。

在紫外-可见光（UV–Vis）波段，钙钛矿PDs表现出优于硅基PDs的性能。但目前其尚未广泛应用于近红外（NIR）光探测，主要原因在于低带隙锡基钙钛矿在工作条件下的不稳定性。如同在光伏领域所面临的问题，抑制这类低带隙钙钛矿的降解途径，将有望拓展其在超过900 nm波段的应用空间。一种优雅的策略是将有机与钙钛矿PDs组合成异质结结构或串联结构，实现从UV–Vis到NIR的高性能探测，其中有机PDs在300–900 nm范围内已展示出优异的D*值。若能在不增加Jd的前提下融合这两种材料，将进一步拓展其在NIR波段的光谱覆盖能力。

除了宽带探测，窄带探测也是有机与钙钛矿PDs的重要发展方向，可在特定能量范围内最大化信噪比。其中，电荷收集限域效应受到广泛关注，该策略通过结构调控实现对远离透明电极产生的载流子（体积生成）的选择性收集。该机制依赖于调节活性层与传输层的厚度，从而构建高光学密度与长寿命载流子的探测器。靠近透明电极处产生的电荷（表面生成）由于载流子输运不平衡而难以被有效收集，导致复合率升高、光谱响应降低；相反，对于低光学密度波长引起的体积生成，电荷收集更加平衡，从而降低输运损耗、提升光谱响应，其半高宽可低于100 nm。

对于有机PDs，实现电荷收集限域通常需要微米级厚度的体异质结（BHJ），其中器件形貌至关重要，供体–受体的垂直相分离有助于激子解离与电荷输运的调控。对于钙钛矿PDs，则通过调节钙钛矿层的厚度与组成也能实现电荷收集限域。限制某一类载流子的输运能力，有助于选择性控制体积生成的位置。

光电倍增效应常与电荷收集限域相结合。在有机光电倍增PDs中，极高的供体：受体比例可诱发类雪崩机制，使其外量子效率（EQE）在反向偏压（−20 V 至 −10 V）条件下超过100%。这种高比例导致电子与空穴之间的输运不平衡，并在电极附近形成严重的空间电荷区域，从而收窄了探测窗口。光诱导的空间电荷被认为可引起势垒变窄，从而在高反偏压下允许少数载流子的隧穿注入，产生光电倍增效应。类似地，通过在钙钛矿与有机半导体之间插入如PFN-Br等功能层，也能实现EQE超过100%的效果（即使在0 V偏压下）。该功能层在此起到光电子“阀门”的作用，使得在NIR区域内实现光电倍增成为可能。

此外，采用光学共振微腔结构也能实现有机PDs的窄带探测。在此结构中，一层弱吸收的光敏层夹在两个半反射电极之间，从而在特定波长下形成狭窄的光谱共振峰。

在实际应用层面，考虑钙钛矿与有机PDs的工作模式（自供电与反向偏压）至关重要。报告其在0 V偏压（自供电模式）下的性能，对于可穿戴电子器件与图像传感器的开发尤为关键。自供电设备可应用于低功耗场景，如健康监测信号采集或室内气体与光照传感器。反之，若将其集成于主动矩阵成像系统中，则需报告其在反偏状态下的Jd与D*值。商用成像器多依赖于互补金属氧化物半导体（CMOS）或硅基晶体管，其典型工作电压为−2 V至−5 V。因此，建立稳定性评价标准成为该领域的必要环节。目前稳定性测试多参考光伏标准，即在高强度照射（AM 1.5G）下进行，但这并不适用于低光强和低偏压运行的光探测器。因此建议针对PDs制定更贴合其实际工作条件的稳定性评价指南。

最后，钙钛矿与有机光电二极管不仅在UV–Vis和NIR领域展现出巨大潜力，也有望用于下一代X射线探测器。特别是，宽禁带钙钛矿可实现高能辐射的直接转换，而有机PDs则通过在光敏层中添加闪烁体来间接探测X射线。

综合考虑各项关键性能指标，钙钛矿与有机PDs有望解决当前无机PDs难以克服的实际技术难题。例如，刚性与柔性有机成像器可用于宽波段相机，从UV延伸至超过1,100 nm的NIR波段，超越硅器件的探测能力。这将拓展其在安防（夜视相机）与医疗（静脉成像、血氧监测）领域的应用。此外，通过器件工程的持续推进，如将像素尺寸缩小至微米级甚至纳米级（纳米间隙技术），有望克服传统RC延迟的限制，实现工作频率达百兆赫甚至千兆赫兹的快速响应PDs。结合钙钛矿PDs所展现的超低噪声电流特性，将进一步推动其在光通信与单光子计数等高端领域的应用落地。

综上所述，钙钛矿与有机光电二极管具备独特而优异的性能指标，可作为当前无机技术的有力补充乃至替代。深入理解其电荷复合机制将促进材料设计的进一步优化，借助计算工具与人工智能手段将加速该过程。最后，开展长期稳定性测试并实现其在成像器、相机与传感器中的实际应用，将推动这些技术走向商业化。

原文详情：

Nodari, D., Qiao, Z., Furlan, F. et al. Towards high and reliable specific detectivity in visible and infrared perovskite and organic photodiodes. Nat Rev Mater (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41578-025-00830-1