自20世紀(jì)以來，以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的光電子器件（如太陽能電池、光電探測(cè)器、發(fā)光二極管及半導(dǎo)體激光器等）的開發(fā)與應(yīng)用引發(fā)了新一輪產(chǎn)業(yè)革命，也極大地改變了人們的生產(chǎn)和生活方式。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)半導(dǎo)體光電子器件的需求日益多樣化。目前，商用光電子器件廣泛使用的晶硅（Si）、碲化鎘（CdTe）、砷化鎵（GaAs）等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料通常由高溫電爐反應(yīng)、分子束外延或有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積等復(fù)雜工藝制成，這些工藝對(duì)半導(dǎo)體薄膜純度和生產(chǎn)設(shè)備要求極高，能耗和生產(chǎn)成本也居高不下。此外，高溫工藝還限制了傳統(tǒng)光電子器件的柔性化制備和在柔性可穿戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本、易低溫制備和高性能新型半導(dǎo)體材料對(duì)光電子器件的發(fā)展具有重要意義。2009年，有機(jī)�矡o機(jī)金屬雜化鈣鈦礦用作光吸收材料被應(yīng)用到光伏器件中，展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)與電學(xué)性能，拉開了鈣鈦礦光伏器件研究的序幕。一般來說，把和CaTiO3構(gòu)型相同的晶體叫作鈣鈦礦，其結(jié)構(gòu)通式為ABX3。對(duì)于有機(jī)�矡o機(jī)雜化鈣鈦礦來說，A位一般是有機(jī)陽離子（CH3NH 3或NH2CHNH 2），B位是金屬離子（Pb2 、Sn2 、Eu2 等），X位則通常是鹵素陰離子（I-、Br-等）。得益于鈣鈦礦半導(dǎo)體出色的光電特性（包括光吸收系數(shù)和缺陷容忍度高、激子結(jié)合能與表面復(fù)合率低、載流子傳輸距離和載流子壽命長(zhǎng)、雙極性載流子傳輸與禁帶可調(diào)等）及材料改性、缺陷鈍化、界面工程及溶劑工程等技術(shù)的不斷進(jìn)步，短短數(shù)年，雜化鈣鈦礦太陽能電池的認(rèn)證光電轉(zhuǎn)化效率從*初的3.8%提高至25.7%，超過了商業(yè)化多晶硅太陽能電池以及銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘薄膜太陽能電池效率，正逐接近單晶硅太陽能電池效率并有望達(dá)到硅基的Shockley�睶ueisser理論極限，而且其原材料用量?jī)H為晶硅的1/1000，成本不到晶硅組件的50%，是一種顛覆性很強(qiáng)的新型光伏材料，給人類應(yīng)對(duì)能源危機(jī)提供了新機(jī)遇。隨著2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和這雙重目標(biāo)的構(gòu)建，世界能源多元化、清潔化、低碳化趨勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)，能源和資源版圖正在發(fā)生深刻變化，越來越多的國(guó)家都在朝著清潔、低碳能源的方向發(fā)展�！�2022中國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》將鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)列為能源新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)與重點(diǎn)任務(wù)�！吨袊�(guó)工程科技2035發(fā)展戰(zhàn)略》指出，鈣鈦礦太陽能電池的基礎(chǔ)研究與產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)是可再生能源工程科技發(fā)展的重要任務(wù)。鈣鈦礦半導(dǎo)體材料在光伏器件領(lǐng)域取得的巨大成功，再加上鈣鈦礦薄膜易于低溫制備（如旋涂、刮涂、滴涂與噴墨打印等）的特點(diǎn)，極大地鼓舞了研究者們將這種夢(mèng)幻材料應(yīng)用到其他各類型光電子器件的研發(fā)中，并已經(jīng)取得了一系列成果。十幾年來，鈣鈦礦光電子器件方面的研究不斷取得進(jìn)展，100余篇高水平論文發(fā)表于國(guó)際一流學(xué)術(shù)刊物Science和Nature，并被Science期刊評(píng)為2013年度十大科學(xué)進(jìn)展之一，這也充分體現(xiàn)了鈣鈦礦光電子器件的研究熱度和該領(lǐng)域的前沿性。引入碳電極后，鈣鈦礦光伏器件制造成本進(jìn)一步大幅降低，器件的穩(wěn)定性大大提高，使碳電極鈣鈦礦器件成為具有廣闊發(fā)展前景的光伏技術(shù)之一。然而，器件在制造過程中涉及多種光電材料的宏微納跨尺度結(jié)構(gòu)的精確形成與功能界面優(yōu)化，材料相變、晶化等行為復(fù)雜，功能結(jié)構(gòu)本征缺陷密度高，界面能級(jí)失配嚴(yán)重，光生載流子輸運(yùn)受阻，且環(huán)境因素（濕、熱、光等）仍會(huì)對(duì)鈣鈦礦材料造成不可逆的損傷等問題，這些問題嚴(yán)重制約了器件效率和穩(wěn)定性的提升，急需突破。本書內(nèi)容是作者所在課題組在*創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)微納制造與納米測(cè)量技術(shù)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高效穩(wěn)定大面積鈣鈦礦太陽電池關(guān)鍵技術(shù)及成套技術(shù)研發(fā)、國(guó)家自然科學(xué)基金基于鈣鈦礦的高效微能源器件可控制備研究仿生微納制造與應(yīng)用研究染料敏化太陽能電池光陽極結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)與可控制備面向圖像傳感的超高速自驅(qū)動(dòng)柔性鈣鈦礦光電探測(cè)器可控制備研究等項(xiàng)目支持下的研究成果，包含了課題組許多已畢業(yè)的博士、碩士合作者所做的工作，大部分來自與他們合作發(fā)表的論文。他們是筆者和廖廣蘭教授的研究生，包括劉智勇博士、劉星月博士、孫博博士、葉海波博士、韓京輝博士、涂玉雪碩士等。在此，向他們表示衷心的感謝和崇高的敬意！由于鈣鈦礦光電子器件一直是光伏與光電子領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，涉及的學(xué)科多、發(fā)展快，加上作者水平有限，在取材和論述方面難免存在不足與疏漏之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。史鐵林2022年11月7日于喻家山