近日，2026世界杯官方合作网站陈雪利教授团队在自供电钙钛矿光伏型探测器与反射共聚焦显微镜（RCM）深度融合取得新进展，研究成果以“Self-powered perovskite photovoltaic photodetector enabled hyper-sensitive reflectance confocal microscopy”为题，已被光电国际顶尖期刊《Laser & Photonics Review》（IF: 10.0）接收。西安电子科技大学为论文第一作者单位，西安电子科技大学沈术豪博士和刘于金博士为共同第一作者，西安电子科技大学陈雪利教授为论文的通讯作者。

背景介绍

共聚焦显微镜自问世以来，凭借其优异的光学切片能力和高分辨率成像，已成为生物医学、材料科学等领域的重要工具。然而，传统硅基光电探测器在灵敏度、光谱范围和集成灵活性等方面的局限，制约了共聚焦显微镜性能的进一步提升。近年来，钙钛矿材料因其卓越的光电特性（如高吸收系数、可调带隙和低噪声）成为新一代光电探测器的理想选择，为共聚焦成像技术带来了革新机遇。

本研究成功将自供电钙钛矿光电探测器（PVK-PD）集成到反射式共聚焦显微镜（RCM）系统中，实现了突破性进展。该探测器在520 nm波长下表现出86.3%的外部量子效率、132 dB的动态范围和仅0.38 nA的暗电流，显著提升了系统的信噪比和成像灵敏度。实验表明，该系统分辨率达1.10 μm，支持4 fps的3D成像速率，并在晶圆检测、生物组织成像和光伏材料分析中展现出卓越性能。与硅基探测器相比，钙钛矿探测器的灵敏度提高了1.8倍，为高分辨率实时成像提供了全新解决方案。

这一成果不仅推动了共聚焦显微镜技术的性能边界，还为生物医学研究和工业检测等应用开辟了更高效、更灵活的成像途径，标志着钙钛矿光电材料在高端光学仪器中的成功实践。

图文导读

1.实验装置

本文采用的集成钙钛矿光电探测器(PVK-PD)的反射共聚焦显微镜系统架构及探测器结构如图1所示。系统采用520 nm二极管激光器作为光源，光束经准直透镜整形后，通过偏振器和偏振分束器分为照明与检测光路，由扫描器控制激光在样品上的二维扫描，物镜聚焦光束并收集反射信号，再经成像透镜汇聚至针孔实现光学切片，最后由PVK-PD将光信号转换为电信号。PVK-PD采用p-i-n结构，依次由ITO透明导电层、Me-4PACz空穴传输层、钙钛矿(PVK)活性层、PCBM电子传输层和Ag电极组成。其中，PCBM作为电子传输层，PVK作为光敏活性层，Me-4PACz作为空穴传输层。能带图显示各层材料形成阶梯状能带结构，有效促进光生载流子在自建电场下的快速分离，为高性能自供电探测提供了理论基础。

图1.集成钙钛矿光电探测器的反射共聚焦显微镜系统架构及探测器结构

2.钙钛矿光电探测器 (PVK-PD) 的制备过程和材料表征结果

钙钛矿光电探测器的制备过程采用溶液旋涂法，依次在ITO玻璃基底上沉积Me-4PACz空穴传输层、钙钛矿(PVK)活性层、PCBM电子传输层，最后通过热蒸发制备Ag电极。SEM图像显示PVK薄膜呈现典型的多晶结构，晶粒尺寸统计表明其均匀分布在300-400nm范围内。XRD表征证实薄膜主要由α相钙钛矿和少量PbI2组成，而吸收光谱和PL光谱则显示该材料具有1.55eV的带隙和优异的光吸收性能，这些特性共同保证了器件的高效光电转换能力。

图2.PVK-PD的制备方法和材料表征

3.钙钛矿光电探测器 (PVK-PD) 的性能测试

为了验证器件性能，本文对钙钛矿光电探测器(PVK-PD)进行测试，如图3。J-V曲线测试显示器件在白光照射下具有1.1V的开路电压、23.9mA cm−2的短路电流和84%的填充因子，功率转换效率达22%。EQE和响应度光谱表明器件在可见光区EQE高达93%，在740nm处响应度峰值达530mA W−1。瞬态响应测试证实器件对520nm激光具有快速响应能力。特别值得注意的是，器件展现出极低的噪声特性，暗电流仅0.38nA，波动方差为12.67pA。线性动态范围测试显示器件在1nW-4mW光强范围内响应线性度优异，动态范围高达132dB，这些性能参数充分体现了PVK-PD在高灵敏度光电探测应用中的显著优势。

图3.PVK光伏PD器件的性能

4.应用结果

最后本文完整呈现了基于钙钛矿光电探测器的反射共聚焦显微镜系统(PVK-RCM)的架构和成像性能。系统示意图详细展示了从520nm激光光源到钙钛矿探测器的完整光路设计。在硅晶圆成像测试中，10倍物镜拍摄的图像展现出优异的对比度和信噪比；20倍物镜下的局部放大图像分辨率达1.10μm，可清晰分辨刻蚀电路细节。系统在生物医学领域的适用性通过人体组织切片成像得到验证。特别值得注意的是，系统采用50倍物镜对光伏电池栅线进行三维成像，通过100层光学切片重建的高精度三维形貌，充分展示了PVK-RCM系统在微纳尺度三维表征方面的强大能力。这些实验结果不仅证实了钙钛矿探测器在共聚焦成像中的卓越性能，更凸显了该系统在半导体检测、生物医学和材料科学等领域的广泛应用前景。

图4.系统配置和生成的图像

5.总结

本研究成功开发了一种基于钙钛矿光电探测器（PVK-PD）的高性能反射共聚焦显微镜系统（PVK-RCM），在成像灵敏度、分辨率和动态范围等方面实现了显著突破。PVK-PD展现出卓越的光电性能，包括86.3%的外量子效率、132 dB的动态范围和0.38 nA的超低暗电流，为共聚焦成像提供了高信噪比的探测能力。系统分辨率达1.10 μm，支持4 fps的快速3D成像，在硅晶圆检测、生物组织成像和光伏材料分析中均表现出优异的成像效果。与传统硅基探测器相比，PVK-PD的灵敏度提升1.8倍，且无需外部偏压，简化了系统架构。这一创新不仅推动了共聚焦显微镜技术的性能边界，也为生物医学研究、工业检测和材料科学等领域提供了更强大的成像工具。

本研究不仅在技术层面实现了重大突破，也为产业化应用铺设了道路。团队已与仪器厂商展开合作，目标在两年内将该技术转化为商用共聚焦显微镜原型机，并同步开展器件封装和耐候性测试，确保在潮湿、高温等极端条件下保持稳定性能。此外，团队还计划探索钙钛矿探测器在多模态成像、光声成像与光声光谱的结合应用，以期实现生物医学诊断的一体化、智能化。

未来，随着钙钛矿材料和封装技术的进一步成熟，基于其的高性能探测器必将推动共聚焦显微成像在生命科学、材料科学、半导体检测等领域的广泛应用，让我们共同见证“钙钛矿＋共聚焦”带来的影像革命！

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202500147

DOI：10.1002/lpor.202500147

第一作者简介

沈术豪，博士，西安电子科技大学华山学者准聘副教授，研究生导师。2016年获浙江大学光电信息工程专业学士学位，2021年获新加坡国立大学生物医学工程专业博士学位，2021年至2022年在新加坡国立大学医学光学成像实验室、新加坡—麻省理工学院科研中心光学成像实验室从事研究员工作。目前全职在西电2026世界杯官方合作网站先进医学影像与智慧医疗创新中心工作，主要从事共聚焦显微成像技术的系统研究及其成果转化工作, 研究工作成果主要在以下三个方面：（1）围绕传统共聚焦显微镜成像速度慢，成像深度浅的问题，研发了快速焦点调制共聚焦显微镜技术，实现了对生物荧光样本的大尺度高动态显微成像；（2）针对传统无标记血流成像分辨率低、成像深度浅的问题，研发了新型共聚焦激光散斑成像技术，实现了微观尺度下活体微血管的三维分布和血流速度的动态监测；（3）针对宽场超分辨结构光显微成像技术在厚组织中存在的光学切片能力不足的问题，研发出一套基于共聚焦狭缝检测的高速共聚焦结构光照明显微成像系统，实现了大尺度生物组织中的超分辨三维荧光成像。已在国际期刊发表光学成像技术及生物医学应用类论文14篇，包括物理光学领域Top级期刊Advanced Photonics Nexus, Opto-Electronic Advances, Optics Express, Biomedical Optics Express等，在美国SPIE西部光子学会议、美国OSA光学年会、第二届生物医学光子学交叉融合学术论坛等国内外学术会议分组报告5次，担任中国光学学会第四届生物医学光子学青年委员。

刘于金，光学工程博士，硕士生导师，陕西省秦创原高层次创新创业人才。长期致力于新型光电器件与新体制成像技术的应用基础研究，在新型半导体材料合成、光电器件物理与光学成像系统方面具有丰富的技术和经验。现依托西电广研院开展光电器件设计和成像系统开发及生物医学影像应用全链条研发工作。自主设计了系列光电探测器，研发了低成本高性能的多光谱单像素相机，单像素荧光成像设备和多模态单像素相机。主持国家自然科学基金，陕西省秦创原高层次创新创业人才计划，陕西省重点研发计划子课题各1项；参与国家自然科学基金项目3项。以第一或通讯作者(含共同)发表高水平SCI论文23篇(10篇中科院一区，13篇中科院二区)，包括光学顶尖期刊Light Sci. Appl. 两篇和Adv Photon 一篇，光学主流期刊Opt. Lett.两篇、Appl. Phys. Lett.一篇、Photon. Res.两篇，国内领军综合性期刊 Sci. Bull.一篇，材料学顶尖期刊Adv. Mater.和Adv. Func. Mater.各一篇，文章总被引次数达890次(Google Scholar)，H因子18。受邀国际国内学术会议主题报告2次，口头报告4次。荣获2023年“创客广东”广州地市赛奖三等奖、2024年计算成像三年成果展提名成果奖、2020年广东省真空科技青年优秀论文二等奖、2020年博士生国家奖学金等奖励等。创办“PDs新视野”公众号，致力于光电探测器学术产业信息传播事业，目前粉丝量超3千，日均阅读量约2500；担任2024“光电探测与成像及智能传感技术大会”学术委员主任；担任Frontiers in Physics专题编委主席，Nat Commun、Light Sci Appl、Adv Funct Mater等十几种高水平SCI期刊审稿人。