一、概要

ペロブスカイト太陽電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）は近年の新エネルギー分野で注目されている新興技術として、ペロブスカイト型有機金属ハロゲン化物半導体を吸光材料として採用し、第3世代太陽電池に属している。狭いバンドギャップを持つため、ペロブスカイト太陽電池はより広いスペクトル範囲の太陽光を吸収し、より高いエネルギー変換効率（PCE）を実現することができる。

多くのペロブスカイト材料の中で、ヨウ化メチルアミジン鉛（FAPbI3、分子式CH5N2PbI3）従来のメチルアミン鉛ヨウ素（MAPbI3）より狭いバンドギャップ、より優れた熱安定性及びより強い光吸収能力を有し、第3世代ペロブスカイト光起電材料の代表と見なされ、顕著な応用潜在力を示した。

図1.ペロブスカイト太陽電池の構造と運転機構の概略図

二、FAPbI3けっしょうこうぞう

FAPbI3は、立方光活性相（α−FAPbI3)、六方晶系非光活性相（δ−FAPbI3）と2種類の低温度光活性相、すなわち正方晶相（β−FAPbI3）と直交相（γ−FAPbI3）。しかし、立方光活性は熱力学的準安定状態にあり、390 Kより高い相転移温度でのみ形成される。温度がTcより高い場合、FAカチオンの回転運動によるエントロピー利得は立方相のGibbs自由エネルギーを六方相よりはるかに低いGibbs自由エネルギーに低下させ、立方相を形成させる。室温まで冷却すると、FAカチオンは六方晶相に優先的に配向し、このときより高いギブス自由エネルギーを有する立方晶相は相転移エネルギー障壁を容易に克服し、自発的に低エネルギーの六方晶相に転換することができる。効率的で安定なペロブスカイト光起電素子では、この立方相から六方相への転移を抑制する必要がある。

図2.FAPbI3結晶構造の概略図（a）共頂接続の立方α相、（b）共平面接続の六方δ相

三、ペロブスカイト薄膜材料におけるXRDの応用

XRD（X線回折）はペロブスカイト薄膜材料研究の核心的特徴付け手段であり、回折ピーク位置と強度を正確に測定することにより、ペロブスカイトの結晶相（例えば光活性α相と不活性δ相）を迅速に鑑別し、相純度を定量化し、アニール、光照射などの条件下の相変化動力学過程を追跡することができる、ピーク分析（例えば半値幅、歪みオフセット）を結合し、また薄膜の結晶粒サイズ、格子応力及び欠陥密度を評価し、製造プロセス（例えば溶媒工程、添加剤調整）を最適化するために重要な構造根拠を提供し、ペロブスカイト光起電素子の効率と安定性を高める中でかけがえのない作用を発揮する。

四、応用例

（1）サンプル/サンプル作成

本実験は蘇州浪声科学器械有限公司のFRINGE EVデスクトップ式X線回折計を用いて、ある会社が提供したペロブスカイトサンプル（粉末、百ナノメートル級フィルム）を測定した。

図3.測定すべきペロブスカイト薄膜サンプル画像

（2）試験パラメータ設定

（3）試験スペクトル図

図4.PVK粉末の回折パターン

図5.PVK薄膜−1の回折パターン

図6.PVK薄膜−2の回折パターン

図7.PVK薄膜−3の回折パターン

図8.FAPbI 3ペロブスカイトPVK試料回折パターン重畳及び結晶定性結果

（4）試験結果

ペロブスカイト試料を波音響科学のデスクトップ型X線回折計FRINGE EVを用いて試験し、回折パターンを図7-10に示した。重畳回折パターンは図11に示すように、14.08°（110）、28.24°（220）及び31.62°（310）における回折ピークはペロブスカイト相の特徴ピークであり、すべてのサンプルにおけるペロブスカイト結晶の形成をよく反映することができる。さらに、PVK粉末回折パターンは純粋なペロブスカイトα−FAPbIであることを示した3一方、PVK薄膜-1は10.19°に小さなピークが現れ、帰属するδ-FAPbI3の（010）結晶面である。PVK薄膜−2、PVK薄膜−3は12.8°で付加的な小さなピークがはっきりと観察でき、未反応PbIとして決定できる2の（001）結晶面である。同時に3つのPVK薄膜試料ともに非常に明らかなFTOガラスの回折ピークであるSnOが出現した2PVK薄膜がFTOガラスに負荷され、FTOガラスの回折信号も収集されるため、（110）、（101）、および（200）結晶面。

五、結論

XRDは材料科学研究において非常に重要な特徴づけ手段である。波音響科学のデスクトップ型X線回折計はペロブスカイト薄膜の材料開発、プロセス調整、品質管理などの面で強力なデータ支持を提供することができる。