米乐m6官方网站（AIST）光伏研究中心功能性薄膜团队的Tetsuhiko Miyadera（研究员）、Masayuki Chikamatsu（组长）等（所长：松原浩二；所长：Ryoji Chubachi）以及日本同步辐射技术产业应用部门的Tomoyuki Koganezawa（研究员）研究所（JASRI；院长：Yoshiharu Doi）利用SPring-8大型同步辐射装置，通过X射线衍射分析了有机铅钙钛矿太阳能电池的制造过程，并阐明了发电层的形成过程。

有机铅钙钛矿太阳能电池预计将变得高度廉价，并且这些太阳能电池的研发竞争正在加剧。然而，其制造过程中存在许多问题，包括难以制造具有良好再现性的高效太阳能电池。在这项研究中，研究人员利用X射线衍射方法，以每秒10帧的检测速度实时观察发电层在制造过程中形成的过程；首次发现异常扩散等现象。基于本研究中获得的发电层形成过程的知识，以互补的方式进行发电层的结构分析和器件制造工艺的开发，有望有助于进一步加速有机铅钙钛矿太阳能电池的研究和开发。这项研究的详细信息将在线发表在美国学术期刊上，纳米字母，2015 年 8 月 3 日 22:00（日本标准时间）。

实时观察有机铅太阳能电池的制造过程

自从2013年报道实现了超过15%的转换效率以来，有机铅钙钛矿太阳能电池的研究和开发一直在积极进行。如今，据报道转换效率超过20%。尽管一方面，有机铅钙钛矿太阳能电池有望高效且廉价，但以高度可重复的方式制造高效太阳能电池的难度正在成为一个问题。

虽然人们认为阐明制造过程中发电层的形成机制对于实现高效率和良好的再现性至关重要，但迄今为止的研究尚未在足够速度的实时观察下进行。因此，我们对发电层形成过程的认识还不够。

AIST从事高效、低成本太阳能电池的研究和开发。它一直在进行有机铅钙钛矿太阳能电池的研究，研究范围从发电层形成机制的基础研究一直到器件开发。本研究利用SPring-8大型同步辐射装置的BL46XU光束线，对X射线衍射图样进行每秒10帧的实时观测，利用X射线同步辐射来阐明发电层的形成机制。

这项研究的部分内容得到了日本科学技术振兴机构 PRESTO 计划的支持；该项目是该机构的战略基础研究项目之一，名为“实现高效有机单晶太阳能电池的异质外延”（2011年10月至2015年3月）。

在有机铅钙钛矿太阳能电池中，发电层具有钙钛矿晶体结构，并通过混合卤化铅如碘化铅(PbI₂)和卤代有机胺如碘化甲胺(CH₃NH₃我）。图1示意性地显示了每种材料的分子和晶体结构。

图1：每种材料的分子和晶体结构示意图

在本研究中，PbI₂薄膜被放置在SPring-8大型同步辐射装置的X射线同步辐射束线中。然后是CH₃NH₃I溶液被滴到PbI上₂薄膜和钙钛矿晶体的形成过程通过X射线衍射法进行观察。使用X射线二维探测器以每秒10帧的速度获取样品衍射的X射线数据，然后分析晶体形成的动力学。

图2中的测量结果显示PbI的量减少₂原料随时间的变化以及钙钛矿晶体的形成过程。对该反应进展速率的分析表明，反应进展并不遵循正常的扩散现象，而是遵循异常的扩散过程。这被认为是因为当 CH₃NH₃I 扩散到 PbI 中₂薄膜介质，CH₃NH₃I 通过分支扩散，反映介质的异质性。

图2：（a）X射线衍射强度随时间的变化，以及（b示意图）CH扩散图3NH3I 变成 PbI2薄膜介质 反常扩散现象反映了介质的异质性。

图3：X射线衍射方向（反映晶体方向）随时间的变化 在反应的早期阶段，晶体沿两个特定方向取向，但后来变为随机取向。

还分析了 X 射线衍射图的角度（图 3）。在反应的早期阶段，形成的晶体沿两个特定方向取向，但随着时间的推移，它们变成随机取向。这一发现表明，在钙钛矿晶体的形成过程中，晶体不断发生变化。

这并不是唯一利用X射线衍射观察和报道钙钛矿晶体形成过程的研究。然而，在这项研究中，研究人员以每秒10帧的快速测量速度测量了这个过程；对反应速度和晶体取向进行了详细分析，从而在世界上首次发现了异常扩散和晶体取向连续变化等独特现象。结晶过程中出现的这些行为可以被认为是钙钛矿薄膜形成的再现性差的原因。因此，控制这些独特的现象是高度可重复制造高效太阳能电池的关键。

研究人员计划将本研究中获得的知识反馈到器件制造研究中，以开发一种高度可重复的工艺来制造高效太阳能电池。利用同步辐射的X射线衍射方法现已被证明是分析钙钛矿晶体形成过程的有效方法。研究人员的目标是到 2020 年将有机铅钙钛矿太阳能电池投入实际应用。