近日，華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院先進(jìn)材料研究所高進(jìn)偉教授與樊貞研究員合作在高效鈣鈦礦太陽能電池機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)挖掘方面取得重要進(jìn)展。該成果以《Machine learning-guided search for high-efficiency perovskite solar cells with doped electron transport layers》為題在高水平國際期刊《Journal of Materials Chemistry A》（IF=12.732）刊出。研究院優(yōu)培本科生佘成隆與碩士研究生黃啟成為論文的共同第一作者。高進(jìn)偉教授、樊貞研究員為共同通訊作者。姜月副研究員、陳聰博士研究生為合作作者，華南師范大學(xué)為第一單位。

新材料是工業(yè)的基石，而開發(fā)具有靶向性新材料一直是科學(xué)研究的重點(diǎn)。機(jī)器學(xué)習(xí)和密度泛函的高通量技術(shù)的出現(xiàn)加速了材料的搜索進(jìn)程。近年來，各種材料的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，合成和制備技術(shù)越來越困難，難以使用傳統(tǒng)的方法從大量候選材料中高效篩選出具有價(jià)值的材料體系。然而，近年來的人工智能等新興技術(shù)可以較好地解決這一問題。機(jī)器學(xué)習(xí)（Marching Learning）在新材料的設(shè)計(jì)等方面凸顯其強(qiáng)大的功能，該技術(shù)不僅可以快速精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，也可以從數(shù)以千計(jì)的材料數(shù)據(jù)庫中挖掘出材料的構(gòu)效關(guān)系。鈣鈦礦太陽能電池是近年來發(fā)展強(qiáng)勢的新興技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)步飛速，已經(jīng)從十年前的3%快速上升到25%以上。目前ML技術(shù)已經(jīng)在鈣鈦礦材料體系選擇方面開展了較多研究，但針對(duì)鈣鈦礦器件中電子輸運(yùn)層的數(shù)據(jù)挖掘鮮有報(bào)道。

電子輸運(yùn)層（ETL）是鈣鈦礦太陽能電池（PSC）器件必要組成部分，對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)化效率（PCE）至關(guān)重要。電子輸運(yùn)層的導(dǎo)電性、費(fèi)米能級(jí)及其成膜技術(shù)等是其關(guān)鍵參數(shù)。本研究從2013年至2020年公開發(fā)表的880篇論文中提取2006個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采用兩步機(jī)器學(xué)習(xí)法系統(tǒng)研究各個(gè)參數(shù)對(duì)鈣鈦礦電池器件光電轉(zhuǎn)化效率的影響因子。我們發(fā)現(xiàn)，利用SnO2和TiO2制備的ETL、混合陽離子鈣鈦礦、DMSO和DMF鈣鈦礦前驅(qū)體溶劑以及反溶劑處理是導(dǎo)致電池具備高效率特點(diǎn)的最重要因素。通過ETL摻雜來調(diào)節(jié)ETL的導(dǎo)帶底、費(fèi)米能級(jí)和電導(dǎo)率可以進(jìn)一步改善PCE。此外，我們預(yù)測，ETL為Cs摻雜的TiO2 且吸光層為FA-MA二元體系的PSC，及ETL為S摻雜的SnO2且吸光層為Cs-FA-MA三元體系的PSC的PCE分別高達(dá)30.47%和28.54%。本研究還對(duì)各個(gè)最優(yōu)因子進(jìn)行了量化解釋。本研究工作量大，除了正文部分，發(fā)表的論文附件達(dá)208頁。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)和量化的解釋可為高效鈣鈦礦太陽能電池的研究，特別是高性能電子輸運(yùn)層的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供重要的理論指導(dǎo)。

此工作是以研究院本科優(yōu)培學(xué)生為主體完成的工作，是華南先進(jìn)光電子研究院“光電子優(yōu)培計(jì)劃”重要成效和成果的集中體現(xiàn)。高進(jìn)偉教授課題組近10年來共指導(dǎo)20多名本科學(xué)生開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以本科生為第一作者在Nature Communications, Advanced Materials, Journal of Materials Chemistry A, Chemical Communications等重要期刊刊出10余篇原創(chuàng)論文。指導(dǎo)本科學(xué)生獲全國大學(xué)生挑戰(zhàn)杯“特等獎(jiǎng)”、全國大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競賽“二等獎(jiǎng)”、廣東省材料創(chuàng)新大賽“一等獎(jiǎng)”等各種科技獎(jiǎng)項(xiàng)10余項(xiàng)。指導(dǎo)的本科生在國內(nèi)外繼續(xù)深造達(dá)10人。樊貞研究員課題組近年來共指導(dǎo)本科生2名，以第一作者在Journal of Materials Chemistry A期刊上發(fā)表論文1篇，獲得華南師范大學(xué)“挑戰(zhàn)杯”金種子培育項(xiàng)目1項(xiàng)；另外指導(dǎo)碩士生10余名，以第一作者在Advanced Materials等期刊發(fā)表論文20余篇，入圍第三屆中國研究生人工智能創(chuàng)新大賽決賽（尚未舉行，名次待定）。

此工作受國家基金委-廣東省政府聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和廣州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“智能光電材料與類腦器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的支持。

作者/通訊員:高進(jìn)偉 樊貞 佘成隆 黃啟成 | 來源:華南先進(jìn)光電子研究院 | 編輯:楊柳青