自从铅系有机-无机杂化钙钛矿被报道以来,ABX3型有机-无机杂化钙钛矿（A=甲胺、甲脒、铯;B=铅或锡;X=氯、溴、碘或混卤）在光电转换领域的应用已经引进了全世界科学家的广泛关注。但是铅系钙钛中的铅元素对环境有毒性,而锡系钙钛矿中Sn2+相对不够稳定,所以它们的商业化应用进展缓慢。为了解决铅系和锡系钙钛矿的本质缺点,低毒且更稳定的非铅钙钛矿的研究也越来越多,其中以铋系、锑系最为代表。又因Bi3+与Pb2+有着非常相近的离子半径,且具有相同的核外电子结构,而富有研究前景,所以本论文以铋系钙钛矿为主要研究对象。铋系钙钛矿材料结构丰富,带隙合适且可调,吸光系数高,对环境友好且稳定,同时价格便宜易制备,这些优点都为铋系钙钛矿的应用提供了先天优势,例如用于制备性能更加优良的光探测器。但是,铋系材料的缺点和研究困境也十分明显:一、铋系材料还有许多种类未见报道;二、铋系材料结构与性质之间的关系还不明朗;三、铋系材料在光电领域的应用不如铅系材料的广泛;四、已经报道的材料在可见光区往往表现出较低的光电转换效率。因此,围绕铋系新材料的制备与表征、研究铋系新材料结构与性质之间的关系、扩展现有铋系材料的光电应用范围、提高现有铋系材料的光电表现,一直都是富有意义的研究课题。本论文以铋系钙钛矿材料为研究中心,从不同的角度切入。首先,本文通过改进晶体的的生长制备方法,最早报道了一个新晶体,肼铋碘,并将其用于自驱型光探测器,不仅丰富了铋系材料的种类,还展示了它的应用潜力。其次,由于铋系材料结构丰富,结构与性质之间的关系不明朗,还没有通用的设计规则,所以本文深入研究铋系材料结构与性质之间的关系,为设计具有更好光电性质的铋系材料提供参考。再次,由于铋系材料在可见光区效率较低,所以本文讨论了通过进一步扩展铋系材料在可见光之外的应用,发掘铋系材料在更广范围的光电领域应用的潜力,如紫外光探测。此外,为了提高现有铋系材料的光电性质,本文还讨论了通过复合策略,将常见铋系材料与卤素终端功能化的新兴二维材料相结合,有效提高了其光电表现,如光电探测性能。具体包括以下内容:第一章中,首先简单介绍了非铅系有机-无机杂化钙钛矿的基本结构、设计规则以及电荷维度的定义;随后展开介绍了非铅系钙钛矿的结构分类,包括零维、一维、二维、三维;着重介绍了铋系钙钛矿的结构特点,突出了其结构与性质之间的紧密联系;深入介绍了铋系钙钛矿材料在光电领域中的应用,突出了铋系材料的优势和在光电领域的研究意义;详细总结了铋系材料面临的一些问题及此材料的研究方向。最后引出了本论文的选题意义及研究内容。第二章中,我们首次报道了一种零维铋系钙钛矿肼铋碘（HyBI）单晶的制备方法及其应用。详细对其晶体结构、热稳定性、禁带宽度,半导体物性,光电性能进行了测试。HyBI的直接带隙为1.99 eV,迁移率高达64.2 cm2 V-1s-1,电荷陷阱密度为2.32×1010 cm-3。此外,使用此材料制作了自驱型光电探测器,其在470 nm下的响应率为7.63 mA/W。这项工作突出了这种材料是一个新的有前景的无铅光电材料应用在新一代自驱光电探测领域。第三章中,我们制备了两种一维光活性铋系钙钛矿,对苯二胺铋碘（PDABI）和对碘苯胺铋碘（PIDBI）,并对它们的单晶结构、带隙、热稳定性、电学、光电响应等性质进行了探讨。它们都具有由共边BiI6八面体组成的1维BiI4-负离子链。DFT结果表明,在PIDBI中,有机阳离子上的I取代基与无机链上的Bi原子之间存在相互作用。实验发现具有对称阳离子的PDABI的光电响应性质优于PIDBI。这个实验结果证明,相对于PIDBI,对称阳离子与阴离子链之间的相互作用对铋系材料的光电性能影响是有利的。这一结论对其它铋系钙钛矿吸光材料的设计具有一定的指导意义。第四章中,我们首先比较了苄胺铋碘（BABI）和N-甲基苯胺铋碘（NMABI）的晶体结构、带隙、能带结构、电学和光电性能。它们都具有典型的A3Bi2I9的0维结构,热稳定性好,带隙相似（BABI为2.00 eV,NMABI为2.04 eV）,易于旋涂成薄膜,薄膜均匀且稳定性好。DFT计算得到的能带结构显示,BABI的C 2p轨道比NMABI更接近能带边缘。相对于Z型π-π堆积,面对面的Ⅰ型π-π堆积增强了苯环间π-π共轭,在电子传递过程中起到了关键作用,提高了材料的电荷传输维度。SCLC结果显示,相对于BABI,NMABI虽然具有较低的电阻率、较低的陷阱态密度和较高的载流子迁移率,但光电流响应显示BABI却具有较好的光电性能。这个结果进一步证明了电荷传输维度的建立更有利于材料的光电性质的提升。除此之外,我们还制备了厘米尺寸的BABI单晶,并将其应用于紫外光探测。通过紫外光探测可以发现,当条状测试电极的沟道方向与晶体的生长轴相互垂直时,测试得到的晶体导电性和光响应能力都优于沟道方向与晶体生长轴相互平行时的结果。进一步分析其结构可以发现,BABI晶体在生长轴c轴方向上具有层状结构。当条状测试电极的沟道方向平行晶体的生长轴时,测试结果对应的是晶体（021）晶面的层间性质;当条状测试电极的沟道方向垂直晶体的生长轴时,测试结果对应晶体晶体（021）晶面的层内性质。此实验结果说明层内的准一维量子阱结构对载流子或光生载流子的传输都是有利的。同时紫外探测器的应用进一步扩展了铋系材料在可见区外的应用潜力。第五章中,我们制备了两种卤素终端的Ti3C2系MXene,分别为溴终端的Ti3C2（Br-Ti3C2）和碘终端的Ti3C2（I-Ti3C2）,并使用它们分别与甲胺铋溴（MBB）和甲胺铋碘（MBI）相复合。组装成光电探测器后进行光电性能测试,实验结果显示,复合策略有效提升了MBB和MBI的光电性能。首先是MXene具有良好的导电性,显著提升的器件的导电水平。其次,通过光暗条件下原位开尔文电势原子力显微镜（KPFM）测试,揭示了 MXene表面的负电性,有利于MBI或MBB光生电荷的分离,理论计算也证明了卤素终端功能化的MXene对钙钛矿表面的电荷分离有促进作用。最后,结合UPS结果,通过被调节的表面功函数进一步证实了卤素终端功能化的MXene非常有利于铋系钙钛矿光电性质的提升。第六章中,全面总结了本论文的主要研究内容和创新点,同时分析和提出了目前工作中存在的一些问题与不足,最后针对这些问题给出了下一阶段的展望。这些结论和创新点可以为其它研究者提供有益的参考。