在当今数字图像技术高速发展的时代，彩色图像传感器是各种智能设备、手机摄像头和机器视觉系统的核心组成部分。传统的彩色图像传感技术主要依赖于彩色滤光片阵列（Color Filter Array，CFA），通过在传感器前方叠加红、绿、蓝（RGB）滤光片实现色彩分离。然而，这种方法由于滤光片的被动吸收特性，造成光线的大量损耗，限制了成像的灵敏度和整体图像质量。此外，CFA结构因每个像素只接收部分颜色信息，需通过算法进行插值和还原，容易引发锯齿效应、色彩伪影和分辨率降低等问题。面对这一系列挑战，科研人员积极探索替代方案，其中垂直堆叠的单片钙钛矿彩色光电探测器技术脱颖而出，成为未来彩色图像传感的突破方向。垂直堆叠单片钙钛矿彩色光电探测器利用钙钛矿材料独特的光学和电子性能，根据不同的材料组成调控带隙，实现对红、绿、蓝不同波段光的选择性吸收。
这种结构将三层钙钛矿光电探测器单元垂直集成，不仅有效避免了传统滤光片的光损耗，还消除了像素间的色彩位移问题，使每个像素都具备完整的彩色信息采集能力。该架构结构的核心优势在于主动光学滤波，其通过钙钛矿层本身对特定波段光的精准吸收，实现了优越的光利用率。实验数据显示，红绿蓝通道的外量子效率（EQE）分别达到50%、47%和53%，显著优于现有主流彩色滤光片和Foveon型垂直堆叠传感器。这不仅提升了灵敏度，还极大地增强了色彩准确度，保证了成像的真实还原。钙钛矿材料作为半导体的重要代表，其带隙范围可通过组合不同的阳离子和卤素元素精准调控，覆盖从1.6电子伏特到3电子伏特的可见光范围，使得对RGB波段的靶向吸收成为可能。此外，钙钛矿材料制备工艺兼具低成本和工艺简便的优势，尤其是通过真空共蒸发等技术，可以获得厚度均匀、无针孔的多层薄膜，保证每一层的光电性能和机械稳定性。
单片制造的垂直堆叠结构还避免了机械叠层造成的界面不良和对准误差，更适合工业化量产和与标准CMOS图像读取电路的集成。该技术的实现突破了现有图像传感器对光学滤波的依赖瓶颈，从技术层面革新了彩色图像形成过程。同时，垂直堆叠设计提升了像素利用率，在相同感光面积下实现更高空间分辨率，有利于小型化摄像头及更高精度的成像方案。更为重要的是，钙钛矿光电探测器自带色彩选择性极大地简化了后续影像处理，避免了传统CFA所需的复杂色彩插值和降噪处理，减少图像伪影，提升成像边缘清晰度和色彩纯净度。实验装置中的完整光谱响应测试和实际拍摄验证均表明，垂直堆叠钙钛矿光电探测器在色彩再现的准确度方面优越于Foveon和CFA传感器。以国际标准CIELAB色彩空间的色差ΔELab为指标，经过矩阵校正优化后，钙钛矿传感器色差最低达到3.8，显著优于Foveon的12.8和CFA的较大误差，展现出极佳的色彩保真能力。
这种优势特别适合对色彩灵敏度要求极高的摄影、医学成像以及机器视觉系统。光电性能方面，这些器件在弱光环境下表现良好，展示了低暗电流和高探测率，保证了极低的噪声等效功率。此外，钙钛矿层的高吸收系数允许使用几百纳米厚的薄膜实现完整光谱捕获，有利于光学镜头设计的紧凑化和更好的低光感应性能，尤其是在红色光谱区表现尤为突出。制造工艺上，通过精确控制钙钛矿各层组成和厚度，结合保护性的载流子输运层和透明电极的恰当设计，实现了稳定且性能优异的多层垂直结构。其间，选用过渡金属氧化物、氮杂芳基磷酸等材料作为传输层，同时利用氧化锌和铟锡氧化物等透明导电层，形成了光电转换高效的异质结，每个颜色层之间的绝缘和光学间隔由二氧化硅等介电层调控，以防止串扰并优化光学干涉。这种集成工艺不仅克服了钙钛矿材料层间沉积时的溶解及损伤风险，还保证了多层膜的结构完整性和功能独立性。
该技术的实现为下一代智能设备的发展提供了强有力的支撑。随着人工智能和机器视觉的快速普及，对高灵敏度、多光谱、精准色彩识别的图像传感器需求日益增长。垂直堆叠单片钙钛矿光电探测器凭借其卓越的性能，有望在自动驾驶、安防监控、医疗诊断以及虚拟现实等领域掀起新一轮技术革新。同时，该技术在消费电子领域如手机摄像头、无人机影像系统、水下成像设备等方面，也将实现画质提升和系统miniaturization。与III-V族半导体和有机半导体材料相比，钙钛矿材料兼具高载流子迁移率和低成本优势，响应速度快且工艺灵活，填补了性能与加工便捷性的行业空白。未来研究将重点聚焦于提升钙钛矿层的长期稳定性，进一步优化多层膜的光学匹配，及开发与CMOS工艺深度整合的技术方案，推动商用化进程。
此外，通过调整层间介质厚度，该结构还可实现色差校正，优化成像系统的色彩一致性与焦平面匹配，为多光谱成像和全色彩无失真捕捉奠定基础。垂直堆叠单片钙钛矿彩色光电探测器的出现，标志着彩色图像传感技术迈向多功能集成和高性能发展的新时代。其革新的光学设计理念和独特材料优势不仅推动了图像传感器技术的革新，也为智能视觉系统带来了更精准、更高效的图像采集方式。随着研发与工艺的不断进步，垂直堆叠钙钛矿传感器将在多个领域深度应用，成为未来图像识别和处理技术的关键支柱。
