想象一下，尋找最佳配置來(lái)建造一個(gè)由不同聚合物制成的有機(jī)太陽(yáng)能電池。你怎么開(kāi)始？活性層需要很厚還是很薄？每種聚合物需要大量還是少量？

了解如何預(yù)測(cè)特定的組成和電池設(shè)計(jì)，從而獲得最佳的性能，是材料科學(xué)中尚未解決的最大問(wèn)題之一。這在一定程度上是由于設(shè)備性能取決于多種因素。

現(xiàn)在，巴塞羅那材料科學(xué)研究所專門研究能源應(yīng)用材料的研究人員與RoviraiVirgili大學(xué)專門研究人工智能的研究人員合作，將他們收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與人工智能算法結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池性能前所未有的預(yù)測(cè)能力。

由MarianoCampoyQuiles領(lǐng)導(dǎo)的ICMAB研究人員通過(guò)使用一種新的實(shí)驗(yàn)方法生成了多個(gè)數(shù)據(jù)集，這種方法允許他們只在一個(gè)數(shù)據(jù)集中獲得大量樣本，與傳統(tǒng)方法相比，加快了時(shí)間。然后，機(jī)器學(xué)習(xí)模型被用來(lái)從這些數(shù)據(jù)集中學(xué)習(xí)，并預(yù)測(cè)更多材料的性能，例如倫敦帝國(guó)理工學(xué)院martinheeney教授的小組合成的新型有機(jī)半導(dǎo)體。

這項(xiàng)研究可能是將人工智能和高通量實(shí)驗(yàn)相結(jié)合預(yù)測(cè)某些材料和設(shè)備的最佳條件的許多領(lǐng)域中的第一個(gè)。

用于高通量實(shí)驗(yàn)的梯度有機(jī)太陽(yáng)能電池樣品

獲取多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)

這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵方面是，研究人員能夠以最小的實(shí)驗(yàn)工作量生成大而有意義的數(shù)據(jù)集。為了獲得準(zhǔn)確可靠的模型和預(yù)測(cè)，這是機(jī)器學(xué)習(xí)建模成功的一個(gè)重要方面。

研究人員使用一種基于組合篩選的方法，在這種方法中，他們生成的樣品的參數(shù)梯度主要影響有機(jī)太陽(yáng)能電池的性能（即成分和厚度）。

“使用常規(guī)方法時(shí)，樣本僅提供一個(gè)點(diǎn)的信息。但是，使用我們的方法，我們可以獲得10到1000倍的分?jǐn)?shù)。一方面，這使得評(píng)估一種材料的光伏電勢(shì)的速度比傳統(tǒng)方法快50倍左右。另一方面，它提供了大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和大量的數(shù)據(jù)（幾十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)），使我們能夠可靠地訓(xùn)練不同的人工智能算法。”該研究的合著者、ICMAB研究員MarianoCampoyQuiles說(shuō)。

預(yù)測(cè)行為的人工智能算法

“在人工智能的廣闊領(lǐng)域內(nèi)，我們?cè)谶@項(xiàng)工作中應(yīng)用了機(jī)器學(xué)習(xí)，這是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，它匯集了各種算法，賦予機(jī)器（即計(jì)算機(jī)）從給定數(shù)據(jù)集學(xué)習(xí)的能力，但不一定能做出自主決策。在這里，我們利用人工智能更具統(tǒng)計(jì)性的視角，從我們的大型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中得出預(yù)測(cè)模型。”ICMAB研究員、該研究第一作者XabierRodríguez-Martínez解釋道。

材料科學(xué)領(lǐng)域的人工智能算法主要用于尋找行為模式，并為給定應(yīng)用進(jìn)一步開(kāi)發(fā)材料族行為的預(yù)測(cè)模型。為此，首先通過(guò)將算法暴露于實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練算法，以生成模型算法。然后使用其他數(shù)據(jù)點(diǎn)驗(yàn)證模型，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)不用于創(chuàng)建模型，而是來(lái)自同一類別的材料。一旦驗(yàn)證，該算法將被應(yīng)用于預(yù)測(cè)不屬于訓(xùn)練集或驗(yàn)證集的其他類似材料的行為。

哪個(gè)是最有效的樣本？機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助實(shí)驗(yàn)人員確定最佳條件。

在這項(xiàng)具體研究中，人工智能算法通過(guò)高通量方法獲得的數(shù)千個(gè)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練，以評(píng)估和預(yù)測(cè)決定有機(jī)太陽(yáng)能電池效率的不同因素。在這種情況下，人工智能算法的使用尤其具有挑戰(zhàn)性，URV的ICREA教授、該研究的合著者RogerGuimerá解釋說(shuō)，因?yàn)閿?shù)據(jù)的數(shù)量和復(fù)雜性，而且最終目標(biāo)是推斷出從未經(jīng)過(guò)測(cè)試的新材料。

成就與未來(lái)挑戰(zhàn)

這項(xiàng)工作代表了兩大成就。一方面，開(kāi)發(fā)人工智能模型，預(yù)測(cè)效率如何依賴于許多有機(jī)太陽(yáng)能電池參數(shù)。即使對(duì)于訓(xùn)練集中尚未使用的材料，預(yù)測(cè)的程度也非常高。

MarianoCampoyQuiles說(shuō)：“第二個(gè)重要的一點(diǎn)是，由于AI，我們已經(jīng)確定了哪些物理參數(shù)在更大程度上影響了這種行為，特別是，我們已經(jīng)看到，決定最佳成分的最關(guān)鍵參數(shù)是每種材料的電子能隙，以及電荷傳輸?shù)钠胶獬潭取！?/p>

研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)研究的結(jié)果和方法對(duì)于指導(dǎo)理論研究人員在開(kāi)發(fā)未來(lái)的分析模型，試圖確定一個(gè)給定系統(tǒng)的效率時(shí)應(yīng)該考慮什么是非常重要的。

我們的下一個(gè)挑戰(zhàn)是理解更復(fù)雜的系統(tǒng)。系統(tǒng)越復(fù)雜，人工智能就越有用。

科學(xué)家們一直在尋找使太陽(yáng)能盡可能高效，易于使用和美觀的方法。當(dāng)今行業(yè)中一些最激動(dòng)人心的研究與開(kāi)發(fā)圍繞著使用有機(jī)太陽(yáng)能電池構(gòu)建薄而靈活的太陽(yáng)能選擇。

什么是有機(jī)太陽(yáng)能電池？

傳統(tǒng)的晶體太陽(yáng)能電池通常由硅制成。一種有機(jī)太陽(yáng)能電池使用基于碳的材料和有機(jī)電子代替硅作為從太陽(yáng)的半導(dǎo)體來(lái)產(chǎn)生電力。有機(jī)電池有時(shí)也稱為“塑料太陽(yáng)能電池”或“聚合物太陽(yáng)能電池”。

硅光伏電池和有機(jī)光伏電池（OPV）之間的最大區(qū)別之一是它們的物理結(jié)構(gòu)–有機(jī)電池是由通常溶解在墨水中并印刷在薄塑料上的化合物制成的，這意味著OPV可以靈活并且可以整合到更多地方或結(jié)構(gòu)比晶體光伏電池好。它們甚至可以用來(lái)制造太陽(yáng)能窗戶。

盡管有機(jī)光伏是一項(xiàng)令人興奮的新技術(shù)，但要使其達(dá)到硅基太陽(yáng)能電池已經(jīng)達(dá)到的效率，還有很長(zhǎng)的路要走。但是，鑒于OPV的潛在應(yīng)用范圍很廣，不久之后它們便會(huì)成為太陽(yáng)能發(fā)電的常用技術(shù)。此外，有機(jī)電池的生產(chǎn)成本低廉，并且物理用途廣泛，這意味著一旦性能得以改善，有機(jī)太陽(yáng)能產(chǎn)品便可以與傳統(tǒng)的晶體電池競(jìng)爭(zhēng)。

有機(jī)太陽(yáng)能電池如何工作？

就像單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池一樣，有機(jī)太陽(yáng)能電池通過(guò)光伏效應(yīng)發(fā)電。光伏電池可通過(guò)三個(gè)簡(jiǎn)化的步驟將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為可用的電能：

1、光被吸收并使電子從半導(dǎo)體材料中脫落

2、松散的電子流動(dòng)并產(chǎn)生電流

3、捕獲電流并將其傳輸?shù)诫娋€

在有機(jī)太陽(yáng)能電池中，光伏工藝相同，但是使用碳基化合物代替硅作為半導(dǎo)體材料。

有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)

總體而言，有機(jī)電池的結(jié)構(gòu)與晶體硅太陽(yáng)能電池非常相似。兩種電池類型之間最明顯的區(qū)別是半導(dǎo)體層。有機(jī)電池代替晶體硅，使用的是碳基化合物（有機(jī)分子），該化合物以極薄的一層印刷在塑料背襯上。

比較晶體太陽(yáng)能電池和有機(jī)電池的指標(biāo)和材料

有機(jī)電池和晶體硅電池如何比較？我們將在下面研究太陽(yáng)能購(gòu)物者可能考慮的三個(gè)主要因素：效率，材料和價(jià)格。

效率

一個(gè)太陽(yáng)能電池效率的措施是什么進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光擊中太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化為電能的百分比。根據(jù)能源部的數(shù)據(jù)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率最高接近11％（盡管最近的一些實(shí)驗(yàn)已將這一數(shù)字在受控情況下提高了幾個(gè)百分點(diǎn)）。當(dāng)今可用的最高效的晶體硅太陽(yáng)能電池板的效率高達(dá)22％。僅就效率而言，OPV仍然有路要走才能與硅基太陽(yáng)能電池競(jìng)爭(zhēng)。

用料

如上所述，硅太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池之間的主要區(qū)別是所使用的半導(dǎo)體材料。硅太陽(yáng)能電池使用晶體硅，而有機(jī)電池則使用以碳為基礎(chǔ)的有機(jī)化合物，該化合物以薄層的形式應(yīng)用于合成背襯。因?yàn)橛袡C(jī)電池是使用基于墨水的應(yīng)用程序制成的，并且可以顯示透明性，所以它們通常會(huì)產(chǎn)生柔性的太陽(yáng)能電池板，與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板（例如，在墻壁上或作為窗戶的一部分）相比，可以以更獨(dú)特的方式進(jìn)行安裝。

成本

用有機(jī)電池制成的太陽(yáng)能電池板無(wú)法在市場(chǎng)上買到，因此很難與硅基產(chǎn)品進(jìn)行價(jià)格比較。然而，在過(guò)去的十年中，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的價(jià)格每年都在下降，隨著技術(shù)和生產(chǎn)的改進(jìn)，太陽(yáng)能裝置的價(jià)格越來(lái)越便宜。