国立先进产业技术综合研究所【会长中钵良治】（以下简称“AIST”）光伏研究中心【研究中心主任松原浩二】有机薄膜团队研究员宫寺哲彦、研究组组长近松正幸等人光明光子科学研究中心（社长土井良治）（以下简称“JASRI”）与小金泽智之研究员合作产业应用促进办公室有机铅钙钛矿太阳能电池的生产流程大型同步加速器辐射设施SPring-8二手X射线衍射生成层已形成。
有机铅钙钛矿太阳能电池有望成为高效、低成本的太阳能电池，研发竞争正在加速。然而，一个高效的再现性制造过程存在很多问题，例如制造困难。这次，我们利用X射线衍射以每秒10帧的拍摄速度实时观察制造过程中发电层的形成。异常扩散首次。基于此次获得的有关发电层形成工艺的知识，通过补充进行发电层的结构分析和器件制造工艺的开发，预计研究和开发将进一步加速。这项研究的详细内容将于2015年8月3日22:00（日本时间）发表在美国学术期刊上纳米字母
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| 实时观察有机铅钙钛矿太阳能电池制造过程 |
自2013年以来，有机铅钙钛矿太阳能电池的研究和开发一直在积极进行，当时报道的转换效率超过15%，现在报道的效率超过20%。虽然它有望成为一种高效、低成本的太阳能电池，但问题是很难生产出具有良好再现性的高效太阳能电池。
为了实现高效率和良好的再现性，阐明制造过程中发电层的形成机制被认为很重要，但在以前的研究中，没有以足够的速度进行实时观察，并且没有完全了解发电层的形成过程。
产业技术研究所以高效、低成本的太阳能电池为目标进行研究开发，从发电层的形成机制的基础研究到器件的开发，一直致力于有机铅钙钛矿太阳能电池的研究。尤其是这次大型同步辐射装置SPring-8光束线在BL46XU，我们使用同步辐射X射线进行实时观察，以每秒10帧的速度获取X射线衍射图像，并致力于阐明发电层形成的机制。
这项研究的一部分得到了日本科学技术振兴机构（PRESTO）战略基础研究促进项目“基于异质外延的高效单晶有机太阳能电池（2011年10月至2015年3月）”的支持。
构成有机铅钙钛矿太阳能电池发电层的钙钛矿晶体是碘化铅（PbI）2)和碘化甲胺(CH3NH3I)而形成的。图1示意性地显示了每种材料的分子结构和晶体结构。
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| 图1各材料晶体结构及分子结构示意图 |
这次，在大型同步辐射装置SPring-8的同步辐射X射线束线上添加了PbI2安装薄膜和CH3NH3I溶液形成钙钛矿晶体的过程。使用二维 X 射线探测器，我们以每秒 10 帧的速度获取从样品散射的衍射 X 射线数据，并分析了晶体形成的动力学。
图2为原料PbI2随着时间的推移而减少并形成钙钛矿晶体。对该反应进展速率的分析表明，该反应是通过异常扩散过程进行的，该过程不是正常的扩散现象。这是 PbI2作为媒介，CH3NH3当 I 扩散时，人们认为它会以树枝状方式分支，反映了介质的异质性。
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图2 X射线衍射强度(a)和PbI的时间变化2CH 介质3NH3I扩散过程示意图(b)
据认为正在发生反映不均匀介质的异常扩散现象。 |
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图3 衍射X射线散射方向的时间变化（反映晶体取向）
反应开始时，它沿两个特定方向取向，然后转变为随机取向。 |
我们还分析了 X 射线衍射图像的角度（图 3）。反应开始时，有两个特定方向方向晶体形成了，但随着时间的推移，它们转向随机方向。这表明在钙钛矿晶体的形成过程中，晶体发生了流体变化。
此前已有研究报道使用X射线衍射来观察钙钛矿晶体的形成过程，但这一次，通过以每秒10帧的高成像速度进行测量，并详细分析反应速率和晶体取向，我们在世界上首次发现了晶体的异常扩散和流体取向变化等独特现象。在晶体形成过程中观察到的这些行为被认为是钙钛矿薄膜形成的再现性差的原因。为了制造高度可重复且高效的太阳能电池，控制这些独特的现象非常重要。
未来，我们将把这些知识反馈到器件制造的研究中，并开发一种具有良好再现性的高效太阳能电池制造工艺。由于发现使用同步辐射的X射线衍射方法可以有效分析钙钛矿晶体的形成过程，因此我们将在结构分析和器件开发方面进行补充研究，以加速研究和开发。目标是到 2020 年实现有机铅钙钛矿太阳能电池的商业化。