钙钛矿半导体是一类具有独特晶体结构和优异光电性能的材料，近年来在太阳能电池、发光二极管（LED）、光电探测器等领域展现出巨大的应用潜力。
其化学式通常为ABX3，其中A为较大的阳离子（如有机阳离子MA⁺、FA⁺或无机阳离子K⁺、Rb⁺、Cs⁺），B为较小的金属阳离子（如Pb2+、Sn2+），X为卤素阴离子（如Cl⁻、Br⁻、I⁻）。
这种结构赋予了钙钛矿材料丰富的物理和化学特性，使其在光电子器件中具有广泛的应用前景。
钙钛矿半导体的晶体结构
钙钛矿的晶体结构是其性质的基础。其典型结构为ABX3型，其中B位由金属离子占据，被12个X离子包围形成一个正八面体结构，而A位则位于八面体之间的空隙中，被6个X离子包围形成一个八面体。
这种结构使得钙钛矿材料在晶体排列上具有高度的对称性和稳定性，同时也为材料的电学和光学性质提供了良好的基础。
钙钛矿的晶体结构可以是正交、四方或立方结构，具体取决于A、B和X的种类和比例。例如，CH3NH3PbI3（甲胺铅碘钙钛矿）通常具有正交结构，而CsPbBr3（铯铅溴钙钛矿）则具有立方结构。
这种结构的多样性使得钙钛矿材料在带隙调控、载流子迁移率、缺陷容忍性等方面表现出高度的灵活性。
钙钛矿半导体的电学性质
钙钛矿半导体的电学性质是其在光电器件中应用的关键。研究表明，钙钛矿材料具有高吸收系数、长载流子扩散长度、高载流子迁移率、低缺陷浓度和浅能级缺陷等优点。这些性质使其在太阳能电池、LED和光电探测器中表现出优异的性能。
载流子迁移率与扩散长度
钙钛矿材料的载流子迁移率较高，这使得其在光电器件中能够高效地传输电荷。例如，Stranks等人通过瞬态吸收和光致发光淬灭测量发现，混合卤化物钙钛矿（CH3NH3PbI3-xClX）的电子–空穴扩散长度超过1微米，远高于传统半导体材料的扩散长度。
这种长扩散长度使得钙钛矿材料在太阳能电池中能够有效分离光生载流子，从而提高器件的光电转换效率。
钙钛矿半导体的电学性质可以通过掺杂进行灵活调控。掺杂后，钙钛矿的费米能级从带隙的高能级侧逐渐向低能级侧移动，从而实现了从有利于传导电子的n型到有利于传导空穴的p型的转变。
这种调控机制为钙钛矿材料在异质结器件中的应用提供了理论基础和技术支持。
缺陷容忍性
钙钛矿材料具有较高的缺陷容忍性，这与其独特的晶体结构密切相关。在钙钛矿中，缺陷通常以浅能级形式存在，不会显著影响材料的电学性能。
相比之下，传统半导体材料中的缺陷往往以深能级形式存在，会严重降低器件的性能。因此，钙钛矿材料在实际应用中表现出更高的稳定性和可靠性。
钙钛矿半导体的光学性质
钙钛矿材料的光学性质也是其在光电器件中应用的重要因素。其带隙可通过化学组成进行调控，从而覆盖整个可见光谱范围。例如，通过调整卤素的比例（如Br和I的混合），可以实现钙钛矿带隙的连续调节，使其适用于不同波长的光吸收。
此外，钙钛矿材料具有高荧光量子产率和低激子束缚能，使其在LED和激光器中表现出优异的性能。
吸收系数与带隙调控
钙钛矿材料的吸收系数非常高，尤其是在可见光和近红外区域。其带隙可通过化学组成进行精确调控，从而实现对光吸收范围的优化。例如，CH3NH3PbI3的带隙约为1.55eV，适合用于太阳能电池的光吸收。
而通过引入溴离子，可以进一步降低带隙，使其适用于更宽的光谱范围。
光致发光（PL）特性
钙钛矿材料的光致发光特性与其带隙和缺陷状态密切相关。研究表明，钙钛矿的PL峰通常位于其带隙边缘附近，且具有较高的量子产率。
这种特性使其在LED和激光器中具有广泛的应用前景。例如，浙江大学团队通过分子掺杂技术，实现了钙钛矿LED的亮度提升，刷新了溶液法LED的亮度纪录。
钙钛矿半导体的制备与应用
钙钛矿材料的制备方法多样，包括溶液旋涂法、溶胶–凝胶法、气相沉积法等。其中，溶液旋涂法因其低温工艺和成本低廉的优势，成为目前最常用的制备方法之一。此外，钙钛矿材料还可以通过二维层状结构的生长实现，以进一步提高其电学和光学性能。
太阳能电池应用
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是目前研究最广泛的钙钛矿应用之一。其结构通常包括钙钛矿吸收层、电子传输层和空穴传输层。
研究表明，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从2009年的3.8%提升至目前的25.2%。这种高效率主要得益于钙钛矿材料的高吸收系数、长载流子扩散长度和低缺陷浓度。
发光二极管（LED）应用
钙钛矿材料在LED中的应用也取得了显著进展。其高荧光量子产率和低激子束缚能使其在LED中表现出优异的性能。
浙江大学团队通过分子掺杂技术，实现了钙钛矿LED的亮度提升，刷新了溶液法LED的亮度纪录。此外，钙钛矿材料还可以通过调控其化学组成和结构，实现颜色可调的LED器件。
光电探测器应用
钙钛矿材料在光电探测器中的应用也受到广泛关注。其高吸收系数和低激子束缚能使其能够高效地响应光信号，并产生电信号。研究表明，钙钛矿光电探测器具有较高的响应度和探测率，适用于多种光谱范围。