人工智能实现对有机太阳能电池性能的预测

想象一下，寻找最佳配置来建造一个由不同聚合物制成的有机太阳能电池。你怎么开始？活性层需要很厚还是很薄？每种聚合物需要大量还是少量？

了解如何预测特定的组成和电池设计，从而获得最佳的性能，是材料科学中尚未解决的最大问题之一。这在一定程度上是由于设备性能取决于多种因素。

现在，巴塞罗那材料科学研究所专门研究能源应用材料的研究人员与RoviraiVirgili大学专门研究人工智能的研究人员合作，将他们收集的实验数据点与人工智能算法结合起来，实现了对有机太阳能电池性能前所未有的预测能力。

由MarianoCampoyQuiles领导的ICMAB研究人员通过使用一种新的实验方法生成了多个数据集，这种方法允许他们只在一个数据集中获得大量样本，与传统方法相比，加快了时间。然后，机器学习模型被用来从这些数据集中学习，并预测更多材料的性能，例如伦敦帝国理工学院martinheeney教授的小组合成的新型有机半导体。

这项研究可能是将人工智能和高通量实验相结合预测某些材料和设备的最佳条件的许多领域中的第一个。

用于高通量实验的梯度有机太阳能电池样品

获取多个实验数据点

这项研究的一个关键方面是，研究人员能够以最小的实验工作量生成大而有意义的数据集。为了获得准确可靠的模型和预测，这是机器学习建模成功的一个重要方面。

研究人员使用一种基于组合筛选的方法，在这种方法中，他们生成的样品的参数梯度主要影响有机太阳能电池的性能（即成分和厚度）。

“使用常规方法时，样本仅提供一个点的信息。但是，使用我们的方法，我们可以获得10到1000倍的分数。一方面，这使得评估一种材料的光伏电势的速度比传统方法快50倍左右。另一方面，它提供了大量的统计数据和大量的数据（几十万个点），使我们能够可靠地训练不同的人工智能算法。”该研究的合著者、ICMAB研究员MarianoCampoyQuiles说。

预测行为的人工智能算法

“在人工智能的广阔领域内，我们在这项工作中应用了机器学习，这是一个术语，它汇集了各种算法，赋予机器（即计算机）从给定数据集学习的能力，但不一定能做出自主决策。在这里，我们利用人工智能更具统计性的视角，从我们的大型实验数据集中得出预测模型。”ICMAB研究员、该研究第一作者XabierRodríguez-Martínez解释道。

材料科学领域的人工智能算法主要用于寻找行为模式，并为给定应用进一步开发材料族行为的预测模型。为此，首先通过将算法暴露于实际数据来训练算法，以生成模型算法。然后使用其他数据点验证模型，这些数据点不用于创建模型，而是来自同一类别的材料。一旦验证，该算法将被应用于预测不属于训练集或验证集的其他类似材料的行为。

哪个是最有效的样本？机器学习可以帮助实验人员确定最佳条件。

在这项具体研究中，人工智能算法通过高通量方法获得的数千个点进行训练，以评估和预测决定有机太阳能电池效率的不同因素。在这种情况下，人工智能算法的使用尤其具有挑战性，URV的ICREA教授、该研究的合著者RogerGuimerá解释说，因为数据的数量和复杂性，而且最终目标是推断出从未经过测试的新材料。

成就与未来挑战

这项工作代表了两大成就。一方面，开发人工智能模型，预测效率如何依赖于许多有机太阳能电池参数。即使对于训练集中尚未使用的材料，预测的程度也非常高。

MarianoCampoyQuiles说：“第二个重要的一点是，由于AI，我们已经确定了哪些物理参数在更大程度上影响了这种行为，特别是，我们已经看到，决定最佳成分的最关键参数是每种材料的电子能隙，以及电荷传输的平衡程度。”

研究人员认为，这项研究的结果和方法对于指导理论研究人员在开发未来的分析模型，试图确定一个给定系统的效率时应该考虑什么是非常重要的。

我们的下一个挑战是理解更复杂的系统。系统越复杂，人工智能就越有用。

科学家们一直在寻找使太阳能尽可能高效，易于使用和美观的方法。当今行业中一些最激动人心的研究与开发围绕着使用有机太阳能电池构建薄而灵活的太阳能选择。

什么是有机太阳能电池？

传统的晶体太阳能电池通常由硅制成。一种有机太阳能电池使用基于碳的材料和有机电子代替硅作为从太阳的半导体来产生电力。有机电池有时也称为“塑料太阳能电池”或“聚合物太阳能电池”。

硅光伏电池和有机光伏电池（OPV）之间的最大区别之一是它们的物理结构–有机电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，这意味着OPV可以灵活并且可以整合到更多地方或结构比晶体光伏电池好。它们甚至可以用来制造太阳能窗户。

尽管有机光伏是一项令人兴奋的新技术，但要使其达到硅基太阳能电池已经达到的效率，还有很长的路要走。但是，鉴于OPV的潜在应用范围很广，不久之后它们便会成为太阳能发电的常用技术。此外，有机电池的生产成本低廉，并且物理用途广泛，这意味着一旦性能得以改善，有机太阳能产品便可以与传统的晶体电池竞争。

有机太阳能电池如何工作？

就像单晶硅和多晶硅太阳能电池一样，有机太阳能电池通过光伏效应发电。光伏电池可通过三个简化的步骤将阳光转化为可用的电能：

1、光被吸收并使电子从半导体材料中脱落

2、松散的电子流动并产生电流

3、捕获电流并将其传输到电线

在有机太阳能电池中，光伏工艺相同，但是使用碳基化合物代替硅作为半导体材料。

有机太阳能电池结构

总体而言，有机电池的结构与晶体硅太阳能电池非常相似。两种电池类型之间最明显的区别是半导体层。有机电池代替晶体硅，使用的是碳基化合物（有机分子），该化合物以极薄的一层印刷在塑料背衬上。

比较晶体太阳能电池和有机电池的指标和材料

有机电池和晶体硅电池如何比较？我们将在下面研究太阳能购物者可能考虑的三个主要因素：效率，材料和价格。

效率

一个太阳能电池效率的措施是什么进来的阳光击中太阳能电池转化为电能的百分比。根据能源部的数据，有机太阳能电池的效率最高接近11％（尽管最近的一些实验已将这一数字在受控情况下提高了几个百分点）。当今可用的最高效的晶体硅太阳能电池板的效率高达22％。仅就效率而言，OPV仍然有路要走才能与硅基太阳能电池竞争。

用料

如上所述，硅太阳能电池和有机太阳能电池之间的主要区别是所使用的半导体材料。硅太阳能电池使用晶体硅，而有机电池则使用以碳为基础的有机化合物，该化合物以薄层的形式应用于合成背衬。因为有机电池是使用基于墨水的应用程序制成的，并且可以显示透明性，所以它们通常会产生柔性的太阳能电池板，与传统的太阳能电池板（例如，在墙壁上或作为窗户的一部分）相比，可以以更独特的方式进行安装。

成本

用有机电池制成的太阳能电池板无法在市场上买到，因此很难与硅基产品进行价格比较。然而，在过去的十年中，传统太阳能电池板的价格每年都在下降，随着技术和生产的改进，太阳能装置的价格越来越便宜。