有机-无机杂化铅卤钙钛矿半导体因具备高光吸收系数、高载流子迁移率、低激子结合能等优异的光电性质,以及可低成本溶液法制备的特点而备受关注。自2009年钙钛矿材料首次应用在光电领域以来,钙钛矿基光电器件已飞速发展了十年。然而钙钛矿光电器件依然面临效率低下、稳定性差和成本高等问题,严重制约了其商业化发展。限制性能的主要因素有:（1）钙钛矿光吸收层覆盖度低、成膜不均、晶粒尺寸小;（2）载流子传输材料与光吸收材料之间的能带不匹配;（3）传统金属氧化物电子传输材料导电性差、缺陷多。制约成本的主要因素为:（1）器件结构复杂;（2）传统氧化物电子传输材料沉积过程能耗高;（3）传统有机空穴传输材料价格昂贵。本文以光电二极管为主要研究对象,开展钙钛矿膜层的高质量可控制备研究,优化器件结构,实现高性能、低成本功能化集成系统。具体内容如下:（1）研究不同类型衬底生长高质量钙钛矿膜层方法,结合吸收谱、X射线衍射谱、电子显微镜等材料表征手段,研究不同工艺流程下的钙钛矿膜层质量。通过溶剂工程控制钙钛矿的晶体生长,依托反溶剂、温度控制的析晶过程和奥斯瓦尔德熟化机制,减少了成核中心数目,提高了结晶速度,促进了钙钛矿的粗化过程。实现了在平面刚性衬底、平面柔性衬底,以及线形柔性衬底上的高质量钙钛矿沉积。所有膜层均平整、致密、无针孔、晶粒尺寸可达微米量级,为后续的器件制备奠定了材料基础。（2）开展了钙钛矿基光电转换器件的结构优化研究。锑掺杂氧化锡（ATO）一维阵列的导电介孔结构,有效降低了器件的载流子传输电阻,并增强了器件对长波光子的吸收,使得电池器件的光电转化效率超过20%。设计并制备了在铜（Cu）线上原位生长的Cu-氧化亚铜（Cu₂O）-氧化铜（CuO）复合结构,实现了电极-电子阻挡层-空穴传输层/辅助光吸收层的一步合成。在不增加工艺复杂度的条件下大幅降低了探测器件的暗电流,并将有效探测范围拓宽了200 nm。所构筑的钙钛矿基双绞线柔性探测器的比探测率可达10¹³ Jones。（3）简化了钙钛矿基光电转换器件的结构。利用氟掺杂氧化锡（FTO）衬底自身为锡源,通过氧等离子处理技术,将衬底表面转化为具备空穴阻挡能力的纯相氧化锡。在维持20%器件转换效率的前提下,实现了全低温、无废料排放的电子传输层制备。解明载流子传输层的核心角色为内建电场提供者与选择性载流子阻挡者。据此机制,进一步构建了具备载流子定向分离能力的梯度Pb/Sn同质结型光吸收层,使得钙钛矿光吸收材料对载流子传输层的依赖性降低。在无需电子、空穴传输层的前提下,首次取得了10%以上的光电转化效率的电池器件。通过精简器件结构,大幅降低器件的制备成本,进一步提升了钙钛矿基光电转换器件的竞争优势。（4）构筑了功能化钙钛矿光电转换集成系统。通过Br、Cs共掺杂改性钙钛矿材料,提高成膜质量,开发与之相匹配的Nb:TiO₂电子传输层。经过系统的成分、能带工程优化,获得了人工光源环境下效率高达36%的光电池器件。人工光源和太阳光源的光谱差异决定了带隙较宽的钙钛矿材料较传统硅有巨大优势。与能量管理芯片、钠离子储能系统集成,实现了计算器、钟表、环境监测等实际应用的全自供能。钙钛矿材料的光吸收带边可随组分的改变从紫外渐变至近红外,利用这一硅半导体所无法实现的特性,可获得结构简单、性能优异光谱分辨设备。通过将氯基钙钛矿薄膜置于甲胺碘的气氛中进行梯度退火处理,获得了光吸收带边水平连续渐变的钙钛矿膜层,实现了拥有纳秒级响应时间的超高速颜色灵敏光探测器和分辨率约为80 nm的光谱分析仪。