FRINGE EV在鈣鈦礦薄膜材料中的應用

一、簡介

鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作為近年來新能源領域備受關注的新興技術，其采用鈣鈦礦型有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料，屬于第三代太陽能電池。由于其具有較窄的帶隙，鈣鈦礦太陽能電池能夠吸收更寬光譜范圍的太陽光，從而實現更高的能量轉換效率（PCE）。

在眾多鈣鈦礦材料中，甲脒鉛碘（FAPbI3，分子式CH5N2PbI3）因其相較于傳統的甲胺鉛碘（MAPbI3）具有更窄的帶隙、更優異的熱穩定性以及更強的光吸收能力，被視為第三代鈣鈦礦光伏材料的代表，展現出顯著的應用潛力。

圖1.鈣鈦礦太陽能電池的構造與運行機理示意圖

二、FAPbI3晶體結構

FAPbI3是一種多晶型晶體材料，在較寬的相變溫度（Tc）范圍內存在四種晶相，包括立方光活性相（α-FAPbI3）、六方非光活性相（δ-FAPbI3）和兩種低溫光活性相，即四方相（β-FAPbI3）和正交相（γ-FAPbI3）。然而立方光活性相處于熱力學亞穩態，僅在高于390 K的相變溫度下形成。當溫度高于Tc時，FA陽離子的旋轉運動引起的熵增益將立方相的吉布斯自由能降低到遠低于六方相的吉布斯自由能，使得立方相形成。當冷卻至室溫時，FA陽離子優先定向在六方相中，此時具有更高吉布斯自由能的立方相可以很容易地克服相變能壘從而自發轉變成低能量的六方相。在高效穩定的鈣鈦礦光伏器件中，必須抑制這種立方相到六方相的轉變。

圖2.FAPbI3晶體結構示意圖(a)共頂連接的立方α相；(b）共面連接的六方δ相

三、XRD在鈣鈦礦薄膜材料中的應用

XRD（X射線衍射）是鈣鈦礦薄膜材料研究的核心表征手段，通過精準測定衍射峰位置與強度，可快速鑒別鈣鈦礦的晶相（如光活性α相與非活性δ相）、量化相純度，并追蹤退火、光照等條件下的相變動力學過程；結合峰形分析（如半高寬、應變偏移），還能評估薄膜的晶粒尺寸、晶格應力及缺陷密度，為優化制備工藝（如溶劑工程、添加劑調控）提供關鍵結構依據，在提升鈣鈦礦光伏器件效率與穩定性中發揮不可替代的作用。

四、應用案例

（1）樣品/制樣

本實驗采用蘇州浪聲科學儀器有限公司的FRINGE EV桌面式X射線衍射儀，對某公司提供的鈣鈦礦樣品（粉末、百納米級薄膜）進行檢測。

圖3.待測鈣鈦礦薄膜樣品圖片

（2）測試參數設置

（3）測試譜圖

圖4. PVK樣品的衍射圖譜

圖5. PVK薄膜-1的衍射圖譜

圖6. PVK薄膜-2的衍射圖譜

圖7. PVK薄膜-3的衍射圖譜

圖8. FAPbI3鈣鈦礦PVK樣品衍射圖譜疊加及晶型定性結果

（4）測試結果

使用浪聲科學的桌面式X射線衍射儀FRINGE EV測試了鈣鈦礦樣品，衍射圖譜如圖7-10。疊加衍射圖譜如圖11所示，在14.08° (110)、28.24° (220)和31.62° (310)處的衍射峰為鈣鈦礦相的特征峰，可以很好地反映所有樣品中鈣鈦礦晶體的形成。此外，PVK樣品的衍射圖譜顯示其為純凈的鈣鈦礦α-FAPbI3。而PVK薄膜-1在10.19°處出現了一個小峰，歸屬于的δ-FAPbI3的（010）晶面。PVK薄膜-2、PVK薄膜-3在12.8°處可以清楚地觀察到一個額外小峰，可以確定為未反應PbI2的（001）晶面。同時三個PVK薄膜樣品均出現了非常明顯FTO玻璃的衍射峰即SnO2(110)、(101)和(200)晶面，這是因為PVK薄膜負載在FTO玻璃上，FTO玻璃的衍射信號也被收集下來。

五、結論

XRD是材料科學研究中非常重要的表征手段。浪聲科學的桌面式X射線衍射儀能夠為鈣鈦礦薄膜的材料研發、工藝調整、質量管控等方面提供強有力的數據支撐。