一、简介

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为近年来新能源领域备受关注的新兴技术，其采用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光材料，属于第三代太阳能电池。由于其具有较窄的带隙，钙钛矿太阳能电池能够吸收更宽光谱范围的太阳光，从而实现更高的能量转换效率（PCE）。

在众多钙钛矿材料中，甲脒铅碘（FAPbI₃，分子式CH₅N₂PbI₃）因其相较于传统的甲胺铅碘（MAPbI₃）具有更窄的带隙、更优异的热稳定性以及更强的光吸收能力，被视为第三代钙钛矿光伏材料的代表，展现出显著的应用潜力。

图1.钙钛矿太阳能电池的构造与运行机理示意图

二、FAPbI₃晶体结构

FAPbI₃是一种多晶型晶体材料，在较宽的相变温度（Tc）范围内存在四种晶相，包括立方光活性相（α-FAPbI₃）、六方非光活性相（δ-FAPbI₃）和两种低温光活性相，即四方相（β-FAPbI₃）和正交相（γ-FAPbI₃）。然而立方光活性相处于热力学亚稳态，仅在高于390 K的相变温度下形成。当温度高于Tc时，FA阳离子的旋转运动引起的熵增益将立方相的吉布斯自由能降低到远低于六方相的吉布斯自由能，使得立方相形成。当冷却至室温时，FA阳离子优先定向在六方相中，此时具有更高吉布斯自由能的立方相可以很容易地克服相变能垒从而自发转变成低能量的六方相。在高效稳定的钙钛矿光伏器件中，必须抑制这种立方相到六方相的转变。

图2.FAPbI₃晶体结构示意图(a)共顶连接的立方α相；(b）共面连接的六方δ相

三、XRD在钙钛矿薄膜材料中的应用

XRD（X射线衍射）是钙钛矿薄膜材料研究的核心表征手段，通过精准测定衍射峰位置与强度，可快速鉴别钙钛矿的晶相（如光活性α相与非活性δ相）、量化相纯度，并追踪退火、光照等条件下的相变动力学过程；结合峰形分析（如半高宽、应变偏移），还能评估薄膜的晶粒尺寸、晶格应力及缺陷密度，为优化制备工艺（如溶剂工程、添加剂调控）提供关键结构依据，在提升钙钛矿光伏器件效率与稳定性中发挥不可替代的作用。

四、应用案例

（1）样品/制样

本实验采用苏州浪声科学仪器有限公司的FRINGE EV桌面式X射线衍射仪，对某公司提供的钙钛矿样品（粉末、百纳米级薄膜）进行检测。

图3.待测钙钛矿薄膜样品图片

（2）测试参数设置

（3）测试谱图

图4. PVK粉末的衍射图谱

图5. PVK薄膜-1的衍射图谱

图6. PVK薄膜-2的衍射图谱

图7. PVK薄膜-3的衍射图谱

图8. FAPbI3钙钛矿PVK样品衍射图谱叠加及晶型定性结果

（4）测试结果

使用浪声科学的桌面式X射线衍射仪FRINGE EV测试了钙钛矿样品，衍射图谱如图7-10。叠加衍射图谱如图11所示，在14.08° (110)、28.24° (220)和31.62° (310)处的衍射峰为钙钛矿相的特征峰，可以很好地反映所有样品中钙钛矿晶体的形成。此外，PVK粉末的衍射图谱显示其为纯净的钙钛矿α-FAPbI₃。而PVK薄膜-1在10.19°处出现了一个小峰，归属于的δ-FAPbI₃的（010）晶面。PVK薄膜-2、PVK薄膜-3在12.8°处可以清楚地观察到一个额外小峰，可以确定为未反应PbI₂的（001）晶面。同时三个PVK薄膜样品均出现了非常明显FTO玻璃的衍射峰即SnO₂(110)、(101)和(200)晶面，这是因为PVK薄膜负载在FTO玻璃上，FTO玻璃的衍射信号也被收集下来。

五、结论

XRD是材料科学研究中非常重要的表征手段。浪声科学的桌面式X射线衍射仪能够为钙钛矿薄膜的材料研发、工艺调整、质量管控等方面提供强有力的数据支撑。

参考文献：

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