想象一下，尋找最佳配置來建造一個由不同聚合物制成的有機太陽能電池。你怎么開始？活性層需要很厚還是很薄？每種聚合物需要大量還是少量？

了解如何預測特定的組成和電池設(shè)計，從而獲得最佳的性能，是材料科學中尚未解決的最大問題之一。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，巴塞羅那材料科學研究所專門研究能源應用材料的研究人員與RoviraiVirgili大學專門研究人工智能的研究人員合作，將他們收集的實驗數(shù)據(jù)點與人工智能算法結(jié)合起來，實現(xiàn)了對有機太陽能電池性能前所未有的預測能力。

由MarianoCampoyQuiles領(lǐng)導的ICMAB研究人員通過使用一種新的實驗方法生成了多個數(shù)據(jù)集，這種方法允許他們只在一個數(shù)據(jù)集中獲得大量樣本，與傳統(tǒng)方法相比，加快了時間。然后，機器學習模型被用來從這些數(shù)據(jù)集中學習，并預測更多材料的性能，例如倫敦帝國理工學院martinheeney教授的小組合成的新型有機半導體。

這項研究可能是將人工智能和高通量實驗相結(jié)合預測某些材料和設(shè)備的最佳條件的許多領(lǐng)域中的第一個。

用于高通量實驗的梯度有機太陽能電池樣品

獲取多個實驗數(shù)據(jù)點

這項研究的一個關(guān)鍵方面是，研究人員能夠以最小的實驗工作量生成大而有意義的數(shù)據(jù)集。為了獲得準確可靠的模型和預測，這是機器學習建模成功的一個重要方面。

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)梯度主要影響有機太陽能電池的性能（即成分和厚度）。

“使用常規(guī)方法時，樣本僅提供一個點的信息。但是，使用我們的方法，我們可以獲得10到1000倍的分數(shù)。一方面，這使得評估一種材料的光伏電勢的速度比傳統(tǒng)方法快50倍左右。另一方面，它提供了大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和大量的數(shù)據(jù)（幾十萬個點），使我們能夠可靠地訓練不同的人工智能算法?！痹撗芯康暮现?、ICMAB研究員MarianoCampoyQuiles說。

預測行為的人工智能算法

“在人工智能的廣闊領(lǐng)域內(nèi)，我們在這項工作中應用了機器學習，這是一個術(shù)語，它匯集了各種算法，賦予機器（即計算機）從給定數(shù)據(jù)集學習的能力，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)計性的視角，從我們的大型實驗數(shù)據(jù)集中得出預測模型?！盜CMAB研究員、該研究第一作者XabierRodríguez-Martínez解釋道。

材料科學領(lǐng)域的人工智能算法主要用于尋找行為模式，并為給定應用進一步開發(fā)材料族行為的預測模型。為此，首先通過將算法暴露于實際數(shù)據(jù)來訓練算法，以生成模型算法。然后使用其他數(shù)據(jù)點驗證模型，這些數(shù)據(jù)點不用于創(chuàng)建模型，而是來自同一類別的材料。一旦驗證，該算法將被應用于預測不屬于訓練集或驗證集的其他類似材料的行為。

哪個是最有效的樣本？機器學習可以幫助實驗人員確定最佳條件。

在這項具體研究中，人工智能算法通過高通量方法獲得的數(shù)千個點進行訓練，以評估和預測決定有機太陽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，因為數(shù)據(jù)的數(shù)量和復雜性，而且最終目標是推斷出從未經(jīng)過測試的新材料。

成就與未來挑戰(zhàn)

這項工作代表了兩大成就。一方面，開發(fā)人工智能模型，預測效率如何依賴于許多有機太陽能電池參數(shù)。即使對于訓練集中尚未使用的材料，預測的程度也非常高。

MarianoCampoyQuiles說：“第二個重要的一點是，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?。?/p>

研究人員認為，這項研究的結(jié)果和方法對于指導理論研究人員在開發(fā)未來的分析模型，試圖確定一個給定系統(tǒng)的效率時應該考慮什么是非常重要的。

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

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

什么是有機太陽能電池？

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

硅光伏電池和有機光伏電池（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。它們甚至可以用來制造太陽能窗戶。

盡管有機光伏是一項令人興奮的新技術(shù)，但要使其達到硅基太陽能電池已經(jīng)達到的效率，還有很長的路要走。但是，鑒于OPV的潛在應用范圍很廣，不久之后它們便會成為太陽能發(fā)電的常用技術(shù)。此外，有機電池的生產(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，有機太陽能產(chǎn)品便可以與傳統(tǒng)的晶體電池競爭。

有機太陽能電池如何工作？

就像單晶硅和多晶硅太陽能電池一樣，有機太陽能電池通過光伏效應發(fā)電。光伏電池可通過三個簡化的步驟將陽光轉(zhuǎn)化為可用的電能：

1、光被吸收并使電子從半導體材料中脫落

2、松散的電子流動并產(chǎn)生電流

3、捕獲電流并將其傳輸?shù)诫娋€

在有機太陽能電池中，光伏工藝相同，但是使用碳基化合物代替硅作為半導體材料。

有機太陽能電池結(jié)構(gòu)

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

比較晶體太陽能電池和有機電池的指標和材料

有機電池和晶體硅電池如何比較？我們將在下面研究太陽能購物者可能考慮的三個主要因素：效率，材料和價格。

效率

一個太陽能電池效率的措施是什么進來的陽光擊中太陽能電池轉(zhuǎn)化為電能的百分比。根據(jù)能源部的數(shù)據(jù)，有機太陽能電池的效率最高接近11％（盡管最近的一些實驗已將這一數(shù)字在受控情況下提高了幾個百分點）。當今可用的最高效的晶體硅太陽能電池板的效率高達22％。僅就效率而言，OPV仍然有路要走才能與硅基太陽能電池競爭。

用料

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

成本

用有機電池制成的太陽能電池板無法在市場上買到，因此很難與硅基產(chǎn)品進行價格比較。然而，在過去的十年中，傳統(tǒng)太陽能電池板的價格每年都在下降，隨著技術(shù)和生產(chǎn)的改進，太陽能裝置的價格越來越便宜。