《光电材料的研究》课件

光电材料的研究欢迎参加《光电材料的研究》专题讲座本次讲座将深入探讨光电材料的基础理论、分类特性、制备技术、表征方法及其广泛应用领域，同时展望未来研发趋势光电材料作为现代光电子技术的基础，在能源、通信、显示、照明等领域扮演着关键角色通过本次系统介绍，希望能为大家提供全面的技术视角和研究方向北京大学物理学院诚挚邀请各位专家学者共同探讨光电材料领域的创新与突破，共谋学科发展目录光电材料基础概念介绍光电材料的定义、光电效应原理、基本参数及量子特性光电材料分类与特性详细阐述各类光电材料的分类体系及其独特性质光电材料的制备方法探讨外延生长、薄膜制备、溶液法和纳米结构制备技术光电材料的表征技术介绍结构、光学、电学及光电性能的表征与测试方法光电材料的应用领域展示在太阳能、探测器、发光、激光器等领域的广泛应用研究前沿与发展趋势分析最新研究进展及未来发展方向第一部分基础概论核心概念发展历程研究意义光电材料是能够响应光信号并将其转自年贝克勒尔效应被发现以来，光电材料是解决能源危机、信息通信1839换为电信号的功能材料，是现代光电光电材料经历了从简单无机半导体到革命和新型显示技术的关键，市场规子技术的基础通过深入理解光电效复杂异质结构、量子尺寸结构的演变，模巨大，技术创新空间广阔，具有重应原理，可以设计出高性能光电器件技术不断突破要的科学价值和经济意义什么是光电材料？定义与本质历史发展光电材料是指能够响应光信号并将其转换为电信号的功能材料，光电材料的研究可追溯至年亚历山大贝克勒尔发现的光1839·实现光能与电能的相互转换这种转换基于材料内部的光电效应，生伏特效应，随后爱因斯坦于年对光电效应的解释奠定了1905使光子能量能够激发电子跃迁，产生电流或电压信号理论基础从世纪年代的硅光电池，到年代的化合物半导体，再205070典型的光电材料包括半导体材料、有机分子材料、复合材料等到世纪的量子点、二维材料和钙钛矿材料，光电材料经历了21它们通过独特的电子结构和能带特性，实现光电信号的有效转换快速发展年，全球光电材料市场规模已达亿美元，年增长率20243500保持在以上，显示出强劲的发展势头12%光电效应基本原理光生载流子产生光子激发电子从价带跃迁到导带载流子分离与迁移在内建电场或外加电场作用下定向运动电信号形成产生电流或电压输出信号光电效应分为内光电效应和外光电效应两种主要类型内光电效应发生在材料内部，光子能量使电子在材料内部发生跃迁，但电子不离开材料表面；外光电效应则是光子能量足够大时，电子可以克服材料的功函数逃逸到真空中量子效率是衡量光电转换效率的重要参数，定义为产生的电子数与入射光子数之比不同材料的量子效率差异很大，从到不等，是材25%90%料设计的核心指标之一能带理论为理解光电效应提供了理论框架，载流子在能带间的跃迁与迁移决定了材料的光电性能光电材料的基本参数禁带宽度吸收系数禁带宽度决定了材料的光学吸收边界，通常范围在之间吸收系数表征材料对光的吸收能力，典型值在⁻范围

0.5-

3.5eV10³-10⁵cm¹小禁带宽度材料（如锗，）适合红外探测，中等禁带宽度内直接带隙材料（如）的吸收系数高于间接带隙材料（如

0.67eV GaAs材料（如硅，）适合可见光转换，大禁带宽度材料（如），对应的材料厚度可以更薄，这对薄膜器件设计至关重要

1.12eV Si，）则适合紫外探测和发射GaN

3.4eV载流子迁移率量子效率与响应度载流子迁移率影响电荷传输效率，范围从有机材料的到量子效率描述光子转化为电子的效率，响应度则定义为输出电流与1cm²/V·sIII-V族化合物半导体的10⁴cm²/V·s不等高迁移率意味着更快的入射光功率的比值（A/W）这两个参数共同决定了光电器件的灵响应速度和更高的电流收集效率，是高性能光电器件的关键指标敏度和输出信号强度，是光电材料性能评价的重要指标光电材料的量子特性量子限制效应基础电子在纳米尺度结构中的波函数发生局域化量子结构类型从二维量子阱到零维量子点的维度调控尺寸效应纳米尺寸直接影响光电性能和能带结构光电材料的量子特性主要体现在纳米尺度结构中量子阱是电子在一个维度上受到限制的二维结构，典型厚度为；量子线则是电子在2-20nm两个维度受限的一维结构；量子点是在三个维度都受限的零维结构，直径通常在范围内2-10nm随着材料尺寸减小到德布罗意波长量级，量子限制效应变得显著，导致能级离散化和禁带宽度增大例如，量子点的禁带宽度可从体材料CdSe的增大到，发光波长相应地从红色调控至蓝色这种尺寸依赖的光电特性为设计新型光电器件提供了丰富的调控手段

1.7eV

2.8eV第二部分光电材料分类与特性按维度分类按组成分类三维材料无机材料二维材料有机材料一维纳米线复合材料零维量子点按制备方法按功能分类单晶材料发光材料薄膜材料探测材料纳米材料光伏转换材料光电材料的分类体系多元而复杂，不同的分类角度反映了材料科学研究的多维度特性合理的分类不仅有助于系统性理解各类材料的特点和优势，也为新型材料的设计和开发提供了科学框架光电材料分类体系按组成分类无机光电材料包括元素半导体和化合物半导体，具有良好的稳定性和高迁移率；有机光电材料具有柔性好、成本低的优势；复合材料则结合两者优点，如有机无机杂化钙钛-矿按维度分类三维体材料是传统光电器件的基础；二维材料如石墨烯和过渡金属二硫化物具有独特的层状特性；一维纳米线纳米管提供优异的电荷传输通道；零维量子点则展现出量子限/制效应和可调光学特性按应用分类发光材料用于和激光器；探测材料用于光电探测器；转换材料主要应用于光伏太LED阳能电池不同应用对材料的禁带宽度、吸收系数和载流子迁移率等有不同要求按制备方法分类薄膜材料通过、等方法制备，适合大面积应用；单晶材料具有最佳的光电性PVD CVD能但成本较高；纳米材料通过化学合成方法制备，具有量子效应和表面效应制备方法直接影响材料的微观结构和宏观性能无机半导体光电材料材料类型典型代表禁带宽度量子效率主要应用eV%元素半导体、、太阳能电池、光Si Ge

1.

120.6715-25电探测器族、、、、高效太阳能电池、III-V GaAsInP

1.

421.3525-

35、激光器GaN

3.4LED族、、、、薄膜太阳能电池、II-VI CdTe ZnO

1.

53.

33.715-30紫外器件ZnS族、、红外探测IV-VI PbSPbSe

0.

40.2710-

200.8-3μm无机半导体是最传统也是最成熟的光电材料元素半导体中的硅因其丰富的资源和成熟的工艺而占据主导地位，虽然作为间接带隙半导体吸收系数较低，但通过表面织构和钝化技术可实现较高效率族化合物半导体如具有直接带隙特性，吸收系数高，量子效率可达以上，但成本较高III-V GaAs30%族材料中的是薄膜太阳能电池的主要材料，而则因其宽禁带特性适用于紫外探测和透明II-VI CdTeZnO电极族材料主要用于红外探测，波长响应范围可达IV-VI

0.8-3μm硅基光电材料单晶硅由直拉法或区熔法生长，具有规则的晶格结构和最高的电子迁移率（约），是高1500cm²/V·s效太阳能电池和精密光电探测器的首选材料但制备成本高，典型厚度为180-200μm多晶硅由定向凝固法制备，由多个取向不同的晶粒组成，迁移率较单晶硅低（约），100-500cm²/V·s成本适中，广泛应用于商业太阳能电池，光电转换效率可达18-20%非晶硅通过等方法沉积，无长程有序结构，载流子迁移率低（约），但可制备大面PECVD1cm²/V·s积薄膜（厚度），成本低，适合对效率要求不高的应用，如薄膜太阳能电池和光敏电阻1μm除了传统的单晶、多晶和非晶硅外，硅基异质结构如异质结可通过能带工程实现更优的光电性能Si/Ge多孔硅因纳米结构引起的量子限制效应，可展现出体硅所没有的发光特性，在生物传感和光电探测领域有潜在应用硅基光电器件的效率提升策略包括表面钝化、减反射涂层、背面场技术和先进的接触设计等虽然硅是间接带隙半导体，理论效率受限，但通过这些优化手段，单晶硅太阳能电池的效率已突破，接近理论极26%限族化合物半导体III-V特性与应用与蓝光革命能带调控与异质结构GaAs GaN砷化镓是最重要的族光电材料，具氮化镓拥有的宽禁带，是蓝光通过改变族化合物的成分比例，可III-V

3.4eV III-V有的直接带隙和高达和激光器的核心材料通过与以精确调控禁带宽度例如，

1.42eV8500LED的电子迁移率其高吸收系数形成量子阱结构，可实现高效率₁₋的禁带宽度可从cm²/V·s InGaNInₓGaₓAs（⁻）使得仅需几微米厚度即蓝光和绿光发射还具有高击穿电到连续调10⁴cm¹GaN

0.36eVInAs

1.42eVGaAs可吸收大部分太阳光，适合制作高效太场强度，适合高功率器件节这使得可以设计出覆盖从红外到紫阳能电池（效率）和高速光电探测外全光谱范围的光电器件29%蓝色和白色•LED器生长工艺的关键参数包括生长紫外探测器MOCVD•高频电子器件温度（通常℃）、比•600-1100V/III高功率电子器件•（通常）和生长速率（约高效太阳能电池20-1001-•）量子阱结构的典型厚度为3μm/h红外和激光器•LED，实现了载流子的有效限制10-20nm族光电材料II-VI

1.5eV

3.3eV禁带宽度禁带宽度CdTeZnO接近太阳光谱最佳匹配值适合紫外光电探测与透明电极10⁵吸收系数⁻CdTe cm¹使得薄膜可有效吸收阳光2-3μm族化合物半导体是重要的光电材料家族，因其适宜的禁带宽度和极高的吸收系数，成II-VI CdTe为薄膜太阳能电池的主流材料之一，商业化模块效率已超过常与形成异质结，18%CdS CdTe作为窗口层材料，其宽禁带特性保证了良好的光透过率

2.4eV作为宽禁带半导体，在紫外探测、透明导电薄膜和气体传感器等领域有广泛应用ZnO

3.3eV通过掺杂Al或Ga，可制备高性能透明导电氧化物TCO，电阻率可低至10⁻⁴Ω·cm由于镉的毒性，近年来环境友好型族材料如₃₂和₂₄受到关注，尽管效率II-VI ZnP CuZnSnS CZTS尚低于，但发展潜力巨大CdTe氧化物光电材料氧化物光电材料因其稳定性好、制备工艺简单和成本低等优势，在多个领域获得广泛应用作为典型的型宽禁带半导体，ZnO n

3.37eV通过纳米结构设计可实现高效紫外发光和探测，其纳米棒、纳米线等一维结构还提供了优异的电子传输通道，在太阳能电池和气体传感器中表现突出₂是重要的光催化和光电转换材料，禁带宽度约，在染料敏化太阳能电池中作为电子传输层₂具有较宽的禁带和TiO

3.2eV SnO

3.6eV良好的化学稳定性，常用于气体传感透明导电氧化物如铟锡氧化物和氟掺杂氧化锡兼具高透明度和良好导电性，是显TCO ITOFTO示技术和太阳能电池的关键组件二维光电材料钙钛矿光电材料晶体结构光学特性₃结构，为有机阳离子₃₃⁺或无直接带隙半导体，禁带宽度可通过成分调控ABX ACH NH

1.2-机阳离子⁺，为金属阳离子⁺，为卤，吸收系数高达⁻，光子吸收深CsB Pb²X

2.3eV10⁵cm¹素阴离子⁻⁻⁻度仅几百纳米I,Br,Cl制备技术电学性能溶液法制备简单，可旋涂、喷墨打印等低温加工，载流子迁移率约，扩散长度可达10-60cm²/V·s适合柔性基底，大面积制备挑战在于均匀性和重以上，载流子寿命长，缺陷容忍度高1μm1μs复性钙钛矿光电材料因其卓越的光电性能和简单的制备工艺，成为近十年光电领域最热门的研究对象₃₃₃作为代表性钙钛矿材料，其禁带宽度约，CH NHPbI

1.55eV接近太阳能电池理论最优值此类材料最显著的特点是高吸收系数和长载流子寿命的结合，使得即使在薄膜器件中也能实现高效电荷分离和收集钙钛矿组分的调控是改善性能和稳定性的关键策略通过调整位点阳离子（混合⁺⁺⁺）和位点卤素离子（⁻⁻⁻比例），可以实现带隙调A FA/MA/Cs XI/Br/Cl节和结构稳定性优化大面积制备技术方面，刮涂法和喷墨打印已能实现平方米级器件，但均匀性和重复性依然是产业化的主要挑战有机光电材料小分子有机材料包括₃、、等，通常通过真空蒸镀沉积具有确定的分子量和高纯度特点，分子堆积Alq TPDDPVA和界面可精确控制，适合高效率和传感器₃是经典的电子传输和发光材料，发绿光，量OLED Alq子效率可达25%导电聚合物如、、等，通常溶液加工具有优良的加工性能和机械柔性，适合大面积柔性PPV P3HT PCDTBT器件是最广泛研究的光伏材料之一，与富勒烯衍生物形成体异质结结构，光电转换效P3HT PCBM率可达以上5%PEDOT:PSS作为有机透明电极材料，电导率可达，透光率具有优异的柔性，可承受1000S/cm80%5mm以下弯曲半径，是柔性光电器件的关键组件通过酸处理或添加剂可显著提高其导电性，成为的ITO重要替代材料有机无机复合材料-结合有机材料的柔性和无机材料的高性能，如聚合物量子点复合材料、聚合物金属氧化物纳米复合//材料等这些复合材料在光伏、传感和生物医学应用中展示出独特优势量子点光电材料尺寸调控光谱特性核壳结构设计量子点的发光波长可通过调控粒径精确核壳结构是量子点性能优化的关键，通控制，尺寸范围通常在之间常核壳比在到之间如2-10nm2:15:1以量子点为例，粒径发蓝光核壳结构中，壳层CdSe2nm CdSe/ZnS ZnS2-，粒径发绿光有效钝化表面缺陷，提高量子产450nm5nm3nm，粒径发红光率，从提升至以上Ⅰ型核520nm7nm30%80%这种量子限制效应使得同壳结构增强发光效率，Ⅱ型核壳结构延650nm一材料可覆盖整个可见光谱，为显示和长载流子寿命，适合光伏应用生物标记提供了理想平台量子点印刷技术溶液加工型量子点可通过喷墨打印、丝网印刷、凹版印刷等方法实现大面积沉积墨水配方通常包括稳定剂和粘度调节剂，固含量为印刷技术实现了低成本、大5-20mg/mL面积量子点器件制造，分辨率可达，为柔性电子和显示技术提供了新路径20μm量子点光电材料因其独特的量子尺寸效应和解决方案可加工性，在光电子学领域展现出巨大潜力除了传统的ⅡⅥ族量子点外，无镉量子点如和也因环保因素受到关注量子点在-InP Cu-In-S显示、照明、光伏和生物医学领域均有广泛应用，特别是量子点增强型已实现商业化，色域LCD可达的NTSC145%稀土掺杂光电材料掺铒光纤放大器上转换发光材料长余辉发光材料EDFA⁺离子在波长处的受激发射是光掺⁺⁺或⁺⁺的₄纳掺⁺和⁺的锶铝酸盐可实现小时以Er³

1.55μm Yb³/Er³Yb³/Tm³NaYF Eu²Dy³10通信的关键技术，实现长距离光信号传输通米颗粒可将近红外光转换为可见光，上的绿色余辉这类材料通过陷阱电子的热激980nm过轨道内的能级跃迁，可以放大波段量子效率可达这种反斯托克斯发光机理使发实现持续发光，广泛应用于安全标识、装饰4f C5%的光信号，增益可达其在生物成像、安全防伪和太阳能电池中具有和应急照明系统1530-1565nm以上独特应用30dB稀土元素具有独特的电子层结构，形成了丰富的能级和窄线宽发射谱线作为掺杂离子时，其发光波长几乎不受基质材料影响，但发光效率和寿4f命则强烈依赖于晶体场环境和声子能量欧洲离子⁺发红光，铽离子⁺发绿光，铈离子⁺发蓝光，它们是三基色荧光粉的核心组成Eu³Tb³Ce³第三部分光电材料制备技术精密外延生长原子级精度的晶体薄膜制备薄膜沉积技术物理和化学气相沉积方法溶液法制备低成本大面积材料合成纳米结构化技术自下而上与自上而下的方法光电材料的性能在很大程度上取决于其制备工艺不同的制备技术会导致材料结构、缺陷密度、晶粒尺寸等微观特性的显著差异，进而影响宏观光电性能从原子级精度的外延生长到大面积低成本的溶液法，制备技术的多样化为不同应用场景提供了合适的材料解决方案随着纳米技术的发展，光电材料的尺寸、形貌和界面控制达到了前所未有的精度这种精细控制使得量子效应、表面效应等纳米尺度现象可以被充分利用，为新型高性能光电器件的设计提供了丰富可能未来的制备技术将更加注重环境友好、能源效率和可持续性，以满足绿色制造的要求外延生长技术分子束外延金属有机化学气相沉积其他外延技术MBEMOCVD在超高真空条件⁻下，原子液相外延利用过饱和溶液中的溶质10¹⁰Torr LPE或分子束在衬底表面成核并生长形成晶利用金属有机化合物前驱体在气相中裂在衬底上结晶形成薄膜，设备简单，成体薄膜具有精确的组分和厚度控制，解并在衬底表面反应形成薄膜生长速本低，但界面控制较差原子层沉积可实现原子级界面平整度率快，适合工业化生产基于自限制表面反应，一次沉积1-10μm/h ALD族材料一个原子层，界面平整，覆盖性好III-V生长速率慢•

0.1-1μm/h温度范围℃高质量但界面粗糙原位监测•600-1100•LPE•RHEED典型比超薄膜周期适合研究高质量异质结构•V/III30-100•ALD

0.1nm/•复杂量子结构制备气相外延高纯硅单晶••薄膜制备技术脉冲激光沉积PLD化学气相沉积CVD高能激光脉冲轰击靶材，产生等离子体羽流沉积在衬物理气相沉积PVD前驱体气体在加热衬底表面发生化学反应形成薄膜底上可保持靶材的化学计量比，适合制备复杂氧化包括热蒸发、电子束蒸发、磁控溅射等技术材料通具有良好的台阶覆盖性和高纯度等离子体增强物和多元化合物激光能量密度通常为，1-5J/cm²过物理过程转化为气相，然后凝结在衬底上形成薄膜降低了反应温度，适合温度敏感材料脉冲频率为，沉积速率约CVDPECVD1-50Hz

0.01-

0.1nm/磁控溅射是最常用的PVD技术，溅射功率通常为典型工艺温度为200-1000℃，压力从低压几Pa脉冲真空度要求为10⁻⁵-10⁻⁶Torr，氩气压力为，沉积速率到常压不等，生长速率约100-500W

0.1-10Pa10-100nm/min约，适合金属、合金和氧化物薄膜的1-10nm/min制备薄膜制备技术的选择取决于材料特性、所需质量和应用需求溅射技术是制备透明导电氧化物的主要方法，通过反应性溅射可获得高质量的氮化物和氧化物薄TCO膜则是和激光器等高端光电器件的核心制备技术工艺参数优化对薄膜性能至关重要，需根据具体材料和应用进行调整MOCVD LED溶液法制备技术溶胶凝胶法水热溶剂热合成电化学沉积-/通过金属醇盐水解和缩聚形成溶胶，再转变为凝胶在密闭高压容器中，利用高温℃和高在电解质溶液中，通过电化学反应在导电基底上沉100-250并热处理得到氧化物薄膜或粉体典型前驱体包括压条件下溶液的特性合成晶体材料积薄膜可精确控制膜厚通过电量，常温低压操1-10MPa金属醇盐如、钛酸四丁酯，可通过旋涂、反应时间从数小时到数天不等适合合成氧化物纳作，成本低典型电流密度为，TEOS1-100mA/cm²浸涂实现大面积沉积热处理温度通常在米晶、钙钛矿晶体等，可通过调控温度、值和适合金属、半导体和导电聚合物的沉积、400-pH ZnO℃，可获得厚的均匀薄膜添加剂控制晶体形貌、等族化合物可通过电沉积制备80010-500nm CdSCdTe II-VI溶液法制备技术因其设备简单、成本低和可扩展性好等优势，在光电材料领域获得广泛应用化学沉淀法利用溶液中的化学反应形成不溶性产物，通过控制反应条件可获得纳米粒子和薄膜这些方法特别适合第三代太阳能电池材料如钙钛矿和量子点的制备，为大面积、低成本器件提供了可行途径纳米结构制备技术自下而上方法自上而下方法从原子、分子层面构建纳米结构，如化学合从宏观材料通过蚀刻、切削等方式制作纳米成、自组装、气相生长等这类方法成本低，结构，如光刻、电子束刻蚀、纳米压印等可大规模制备，但精确位置控制较难量子这类方法位置精度高，但设备昂贵电子束点通常采用热注入法合成，纳米线可通过气光刻可实现以下的精度，但处理速度10nm液固机制生长慢VLS纳米印刷技术模板法合成通过物理接触将纳米结构从模具转移到衬底利用预先制备的纳米孔道或图案作为模板，上，实现低成本、高通量制造分辨率可达在其中生长材料后除去模板阳极氧化铝，适合大面积制备纳米压印光模板具有规则的六方排列纳米孔直径10-20nm AAO刻和微接触印刷是两种主要技术，已用于光可调，适合制备高度有序的纳10-400nm电器件的低成本制造米线、纳米管阵列纳米结构制备技术的发展极大地丰富了光电材料的形态和性能量子阱、量子线和量子点等低维结构通过量子限制效应调控材料能带结构；光子晶体通过周期性介电常数调制控制光子传播；等离子体纳米结构可实现光场的强局域增强这些纳米结构为提高光电转换效率、扩展光谱响应范围和开发新型光电子器件提供了广阔的设计空间第四部分表征与测试技术结构表征射线衍射、电子显微镜和扫描探针显微镜等技术用于分析材料的晶体结构、形貌和表面特性，X对理解材料性能至关重要光学表征光谱学方法包括吸收光谱、发射光谱和拉曼光谱等，可揭示材料的能带结构、发光机理和分子振动信息电学表征霍尔效应、电导率和载流子迁移率测量等方法用于评估材料的电学特性，这是电子器件设计的基础光电性能测试光谱响应、量子效率和光电流光电压特性测量可直接评估材料在光电转换应用中的表现-表征技术是光电材料研究不可或缺的工具，通过多种表征手段的结合，可以全面了解材料的结构性-能关系先进表征技术如同步辐射射线光谱、超快光谱和原位电子显微镜等，能够提供材料在实际X工作条件下的动态信息，为机理研究和性能优化提供重要依据结构表征技术射线衍射分析X是表征晶体结构的基本工具，通过分析衍射峰的位置和强度确定晶相、晶格常数和优选取向对纳米晶体，可通过谢乐公式计算晶粒尺寸典型测量参数为辐射，扫描范XRD CuKαλ=

1.5406Å围°，步长°适用于粉末、薄膜和单晶样品10-

800.02扫描电子显微镜利用电子束与样品相互作用产生的二次电子或背散射电子成像，可观察材料表面形貌和组成分辨率可达，放大倍数从到结合能谱仪可进行元素分析，检测SEM1-5nm20X300,000X EDS灵敏度约原子百分比广泛用于薄膜、纳米结构和器件截面分析

0.1-1%扫描探针显微镜通过探测针尖与样品表面相互作用力测量表面形貌，分辨率可达原子级可在大气或液体环境下工作，获得三维表面信息方向分辨率可达，适合测量薄膜粗糙度和纳米结构高AFM Z

0.1nm Ra度导电可同时测量表面形貌和局部电导，揭示光电材料的电学不均匀性AFMC-AFM透射电子显微镜是观察材料内部微结构的强大工具，通过电子穿过超薄样品厚度形成衬度像高分辨可实现原子分辨率成像，直接观察晶格结构和缺陷选区电子衍射提供局部晶体学信息，扫描透射电子显微镜TEM100nm TEMHRTEMSAED结合电子能量损失谱可实现纳米尺度的元素和化学态分析，这对理解异质界面和缺陷结构至关重要STEM EELS光学表征技术光谱UV-Vis-NIR测量范围内材料对不同波长光的吸收、透射和反射特性，用于确定材料的禁带宽度、200-3000nm吸收系数和光学常数光致发光谱分析材料在光激发下的发射光谱，揭示能带结构、发光中心和缺陷状态，量子效率测定反映材料的发光能力拉曼光谱利用光与物质相互作用产生的非弹性散射，提供关于分子振动、晶格振动和相变的信息椭圆偏振光谱通过分析偏振光反射后的相位和振幅变化，精确测量薄膜的厚度、光学常数和界面特性n,k光学表征技术是理解光电材料与光相互作用本质的关键工具紫外可见近红外吸收光谱通过分析--UV-Vis-NIR吸收边可确定禁带宽度，对直接带隙材料，通过对作图并外推至横轴可得到值；对间接带隙材料，则使αhv²hv Eg用对作图积分球可用于测量高散射样品的漫反射光谱αhv½hv光致发光光谱是表征发光材料的基本方法，通过温度依赖性和时间分辨测量可揭示载流子复合动力学荧光量PL子产率通过比较法或积分球法测定，是评估发光材料性能的重要指标拉曼光谱对晶体质量和应力非常敏感，拉曼峰的位移可指示材料中的应力状态，峰宽反映晶体质量椭圆偏振光谱可实现非接触式精确测量薄膜厚度，精度可达亚纳米级电学性能表征表征技术测量参数典型测量条件适用材料霍尔效应测试载流子浓度、类型、磁场强度，半导体薄膜、单晶

0.5-2T迁移率室温液氮温度-四探针法电阻率、电导率探针间距，压均匀薄膜、体材料1mm力10-100g光电导测试光生载流子寿命、光光强光敏半导体1-电导增益，偏100mW/cm²压1-10V温度依赖电阻率激活能、输运机制温度范围各类半导体材料77-400K电学性能表征是评估光电材料电子特性的重要手段霍尔效应测试是确定载流子浓度、类型和迁移率的标准方法，通过测量样品在垂直磁场下产生的霍尔电压，可计算载流子浓度（其中为电流，n=IB/eVHt IB为磁场强度，为电子电荷，为霍尔电压，为样品厚度）范德堡测量构型可同时获得电阻率和霍尔e VHt系数电导率测量通常采用四探针法，可消除接触电阻的影响对于各向异性材料如二维材料，需考虑方向性差异光电导测试通过分析材料在光照前后电导率的变化，揭示光生载流子的产生和复合过程温度依赖性电阻率测量可确定激活能和载流子输运机制，如半导电性、金属性或变程跳跃传导等这些电学表征结果与光学、结构表征相结合，可建立材料结构性能关系，指导光电器件设计-光电性能测试光谱响应测量量子效率测定光电时间响应光谱响应测量分析材料或器件对不同波量子效率描述入射光子转换为电子的效光电时间响应测试材料对光信号变化的长光的响应能力，通常覆盖率，分为外量子效率和内量子效响应速度，反映载流子产生、传输和复300-EQE波长范围通过单色光照射样率考虑所有入射光子，而合的动力学过程通过脉冲激光或调制1100nm IQEEQE品并测量产生的光电流，可绘制响应度仅考虑被吸收的光子光源激发样品，测量光电流上升和衰减-IQE波长曲线时间产生的电子数入射光子数•EQE=/光源氙灯单色仪光源脉冲激光或•+反射率透射率•LED•IQE=EQE/1--光强校准标准硅光电探测器脉宽量级•测量波长范围•ns-μs•300-1100nm波长步长响应时间范围•5-10nm典型值硅，•ns-μs•20-90%GaAs60-测量参数响应度测量设备示波器或锁相放大器•A/W90%•光电流光电压特性是评估光电器件性能的基础测试通过在不同光照条件下测量电流电压曲线，可确定开路电压、短路电流、-I-V-填充因子和光电转换效率等关键参数标准测试条件为光谱，光强，温度°此外，噪声等效功率AM

1.5100mW/cm²25C NEP和探测率是评估光电探测器灵敏度的重要指标，分别定义为信噪比为时的最小可探测功率和单位带宽下的探测率D*1器件性能表征第五部分光电材料应用光电材料的应用领域极其广泛，涵盖能源、信息、显示、照明、医疗等众多领域光伏太阳能电池将光能转换为电能，是清洁能源的重要组成部分；光电探测器将光信号转换为电信号，是光通信和传感的核心器件；发光二极管和激光器将电能转换为光能，在照明、显示和通信领域不可或缺随着材料科学和纳米技术的发展，光电材料的应用正向高效率、多功能、柔性化和智能化方向演进量子点显示、柔性光电子和生物光电子等新兴领域展现出巨大的发展潜力，为未来智能社会提供了技术基础光电材料与人工智能、大数据等前沿技术的结合，也在开拓全新的应用空间光伏太阳能电池

24.5%

25.7%晶体硅太阳能电池效率钙钛矿电池实验室效率商业化产品的实际效率近年来快速提升的新型电池技术

47.6%

30.5%多结太阳能电池理论极限叠层太阳能电池实际效率突破单结香农奎泽极限的叠层技术结合不同材料的优势-光伏太阳能电池是光电材料最重要的应用之一晶体硅电池凭借成熟工艺和可靠性，占据全球市场以上份额钝化发射极和背面接触技术通过减少背面复合损失，提高了单晶硅电池效率至80%PERC，接近理论极限异质结结构结合非晶硅和晶体硅优势，可实现更高效率和更好的温度特性

24.5%29%HIT薄膜太阳能电池如铜铟镓硒和碲化镉因材料消耗少、成本潜力大而备受关注实验室效率已达，达钙钛矿太阳能电池是近十年发展最快的新型电池，效率从CIGS CdTeCIGS

23.4%CdTe

22.1%年的快速提升至年的叠层太阳能电池通过组合不同带隙材料，可有效利用更宽的太阳光谱钙钛矿硅叠层电池效率已突破，有望成为下一代高效光伏技术成本控制、

20093.8%

202325.7%/29%长期稳定性和环保性是推动光伏技术进一步发展的关键挑战光电探测器性能指标高探测率、低暗电流、快响应速度波长范围紫外、可见、红外200-380nm380-780nm780nm-14μm器件类型光电二极管、光电晶体管、光敏电阻、光电倍增管材料体系4硅基、族、族、钙钛矿、有机半导体III-V II-VI光电探测器是将光信号转换为电信号的关键器件，广泛应用于光通信、成像、安全监控和科学研究等领域红外探测器对波长范围的辐射敏感，材料包括1-14μmHgCdTe、InSb、量子阱红外光电探测器QWIP和量子点红外光电探测器QDIP等制冷型红外探测器可实现极高灵敏度，探测率D*可达10¹⁰-10¹²cm·Hz½/W，但需要低温工作环境；非制冷型探测器如微辐射热计在室温下工作，成本低但性能较差紫外探测器工作在波长范围，主要采用宽禁带半导体如、、₂₃等这类探测器具有日盲特性，对可见光不敏感而对紫外光高度敏感，200-380nm AlGaNZnOβ-Ga O适用于火灾探测、生物分析和军事监视等场景单光子探测是光电探测的极限，基于雪崩光电二极管、超导纳米线和量子点等技术，可实现单个光子的计数，在量子APD通信、生物成像和激光雷达等前沿领域发挥关键作用响应时间从微秒到皮秒量级，满足不同应用的速度需求发光二极管LED无机LED有机LEDOLED基于族和族化合物半导体，如蓝III-V II-VI利用有机小分子或聚合物材料的电致发光，光、红光、绿光能GaN AlGaInPInGaN可实现柔性、透明显示效率从初期的几量转换效率可达，寿命长达40-60%流明瓦提升至现在的流明瓦，/100-200/小时，是照明和显示50,000-100,000成为高端显示市场的主导技术的主流技术白光技术量子点LED LEDQLED主要采用蓝光芯片黄色荧光粉结合无机量子点的高色纯度和溶液加工的+⁺或三色荧光粉组合，显优势，发光光谱半宽为，色域YAG:Ce³RGB20-30nm色指数可从提升至以上，光效可达可达的，是下一代显示7095NTSC140-150%流明瓦，引领照明革命技术的有力竞争者200/技术的发展彻底改变了照明和显示领域无机的结构设计经历了同质结、异质结到量子阱结构的演进，大幅提高了内量子效率外量LED LED子效率的提升则依赖于芯片表面粗化、透明电极优化和封装改进等技术技术分为小分子和聚合物两大类，前者主要通过OLED OLEDOLED真空蒸镀制备，后者可采用溶液加工方法多层结构设计包括空穴传输层、电子传输层、发光层等，通过能级匹配优化电荷注入和传输激光器材料1半导体激光器材料以族化合物为主，如、和基材料基激光器发射波长，用于光存III-V GaAsInP GaNGaAs650-900nm储和光通信；基激光器工作在波长，是光纤通信的核心；基激光器输出InP

1.3-

1.55μm GaN405-蓝紫光，应用于蓝光存储和激光显示直接带隙特性、高增益系数和良好的导热性是理想激光器450nm材料的关键特性量子阱激光器量子阱结构厚度通过量子限制效应改变材料能带结构，降低阈值电流，提高温度稳定性和调制5-20nm带宽多量子阱结构可进一步提高增益，典型设计包含个量子阱应变量子阱通过引入晶格应变，调3-5控能带结构和有效质量，优化性能垂直腔面发射激光器结合量子阱和分布布拉格反射镜，实现VCSEL低阈值和高效率量子级联激光器基于量子工程设计的层间子带跃迁激光器，通过精确控制量子阱厚度和势垒高度，实现中红外1-5nm到太赫兹波段的激光输出一个电子可在级联结构中多次跃迁发射光子，量子效率可超过3-300μm材料体系主要是和异质结，通过分子束外延或制备100%AlGaAs/GaAs InGaAs/InAlAs/InP MOCVD广泛应用于气体传感、医疗诊断和安全监测领域可调谐激光材料可调谐激光器可在一定波长范围内连续调节输出波长，关键在于增益介质的宽带特性外腔可调谐半导体激光器利用光栅反馈，可实现几十纳米的调谐范围量子点激光器因其不均匀增宽特性，可提供更宽的调谐范围垂直外腔表面发射激光器结合半导体量子阱和外腔，可实现大功率宽调谐100nm VECSEL范围激光输出，在光谱分析、生物医学成像和可调谐太赫兹源中有重要应用光通信材料光波导材料光放大材料光调制与开关材料光波导是光信号传输的基础结构，材料掺铒光纤放大器是长距离光通信光调制器将电信号转换为光信号变化，EDFA选择需考虑透光性、折射率和加工性能的关键，⁺离子在波长处提₃铌酸锂是传统电光调制器材料，Er³

1.55μm LiNbO石英玻璃₂因其低损耗供受激发射增益，与光纤低损耗窗口匹具有高电光系数硅基光调SiO30pm/V成为光纤的标配典型掺杂浓度为，制器利用等离子体色散效应，可集成到

0.2dB/km@

1.55μm300-1000ppm准材料掺杂₂可提高芯层折射率，泵浪长或，增益可达工艺中，调制带宽可达以GeO980nm1480nm CMOS40GHz实现光的全内反射导波上30-40dB硅基波导利用硅绝缘体硅技术，稀土掺杂材料如掺镱光纤、掺铥光开关材料需具备快速响应特性，如基--SOI1μm可集成到电子芯片中，传输损耗达光纤和掺镨光纤扩展了于电光或热光效应的陶瓷，相变材

0.1-2μm

1.3μm PLZT聚合物波导具有低成本和柔光放大波长范围半导体光放大器料如₂₂₅可通过结晶非晶1dB/cm SOAGe SbTe-性优势，适合短距离互连氮化硅基于族材料，体积小且可集成，但相变实现光学性质切换，开关速度从纳III-V₃₄和磷化铟波导则用于高噪声大于拉曼放大器利用非线性秒到皮秒级石墨烯和二维材料因超高Si NInP EDFA度集成的光子芯片光学效应，不需特殊掺杂，增益带宽可载流子迁移率，有望实现以上100GHz达以上的超高速光调制100nm显示技术材料材料显示材料LCD OLED液晶显示技术仍占据主流市场，主要材料包括液有机发光二极管显示技术因自发光、高对比度和晶分子、薄膜晶体管背板和彩色滤光片柔性特性受到青睐发光材料主要包括小分子和TFT液晶材料主要有扭曲向列型、超扭曲向列型聚合物两类，前者通过真空蒸镀制备，后者可溶TN和垂直排列型，响应时间从毫秒到微液加工STN VA秒级蓝光材料是关键挑战，寿命较红绿光短，目前主背板材料从非晶硅发展到低温多晶硅要使用蒽衍生物和铱配合物电子传输材料如TFT a-Si和氧化物半导体，迁移率提升了₃、，空穴传输材料如、，LTPS IGZOAlq TPBiNPB TAPC倍，可实现高分辨率和高刷新率量子电荷阻挡层如，共同构成多层器件结构顶10-100BCP点增强型结合液晶的成熟工艺和量子点的色发射型通过微腔效应增强光萃取效率，从LCD OLED彩优势，色域可达的以上提升至近DCI-P3100%20%40%新兴显示材料量子点显示利用尺寸可调的半导体纳米晶实现高色纯度发光，半峰宽约，远窄于荧光粉20-30nm材料体系包括基和无镉、量子点，发光效率从早期100nm CdCdSe/ZnS InP/ZnS CuInS/ZnS的提升至现在的以上20%90%技术使用微米级基阵列，亮度可达尼特，功耗仅为的，响Micro-LED GaNLED1,000,000LCD1/10应时间纳秒级，是显示的理想选择关键挑战在于微米级的巨量转移和良率控制AR/VR LEDMini-作为过渡技术，尺寸在，已在高端显示中应用LED100-200μm光电集成与光子学硅基光电集成光子晶体材料表面等离子体材料硅基光电集成利用成熟的工艺平台，将光学光子晶体是具有周期性介电常数调制的结构，可产表面等离子体是金属介质界面上的电磁波和自由CMOS-功能与电子电路集成在同一硅片上硅波导传输损生光子带隙禁止特定波长光的传播硅基光子晶电子的集体振荡模式，可实现亚波长光操控传统耗已降至以下，微环谐振器值可达体波导可实现超低损耗弯曲半径，远小于材料包括金、银纳米结构，支持可见近红外波段

0.1dB/cm Q5μm-10⁶，硅基调制器带宽超过50GHz锗生长在硅上传统全内反射波导光子晶体微腔Q值可达10⁵-等离子体共振新型材料如石墨烯、过渡金属氮化实现了集成探测器，响应波长可达，适合超低阈值激光器和高灵敏度传感器物、透明导电氧化物等拓展了等离子体工作波长范Ge-on-Si10⁷围

1.6μm非线性光学材料是实现全光信息处理的基础晶体材料如₃铌酸锂、硼酸钡具有高二阶非线性系数，用于频率转换和电光调制半导体量子LiNbOBBOβ-阱和量子点通过量子限制效应增强三阶非线性效应，可实现超快全光开关硫化物和硒化物二维材料₂、₂表现出巨大的非线性响应，为集成非线MoS WSe性光子学提供了新平台随着光电集成度不断提高和新材料的引入，集成光子芯片正逐步实现从简单互连到复杂计算功能的演进光存储材料相变光存储材料利用材料在非晶态和晶态间的可逆转变全息存储材料通过干涉图案记录三维信息光磁存储材料结合光学写入和磁性记录原理相变光存储材料是现代光盘技术的基础，其中₂₂₅是最具代表性的材料在激光脉冲加热下，可在非晶态高电阻、低反射率和晶Ge SbTe GSTGST态低电阻、高反射率之间快速切换，相变速度可达纳秒级反射率对比度高达，适合多级存储除了传统的外，掺杂氮、氧或过渡金属可调节30%GST结晶速度和稳定性体系的相变温度在℃范围内，远低于其熔点约℃，有利于降低操作功耗GeSbTe100-200600全息存储材料利用干涉图案记录三维信息，理论存储密度可达量级光敏聚合物如光折变晶体₃、感光乳剂和光学寻址空间光调制器TB/cm³LiNbO:Fe是主要全息材料光磁存储结合光学写入和磁性读取，典型材料为稀土过渡金属合金如，在不同温度下表现出不同的矫顽力光OASLM-TbFeCo3D存储技术通过多层或体积记录，大幅提高存储容量，新型材料如上转换纳米晶和荧光蛋白也展现出在生物医学和安全防伪领域的潜力生物光电应用生物传感与成像光动力治疗植入式光电器件量子点、上转换纳米颗粒和近光动力治疗利用光敏剂在特定生物兼容光电材料使植入式医红外荧光染料因其独特的光学波长光激发下产生活性氧种，疗设备成为可能柔性有机光特性，成为生物传感和成像的选择性杀死病变细胞光敏剂电器件可贴合生物组织表面，理想材料量子点荧光寿命长如卟啉衍生物、酞菁和氯素实现低创伤监测硅基多孔材e

6、光稳定性高，具有高三重态产率，可高效产料作为载药平台，可通过光控10-100ns可实现长时间跟踪上转换纳生单线态氧锰氧化物纳米颗释放药物微型光学传感器可米颗粒如₄将粒在肿瘤微环境中可降解产生实时监测血糖、血氧等生理指NaYF:Yb,Er近红外光转换为可见光，避免氧气，同时释放药物，实现协标，并通过无线通信传输数据生物组织自荧光干扰，提高信同治疗上转换纳米颗粒可将光遗传学技术利用光敏蛋白如噪比表面增强拉曼散射组织穿透深的近红外光转换为通道视紫红质，通过光刺激实基底结合金属纳米结激活光敏剂的可见光，将治疗现神经元的精确调控，为神经SERS构和拉曼活性分子，检测灵敏深度从几毫米扩展到厘米疾病治疗提供新方法1-2度可达单分子水平生物光电应用对材料提出了特殊要求良好的生物相容性、低毒性、适当的光学特性和稳定性生物兼容光电材料研究聚焦于可降解有机半导体、生物基质复合材料和生物衍生荧光材料例如，虫胶提取物、和蛋白质等可作为绿色电子和光电器件的组分碳点、聚合物点和硅量子点等DNA无重金属荧光材料正替代传统的基量子点用于生物标记Cd第六部分前沿研究与发展趋势新型材料钙钛矿、二维材料、量子材料柔性可穿戴可弯曲、可拉伸的光电器件人工智能辅助材料设计与优化的智能化绿色环保无毒、可持续的材料开发光电材料的前沿研究呈现出多方向、多学科交叉融合的特点新型功能材料的开发不断拓展光电器件的性能边界，柔性可穿戴技术拓宽了应用场景，人工智能辅助设计加速了材料发现和优化，绿色环保理念贯穿整个材料研发过程这些趋势相互影响、相互促进，共同推动光电材料学科向更高效、更智能和更可持续的方向发展随着量子信息、人工智能和可持续发展等重大需求的提出，光电材料研究面临新的机遇和挑战未来五年，我们可以预期在高效能源转换、柔性智能器件、量子光电技术和生物医学应用等领域将出现一批具有革命性的材料创新跨尺度、跨领域的协同设计将成为材料研发的主要范式钙钛矿光电材料研究前沿无铅钙钛矿设计环境友好型钙钛矿材料是研究热点，⁺、⁺、⁺等元素替代有毒的⁺成为主要策略Sn²Bi³Ge²Pb²Cs₂SnI₆双钙钛矿结构因Sn⁴⁺的稳定性优于Sn²⁺，展现出良好的环境稳定性空位有序结构₃₂₉和₃₂₉表现出宽带隙和强吸收特性钙钛矿量子点通过量子限制效应改善稳定性和光学MA BiI CsSb I性能，无铅CsₓFA₁₋ₓSnI₃量子点的光致发光量子产率已达15%以上大面积制备稳定性钙钛矿的工业化生产需要解决大面积薄膜制备的均匀性和稳定性问题刮涂法、喷墨印刷和槽涂1m²法是有潜力的大面积沉积技术通过添加剂和成分工程可提高成核密度，减少晶界缺陷二步法工艺因其对湿度变化的适应性，在大面积生产中显示出优势通过晶粒尺寸工程粒径从纳米到微米级调控和晶界钝化，可显著提高器件稳定性，已有研究报道热应力测试℃下小时稳定性8510,000高效叠层电池钙钛矿硅叠层电池结合了钙钛矿对短波光和硅对长波光的高吸收，理论效率可超过关键挑战在/40%于隧穿结设计和界面匹配，目前商业化前景最好的结构是二端串联式叠层，已实现的认证效率

29.8%全钙钛矿叠层电池通过宽带隙和窄带隙钙钛矿的组合，效率已达以上

1.7-

1.9eV

1.2-

1.4eV25%透明电极材料如掺杂氧化物、银纳米线和石墨烯是提高叠层效率的关键，透明度可达以上，电阻90%率低至10⁻⁴Ω·cm柔性钙钛矿光电器件因其轻量化、可穿戴和易集成特性备受关注低温工艺通常℃使钙钛矿可在塑料基底150如、和上制备界面层材料选择对柔性器件至关重要，有机传输层如、相比无机材料如PET PENPI PTAAPCBM₂、₂具有更好的力学柔性柔性钙钛矿太阳能电池已实现以上的效率，可承受次以上的弯曲TiO SnO19%1000循环弯曲半径柔性钙钛矿发光二极管和光电探测器展现出在智能可穿戴设备和物联网应用中的巨大潜力5mm二维材料研究进展新型二维材料探索除了石墨烯和过渡金属二硫化物外，新型二维材料不断涌现近年来，硼烯单原子层硼因其超导特性TMDs受到关注，黑磷烯因其高迁移率和可调带隙在红外光电子学中展现潜力1000cm²/V·s

0.3-

2.0eV材料如₃₂因其优异的导电性和光学吸收，在光电探测和电磁屏蔽方面表现突出二维钙钛矿如MXeneTi CTx₂₄通过量子和介电限制实现高激子结合能，有望用于室温激子器件PEA PbI二维异质结构设计二维材料的范德瓦尔斯堆叠创造了独特的异质结构，不受晶格匹配限制₂₂形成型异质结，实现MoS/WSe II高效的电荷分离电子在₂层，空穴在₂层，适合光伏应用石墨烯结构中，作MoS WSe/h-BN/TMDs h-BN为隧穿层和绝缘层，可实现垂直电子传输控制通过旋转角调控魔角石墨烯，可观察到超导和莫特绝缘体等奇异量子现象界面莫尔超晶格效应在扭曲双层中导致层间激子形成，为新型光电器件提供可能TMDs器件集成技术二维材料集成面临材料制备和转移的挑战大面积生长已能制备厘米级单晶，但缺陷控制仍是难点CVD TMDs干法湿法转移技术结合聚合物辅助和精确对准，可实现微米级精度的层间堆叠光刻、等离子体刻蚀和电子束/直写等微纳加工技术已应用于二维材料器件制造柔性祼露二维材料器件需特殊封装保护，如原子层沉积氧化物、氮化物薄膜或石墨烯盖层，以防止环境退化可拉伸二维材料二维材料的原子薄特性使其具有优异的力学性能和应变工程潜力₂可承受的弹性应变，石墨烯可达MoS11%以上通过皱褶结构、蛇形图案和岛桥结构设计，二维材料器件的拉伸性可达以上应变工程可调控20%100%二维材料的能带结构，如施加的应变可使₂的禁带宽度变化约异质结界面在应变下也表现出1%MoS100meV独特的电荷转移行为，为可调谐光电器件提供新途径量子光电材料单光子源材料量子纠缠光子对量子信息器件单光子源是量子通信和量子计算的关键组件，纠缠光子对是量子密钥分发和量子网络的基拓扑光子学材料利用拓扑保护边缘态实现鲁能按需产生单个不可分割的光子色心缺陷础，传统上通过非线性晶体的自发参量下转棒的光传输，如光子晶体和耦合腔阵列中的材料如金刚石中的氮空位中心可在室换产生周期性极化铌酸锂手性边缘态基于量子霍尔效应的拓扑绝缘-NV SPDCPPLN温下发射单光子，具有长自旋相干时间和硼酸钡是常用的非线性晶体，转体提供单向传播通道，对无序和缺陷具有强β-BBO1ms at77K六方氮化硼中的缺陷也可换效率约10⁻⁶-10⁻⁸免疫性磁光材料如钇铁石榴石YIG薄膜在作为近紫外单光子源外磁场作用下可打破时间反演对称性，实现半导体量子点通过双激子激子级联衰减可产-非互易传输半导体量子点如通过精确控制生生偏振纠缠光子对，纠缠度可达以上InAs/GaAs90%长模式，可实现高纯通过精确控制量子点对称性消除精细结构分超导量子电路结合光子学元件的混合量子系Stranski-Krastanov度单光子发射，不可分辨度多层量子裂，可大幅提高纠缠质量族量子点如统，可同时利用超导体的强非线性和光子的90%III-V阱结构如族纳米柱中的和因其直接带隙长相干传输特性铌酸钛酸锶₃衬底III-V GaAs/AlGaAs GaAs/AlGaAs InAs/GaAs SrTiO量子点因定向发射特性，实现了高收集效率特性和高光学质量，是研究热点集成光子上生长的铝薄膜超导谐振腔，已实现与微波新型二维材料中的缺陷，如₂芯片结合微腔结构和波导可增强非线性相互光子的强耦合通过微机电系统实70%WSe MEMS和中的发光中心，提供了可集成的室温作用，实现芯片级纠缠光子源现的可重构光子电路，为大规模量子信息处h-BN单光子发射平台理提供了硬件基础人工智能辅助材料设计机器学习预测高通量计算筛选自动化实验深度学习算法通过分析材料结构性能数据库，结合第一性原理计算和机器学习的高通量筛机器人辅助合成平台结合在线表征设备，可-构建预测模型卷积神经网络可从材选技术，可从成千上万候选材料中快速识别实现材料制备和测试的全自动化液体处理CNN料结构图像直接预测电子能带结构；图神经潜在的高性能光电材料材料项目数据库机器人可精确配制前驱体溶液；打印技术3D网络能处理分子和晶体结构，预测光已包含超过实现定制化反应器设计；自动化表征系统集GNN MaterialsProject140,000学带隙和吸收光谱这些模型训练后预测准种无机化合物的计算数据，为光电材料研究成光谱、电学和结构测量这些系统每天可确度可达以上，将材料性能预测时间从提供资源通过遗传算法和蒙特卡洛树搜索合成和表征数十至数百个样品，实验通量提90%传统的密度泛函理论计算的数天缩短等技术，可在庞大的化学空间中高效探索新高倍DFT10-100至几秒材料组分工艺参数优化贝叶斯优化和强化学习算法可有效优化光电材料的制备工艺参数通过主动学习方法，算法可根据前期实验结果智能选择下一组待测参数，快速收敛到最优条件在钙钛矿薄膜制备中，优化的工艺参数可将缺陷密度AI降低以上，同时提高结晶度和均匀性50%人工智能在光电材料研究中的应用正从单纯的数据分析向全流程集成方向发展闭环自主系统将机器学习预测、自动化实验和反馈优化集成为一体，可自动提出假设、设计实验、执行测试并根据结果调整策略这种自动科学家系统已在量子点和有机太阳能电池材料探索中取得成功，发现了传统方法难以预见的新材料和新现象人工智能还能从文献中自动提取知识，构建材料科学知识图谱自然语言处理算法分析数百万篇研究论文，提取材料合成方法、性能数据和结构关系这些知识库不仅加速了新材料的发现过程，也为研究人员提供了全面的历史视角，避免重复工作并发现被忽视的研究方向绿色环保光电材料无铅替代材料以锡Sn为代表的无铅钙钛矿材料ASnX₃成为环保光电材料的研究热点锡基钙钛矿禁带宽度约

1.2-

1.4eV，接近太阳能电池理想值，但Sn²⁺易氧化为Sn⁴⁺的问题限制了稳定性添加SnF₂等还原剂和真空封装可显著延长器件寿命双钙钛矿结构Cs₂SnI₆利用更稳定的Sn⁴⁺，虽然效率较低但稳定性大为提高生物降解材料以天然提取物和生物聚合物为基础的光电材料展现出良好的生物相容性和环境友好特性纤维素衍生物可作为电子器件基底，在使用后自然降解壳聚糖、淀粉和丝素蛋白等生物聚合物经过功能化后，可作为有机光电器件的传输层和介电层这些材料在湿度、温度或光照等特定条件下可控降解，使电子产品生命周期更加可持续丰产元素材料基于地球丰产元素如、、、等的光电材料代表了可持续发展的方向铜锌锡硫化物作为和的替代品，完全由丰产元素组成，理论效率接近，目前实验室效率已达Zn CuFe SCZTS CdTeCIGS30%氧化铜₂作为型半导体，禁带宽度约，是低成本太阳能电池和光催化的候选材料硅基光电材料因其元素丰度高地壳第二丰富元素，仍将在可持续光电技术中占据重要地位

12.6%Cu Op

2.1eV光电材料的回收与循环利用是减少环境影响的重要方面对于含稀有金属的器件，如铟锡氧化物透明电极和铟镓砷光电探测器，发展高效回收技术至关重要选择性化学浸出法可回收以上的稀有金属模块化设计和易拆卸结构有助于提高ITO InGaAs90%回收效率新型回收导向设计理念正引导光电材料从源头考虑生命周期终端管理Design forRecycling柔性可穿戴光电技术柔性基底材料是可穿戴光电器件的基础聚酰亚胺因其优异的热稳定性可耐受℃和机械强度被广泛应用，典型厚度为聚对苯二甲酸PI

30012.5-50μm乙二醇酯和聚萘二甲酸乙二醇酯透明度高，热稳定性适中可耐受℃，适合透明柔性器件近年来，超薄玻璃厚度PET PEN85%120-150100μm因其高透明度、气体阻隔性和耐化学性，也成为高性能柔性器件的候选基底可拉伸导电材料是实现高度柔性器件的关键银纳米线网络展现出优异导电性电阻率⁻和拉伸性可承受应变导电聚合物经10⁵Ω·cm50%PEDOT:PSS过二次掺杂后，电导率可提高至，同时保持良好柔性液态金属如镓铟合金在室温下呈液态，可承受极端形变而不断裂，成为高度可变3000-4000S/cm形电路的理想材料自供能光电器件结合能量收集和功能器件，无需外部电源柔性光伏和光电探测器可捕获环境光能，为可穿戴传感器、显示器和通信模块供电人机界面光电材料使设备能感知环境和用户交互，例如柔性压力传感光电阵列可识别触摸和手势，创造直观的交互体验产业化与商业化挑战大规模制造技术从实验室样品到商业化产品，需要解决生产技术的可扩展性问题辊对辊连续工艺可实现薄膜光电材料R2R的高吞吐量生产，速度可达但均匀性控制和缺陷管理是主要挑战，特别是对于多层器件结10-100m/min构生产线自动化和智能制造系统可提高良率至以上，减少人工干预新兴技术如打印和喷墨打印已95%3D用于定制化光电器件的中小批量生产，特别适合柔性和形变器件成本控制策略成本是商业化的关键障碍材料成本通常占光电器件总成本的，因此开发低成本替代材料至关重30-50%要原材料本地化和供应链优化可降低运输和库存成本制造工艺简化和设备利用率提升也能有效降低生产成本通过精益生产和六西格玛等质量管理方法，可减少材料浪费和返工率随着产能扩大和规模效应，光电器件的单位成本呈指数下降趋势，如光伏组件价格十年内下降了以上90%寿命与稳定性商业化光电产品需要满足严格的寿命要求传统硅基光伏组件寿命可达年，功率衰减率低于25-30年新型光电材料需要达到同等水平才能获得市场认可封装技术是提高稳定性的关键，高阻隔

0.5%/性材料如氟聚合物和原子层沉积氧化物薄膜可有效隔绝水氧紫外稳定剂和抗氧化剂添加可延长ALD有机材料寿命光电化学稳定性设计通过分子结构优化减缓器件自降解设备加速老化测试已标准化，可预测实际使用环境下的长期性能标准化与认证标准化是产业成熟的重要标志国际电工委员会、国际标准化组织和美国材料与试验协IEC ISO会已为多种光电产品制定标准，如太阳能电池、和光电ASTM IEC61215LEDIEC62471探测器相关认证不仅确保产品质量和安全性，也促进国际贸易知识产权保护IEC60747-5通过专利布局和商业秘密保护，确保技术创新能够获得合理回报，同时防止无序竞争国际标准协调需要考虑不同地区的技术水平和需求，形成广泛接受的全球标准国内外研究现状对比总结与展望主要成果回顾光电材料研究在过去十年取得了显著进展，钙钛矿太阳能电池效率从初期的提高到当前的；二维材料在光电子学中的应用日益广泛；量子点发光二极管和显示技术已实现商业化；柔性光电器件性能不断提升，

3.8%

25.7%可穿戴应用逐步落地关键科学问题尽管取得诸多进展，光电材料研究仍面临诸多挑战高效无铅环保光电材料的开发；界面物理与化学过程的深入理解；量子光电器件的相干性和纯度提升；柔性光电材料的寿命和可靠性；光电转换基础理论的完善与突破未来五年展望未来五年，光电材料研究将呈现以下趋势人工智能驱动的材料发现与优化将成为主流；多尺度计算模拟与实验相结合，加速材料设计迭代；钙钛矿硅叠层太阳能电池有望实现商业化；量子光电材料将在信息技术中发/挥更重要作用；柔性可穿戴光电技术将创造全新应用场景交叉学科机遇光电材料研究的未来发展将更加依赖学科交叉融合与生物医学的结合促进生物光电子学发展；与人工智能深度融合加速新材料发现；与能源科学结合解决清洁能源挑战；与信息科学交叉发展量子通信和计算；与先进制造技术结合实现高性能器件大规模生产光电材料作为现代光电子技术的基础，在能源、信息、医疗、环境等领域具有不可替代的作用从基础研究到应用创新，光电材料的发展历程展现了材料科学的魅力和潜力随着量子效应、表面界面科学和人工智能等前沿领域的发展，光电材料研究将迎来新的机遇和挑战面向未来，我们需要在材料设计、器件构筑和系统集成等多个层次协同创新，推动光电材料向高效率、多功能、环境友好和智能化方向发展通过国际合作和学科交叉，加强基础研究与产业应用的有机结合，光电材料将为人类社会的可持续发展做出更大贡献。