金属卤化物钙钛矿是指具有ABX3型结构的化合物，其中A为CH3NH3+、NH2CH=NH2+、Cs+等阳离子，B为Pb2+、Sn2+等阳离子，X为I-、Br-、Cl-等卤素阴离子，以金属离子为八面体核心、卤素离子为八面体顶角、有机或无机阳离子位于面心立方晶格顶角位置，构成三维骨架，使得晶体结构得以稳定（见图1）。金属卤化物钙钛矿兼具有机材料的可溶液加工特点和无机材料优异的光电性能，具有高吸收系数、长的激子扩散距离、高的载流子迁移率、低的激子结合能等优异的光物理性质
伴随信息技术及集成化设备的快速发展，新型光电器件要求弱光响应更快、光电转换效率更高、结构柔性化更强、制备工艺更简单、功能智能化更高以及价格成本更低等，金属卤化物钙钛矿作为一种新型功能材料，其光电器件表现出制备工艺简单、生产成本低廉、柔性性能优异、光电性能突出等特点，成为当前该领域科学研究的热点之一，在下一代发光、光伏及探测领域极具应用潜力。钙钛矿材料的研究近年连续入选热点前沿或新兴前沿，尤其在发光、光伏及探测领域，吸引了越来越多国内外研究者的兴趣，其背后深层次的基本科学问题及内部作用机制也在被不断挖掘。钙钛矿发光二极管（PeLEDs）是一种基于钙钛矿材料将电能转化为光能的半导体元件（见图2），近年来在照明、平板显示、医疗器件等领域显示了巨大的发展潜力和应用前景。自2014年剑桥大学报道首篇外量子效率（EQE)为0.76%的三维钙钛矿发光器件以来，经过短短五年的发展，近红外、红光和绿光钙钛矿发光器件的外量子效率均已突破20%。钙钛矿材料因兼具有机材料制备工艺简单、发光光谱可调节、高载流子迁移率、高的光致发光量子效率、低的缺陷态密度、高的色纯度、平衡的双极传输及可溶液处理等优点，PeLEDs的发展犹如雨后春笋，我国研究者在钙钛矿发光领域里的多个方向开创了全新的研究方法。
钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的新型太阳能电池（见图3），属于第三代太阳能电池，简称“钙钛矿光伏”。因具有结构简单、易加工、高效率、低成本以及大面积制备等突出优点，在下一代光伏器件方面有着诱人的应用前景。短短十年时间内，其光电转换效率从最初的3.8%快速提升至25.5%，已经赶上甚至超过传统硅基太阳能电池，成为光电“明星”材料。一直以来，钙钛矿光伏的研究主要集中于器件性能、稳定性、毒理性及大面积制备问题，为了进一步实现高效稳定的钙钛矿光伏，研究人员逐步聚焦于钙钛矿薄膜钝化、维度调控、新型溶剂体系开发及叠层器件设计等。
图3 钙钛矿太阳能电池结构示意图 (a) 正置结构； (b) 倒置结构
钙钛矿X射线探测器是基于钙钛矿半导体的X射线探测器（见图4）。自1895年，德国科学家伦琴发现X射线以来，X射线凭借其极强的穿透性和高强的光子能量的特点，在环境监测、医学诊断、工业无损检测、安全检查、核科学与技术、天文观测以及高能物理等领域广泛应用。近年来，由于具有可调节的光学带隙、较高的载流子迁移率、较高的外量子效率以及较长的载流子寿命和载流子扩散长度等优点，钙钛矿材料在光电探测领域中受到了极大的青睐。同样，越来越多的研究者将钙钛矿材料应用于X射线探测的制备。相比于传统的无机半导体X射线探测器，基于金属卤化物钙钛矿材料的X射线探测器有更好的衰减系数、载流子寿命迁移率乘积（μτ）足够大、更高的电阻和灵敏度，展现出钙钛矿材料独特的优势。
图4 钙钛矿X射线探测器示意图 (a) 垂直结构； (b) 平面结构2015年，南京工业大学黄维院士团队王建浦教授报道了外量子效率为3.5%的钙钛矿发光二极管，为当时的最高纪录，也是国内在此领域的首篇论文。随后黄维院士团队王建浦教授通过调控组分，利用溶液自组装方法构建了准二维层状钙钛矿，具有自然形成的多量子阱结构，从而提高发光区域激发态浓度、抑制缺陷态导致的非辐射复合，首次实现“钙钛矿LED外量子效率突破10%”。该成果入选2016年度“中国高校十大科技进展”。随后通过揭示钙钛矿LED效率滚降的物理起源，通过调节量子阱阱宽进一步制备在500 mA cm-2大电流密度下仍可保持约10%外量子效率的高效、稳定的钙钛矿LED，再次刷新了当时钙钛矿发光器件性能的世界纪录。2018年，黄维院士团队王建浦教授利用添加剂自组装形成低缺陷、亚微米结构钙钛矿薄膜，显著提高了LED的光提取效率，器件外量子效率达到20.7%，在100 mA cm-2的电流密度下能量转化效率达到12%，与目前市场上的有机发光二极管（OLED）性能相当，在高亮度条件下的能量转化效率甚至优于OLED，实现了PeLEDs领域的重大突破。Nature期刊在当期新闻评论以“LED技术突破性能屏障”为题详细报道该工作，高度评价这一工作为“PeLEDs发展的里程碑”。该成果入选了2018年度“中国科学十大进展”30项候选。2018年，南京理工大学曾海波教授团队宋继中教授使用有机/无机杂化配体来钝化钙钛矿量子点，获得了外量子效率高达16.48%，相应的内量子效率和发光效率分别为74.2%和66.7 cd A-1。该策略不仅有效地减少了量子点的表面缺陷位点，抑制了非辐射复合，而且短链无机配体的引入能够显著改善载流子的注入和传输性能，进而提升器件的复合效率。北京理工大学钟海政教授团队首次引入了3,3-二苯丙胺溴化物（DPPA-Br）作为配体原位制备钙钛矿纳米晶薄膜的制备方法。该团队监控了形成过程并说明了配体辅助沉淀（LARP）流程的重要作用。通过优化制膜工艺，可以获得由5-20 nm的高质量FAPbBr3纳米晶薄膜，最终得到最大外量子效率为16.3%和最大电流效率为66.3 cd A-1的绿光发光二极管。同年，华侨大学魏展画教授团队通过简单的一步法制备得到具有CsPbBr3@MABr准核壳结构钙钛矿薄膜，壳层的MABr有效钝化了CsPbBr3晶体的非辐射复合缺陷态，同时在钙钛矿发光层和电子传输层中插入超薄有机玻璃（PMMA)阻挡层，进一步平衡了电子和空穴的注入速度，将绿光PeLEDs的外量子效率提高到20.3%，展现出的器件工作寿命T50超过100 h，有力地推动了钙钛矿LED的研究和产业化进程。这项国内成果被《Nature》邀请的领域专家评述为“突破性成果，是钙钛矿材料在LED中应用的里程碑式跨越，使PeLEDs技术突破性能障碍，将推动PeLEDs的产业化发展”。总体来说，目前我国在PeLEDs研究方面处于世界领先地位，特别是在高亮度、高稳定性钙钛矿发光器件方面，已经取得具有自主知识产权且有世界影响力的创新成果。多晶钙钛矿薄膜的大量缺陷对器件中的载流子复合和离子迁移有着重要影响，研究有效的钝化策略及明晰其中的作用机制，是实现高效稳定钙钛矿光伏的关键。2014年，Jen团队首次在钙钛矿前躯体溶液中引入1,8-二碘辛烷来抑制离子迁移、减少非辐射复合，使效率从7%提高至11.8%。2018年，中国科学院半导体研究所游经碧研究员团队将苯乙基碘化铵钝化用于表面缺陷钝化，电池效率由22.7%提高至23.32%，刷新了当时钙钛矿太阳能电池的世界效率。2019年，Kim团队通过氯甲胺稳定了钙钛矿结构使单节钙钛矿器件效率突破了24.2%。同年，美国可再生能源国家实验室报道了钙钛矿太阳能电池的最高效率25.2%，接近Shockley-Queisserlimit理论值。2019年北京大学周欢萍团队在钙钛矿活性层中引入具有氧化还原活性的Eu3+-Eu2+的离子对，实现了全寿命周期内的本征缺陷的消除，在连续太阳光照或85 ℃加热下可以稳定1000 h以上。同年，瑞典林雪平大学高峰团队将离子液体加入到钙钛矿薄膜中，显著提高了器件的长期稳定性。表面陷阱诱导的非辐射电荷复合是实现高效稳定钙钛矿光伏电池的主要限制，钙钛矿晶格的离子特性通过官能团和缺陷之间的相互作用使分子缺陷钝化方法成为可能。然而，目前缺乏对分子构型如何影响钝化效果的深入了解以至于对合理的分子设计提出了挑战。2019年苏州大学王照奎团队通过碱、咖啡因和可可碱系统地研究了官能团的化学环境对缺陷钝化的影响。当分子中N-H和C=O处于最佳构型时，N-H和I（碘）之间的氢键形成有助于主要的C=O与空位Pb（铅）缺陷的结合，从而最大化钝化表面缺陷。从而提高钙钛矿太阳能电池的转化效率和长期稳定性。与传统的三维（3D）卤化物钙钛矿太阳能电池材料相比，二维Ruddlesden-Popper（2DRP）层状钙钛矿因其提高的耐湿性、优异光稳定性和热稳定性、超低的自掺杂行为和显著降低的离子迁移效应而成为钙钛矿光伏的研究热点。2016年，美国Tsai团队使用丁胺碘酸盐制备的二维层状钙钛矿太阳能电池在未封装的情况下，在恒定的标准（AM 1.5G）照明下的稳定性超过了2250 h，但器件效率仅为12.52%，远低于3D钙钛矿太阳能电池。2020年，黄维院士团队陈永华教授创新性地引入一种含S原子的有机胺构建二维层状钙钛矿太阳能电池，通过S元素之间的相互作用实现层间相互作用有效调控，器件效率达到18%以上，同时器件在最大功率输出点可以连续工作1000 h以上，且仍保持其初始效率的87.1％。二维层状钙钛矿太阳能电池在实现高性能的情况下是实现商业化应用最有希望的材料之一。虽然在钙钛矿太阳能电池的稳定性上取得了多项突破，但距离商业化光伏25年的寿命标准仍然有一段路要走。钙钛矿薄膜所使用的高沸点、非质子极性溶剂的毒性问题一直是钙钛矿光伏商业化发展面临的挑战。2017年，Snaith团队使用甲胺和乙腈混合溶剂实现了钙钛矿室温下快速结晶来制备钙钛矿薄膜，但乙腈蒸气与空气可形成爆炸性混合物，遇明火、高热或与氧化剂接触，有燃烧爆炸的危险。2019年，黄维院士团队陈永华教授开发了一种全新的离子液体溶剂醋酸甲胺（MAAc）制备钙钛矿光伏器件。该离子液体具有无味、无恶臭、无污染、不易燃、蒸汽压极低、良好的热稳定性和化学稳定性等优点，是传统挥发性溶剂的理想替代品。使用MAAc离子液体制备钙钛矿薄膜，优势不仅仅体现在对环境友好、无毒无害等方面，且可以在空气中（相对湿度20%-80%），无需惰性气体保护下实现一步成膜且无需反溶剂，有效避免了有毒溶剂的使用。这种溶剂还可以调控结晶过程、钝化晶界等。所制备的钙钛矿薄膜覆盖全、无针孔、晶粒尺寸大并且表现出极其优异的稳定性，这对于钙钛矿光伏的发展具有巨大的推动作用。叠层技术是进一步提高效率从而降低光伏发电成本的有效途径，钙钛矿太阳能电池相比硅太阳能电池，能更有效地利用高能量的紫外和蓝绿可见光，而硅太阳能电池可以有效地利用钙钛矿材料无法吸收的红外光，因此，通过叠层方式组合这些高效的单电池，可以突破传统硅基光伏电池的理论效率极限，进一步提升硅光伏电池的效率。2020年3月，《科学》连续报道3篇有关钙钛矿与硅的叠层太阳能电池的最新进展。美国科罗拉多大学团队通过氯元素调控，实现了钙钛矿/硅叠层太阳能电池27%的最高能量转化效率。在国内，南开大学张晓丹团队经过多年探索并成功构建新型隧穿结，不仅实现了低光电损失，还具光谱分配功能，能将不属于本层子电池的“迷路”光子送至对应层子电池。得益于此，实现了国内同类电池中最高认证效率22.53%的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池。最近，德国海姆霍兹柏林材料所（HZB）创造的单结钙钛矿-硅叠层太阳能电池的认证效率为29.15%，突破了牛津光伏公司之前报道的28%效率。2019年，南京大学谭海仁教授团队通过减少锡中空位的策略实现了全钙钛矿串联电池小面积器件（0.049 cm2）的认证效率24.8％，大面积器件的效率22.1％（1.05 cm2）。2020年谭海仁教授团队使用甲脒亚磺酸盐（FSA）作为表面锚定剂，即一种强还原性两性离子分子在窄带隙子电池的效率，均匀性和稳定性方面的增强。进一步，在1 cm2面积的全钙钛矿串联电池中获得了24.2％的认证效率。而对于0.049 cm2和12 cm2的设备，在实验室测试的器件效率分别为25.6％和21.4％。在54-60 ℃条件下，封装后的串联设备连续工作500 h后，仍能保持其88％的初始性能[48]。尽管钙钛矿叠层太阳电池的光电转换效率目前还不算很高，但其发展速度极快，已是全球顶尖科研机构和大型跨国公司的研究热点。然而，相比于国际研究进展，我国在钙钛矿叠层技术方面仍然研究较少。因此，国内相关研究者应该重视钙钛矿叠层太阳能电池的研究，尤其在钙钛矿/硅叠层太阳能电池上。2015年，奥地利约翰·开普勒林茨大学Heiss教授团队报道了第一例基于三维钙钛矿MAPbI3多晶薄膜钙钛矿X射线探测器，灵敏度为25 μC mGyair-1cm-2，晶粒之间的缺陷导致灵敏度低。2016年，美国北卡罗来纳大学黄劲松教授团队报道了基于6 mm的MAPbBr3钙钛矿单晶X射线探测器，其μτ值为1.2×10-2cm2 V-1，灵敏度提高到80 μC Gyair-1cm-2。同年，华中科技大学唐江教授团队报道了基于3×3×2 mm3尺寸的Cs2AgBiBr6单晶X射线探测器，灵敏度为105 μC Gyair-1cm-2，探测极限为59.7 nGyair s-1。在液氮的条件下，灵敏度达到998 μC Gyair-1cm-2。与三维钙钛矿相比，二维钙钛矿具有更高的稳定性，抑制性的离子迁移，更强的自缺陷态和载流子传输的各向异性。2019年，中科院福建研究所的孙志华教授团队报道了基于BA阳离子的约10 mm尺寸大小的(BA)2CsAgBiBr7双钙钛矿单晶X射线探测器，并获得了4.2 μC Gyair-1cm-2的灵敏度。同年，罗军华教授团队制备了尺寸为3 mm大小的(BA)2EA2Pb3Br10钙钛矿单晶X射线探测器，具有超高的灵敏度6.8 × 103μC Gyair-1·cm-2。近日，黄维院士团队陈永华教授与陕西师范大学刘生忠教授团队赵奎教授报道了一种大尺寸、高质量的二维钙钛矿单晶(BDA)PbI4的X射线探测器，获得了242 µC Gyair-1 cm-2的灵敏度、430 nGyair s-1的低探测极限、7.3 ms的短响应时间、6.06×10-9 nA cm-1 s-1 V-1的低暗电流基线漂移、以及极好的稳定性。说明基于直链双胺阳离子的AA′n−1MnX3n+1型二维钙钛矿单晶在X射线探测应用的巨大潜力。同时，基于非铅基钙钛矿单晶X射线探测器也收获了可喜的成果。陕西师范大学刘生忠教授团队报道了厘米尺寸的零维非铅钙钛矿单晶Cs3Bi2I9的X射线探测器，探测器具有1652.3 μC Gyair-1cm-2的灵敏度和130 nGyair s-1的低探测极限剂量率，这在医学诊断中是极其重要的。闪烁体是一类可以将电离辐射转化为可见光或者紫外光的材料，可用于辐射探测、安全防护和商业诊断成像等领域，通常在应用中将其加工成晶体，称为闪烁晶体。近年来，随着各领域对辐射探测材料的不断增加的需求，对于闪烁体的研究也越来越深入。2018年，西北工业大学黄维院士团队报道了一种含有Cs和Pb的全无机钙钛矿纳米晶闪烁体，这些纳米晶闪烁体表现出超强的X射线吸收，并在可见光区域表现出明显的辐射发光行为。基于此优异的特征，研究人员集成制造出高灵敏度的X射线探测器，探测极限可达到13 nGyairs-1，是典型医学成像辐射剂量的1/400，为钙钛矿闪烁体的进一步研究提供了动力。2019年，济南大学的刘宏教授团队成功合成一种理想的闪烁体材料—全无机钙钛矿CsPbBr3纳米片，并通过自组装技术生成均匀平整的大面积固态闪烁体薄膜，成功应用于X射线高分辨成像。研究人员用普通单反相机和迷你X光机组成了简单的原型机，得到了非常清晰的图像。这项工作提供了一种制作大面积低成本X射线闪烁屏的方法，并为液体闪烁屏的开发提供了可能性。第一篇 总论/ 001
第1章 我国新材料基础研究的现状、机遇与挑战/ 002
第二篇 前沿新材料/ 015
第2章 拓扑电子材料/ 016
第3章 六元环无机材料/ 036
第4章 有机光电功能半导体分子材料/ 064
第5章 梯度纳米结构材料/ 082
第6章 柔性超弹性铁电氧化物薄膜/ 098
第7章 集成电路用碳纳米管材料/ 113
第8章 新一代分离膜材料：二维材料膜/ 135
第9章 材料素化/ 154
第三篇 战略新材料/ 169
第10章 空间材料科学研究/ 170
第11章 生物医用纤维材料/ 194
第12章 钙钛矿发光、光伏及探测材料/ 211
第13章 新型超高强度钢及其强韧化设计/ 229
第14章 存储器芯片材料/ 247
第15章 先进半导体关键器件材料/ 278
第16章 热电能源材料/ 295
第17章 燃料电池氧还原催化关键材料/ 314
第四篇 基础创新能力提升/ 335
第18章 材料基因工程关键技术与应用/ 336
第19章 基于先进同步辐射光源的金属材料研究与创新平台建设/ 360
第20章 基于透射电镜的原位定量测试技术及应用/ 388