鈣鈦礦是目前可能取代當(dāng)今硅基太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要材料。制造基于鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池涉及優(yōu)化至少十幾個(gè)技術(shù)變量，即使在許多可能性中的一種特定制造方法中也是如此。但是，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的新系統(tǒng)可以加速優(yōu)化生產(chǎn)方法的開(kāi)發(fā)，并有助于使下一代太陽(yáng)能成為現(xiàn)實(shí)。

　　該系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)的研究人員在過(guò)去幾年中開(kāi)發(fā)，可以將先前實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)豐富的工人基于個(gè)人觀察的信息整合到機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程中。這使得結(jié)果更加準(zhǔn)確，并且已經(jīng)導(dǎo)致鈣鈦礦電池的制造具有18.5%的能量轉(zhuǎn)換效率，這是當(dāng)今市場(chǎng)的領(lǐng)先水平。

　　這項(xiàng)研究發(fā)表在Joule雜志上，由麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授Tonio Buonassisi、斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程教授Reinhold Dauskardt、麻省理工學(xué)院研究助理ZheLiu、斯坦福大學(xué)博士研究生Nicholas Rolston和其他三人撰寫(xiě)。

　　鈣鈦礦是一組由晶格中原子構(gòu)型定義的層狀結(jié)晶化合物。有成千上萬(wàn)種這樣的化合物可能和許多不同的制造方法。雖然大多數(shù)鈣鈦礦材料的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)都使用旋涂技術(shù)，但這對(duì)于大規(guī)模制造并不實(shí)用，因此世界各地的公司和實(shí)驗(yàn)室一直在尋找將這些實(shí)驗(yàn)室材料轉(zhuǎn)化為實(shí)用、可制造的方法。

　　“當(dāng)你試圖采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的工藝，然后將其轉(zhuǎn)移到初創(chuàng)公司或生產(chǎn)線之類(lèi)的地方時(shí)，總是會(huì)遇到很大的挑戰(zhàn)，”現(xiàn)在是亞利桑那州立大學(xué)助理教授的Rolston說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)研究了一種他們認(rèn)為具有最大潛力的工藝，一種稱為快速噴涂等離子體處理或RSPP的方法。

　　制造過(guò)程將涉及移動(dòng)的卷對(duì)卷表面或一系列片材，當(dāng)片材滾動(dòng)時(shí)，鈣鈦礦化合物的前體溶液將在上面噴涂或噴墨。然后，該材料將進(jìn)入固化階段，提供快速和連續(xù)的輸出，“其吞吐量高于任何其他光伏技術(shù)，”Rolston說(shuō)。

　　“這個(gè)平臺(tái)的真正突破在于它可以讓我們以其他材料無(wú)法做到的方式進(jìn)行擴(kuò)展，”他補(bǔ)充道。“即使是像硅這樣的材料也需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)橐呀?jīng)完成了處理。而你可以將這種方法更多地視為一種噴漆過(guò)程。”

　　在這個(gè)過(guò)程中，至少有十幾個(gè)變量可能會(huì)影響結(jié)果，其中一些變量比其他變量更可控。這些包括起始材料的組成、溫度、濕度、加工路徑的速度、用于將材料噴射到基板上的噴嘴的距離以及固化材料的方法。這些因素中的許多因素可以相互影響，如果過(guò)程是在露天進(jìn)行，那么例如濕度可能是不受控制的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估這些變量的所有可能組合幾乎是不可能的，因此需要機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)幫助指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

　　但是，雖然大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)使用原始數(shù)據(jù)，例如測(cè)試樣本的電氣和其他特性的測(cè)量值，但它們通常不包含人類(lèi)經(jīng)驗(yàn)，例如實(shí)驗(yàn)者對(duì)測(cè)試樣本的視覺(jué)和其他特性進(jìn)行的定性觀察，或來(lái)自其他研究人員報(bào)告的其他實(shí)驗(yàn)的信息。因此，該團(tuán)隊(duì)找到了一種將此類(lèi)外部信息納入機(jī)器學(xué)習(xí)模型的方法，該方法使用基于稱為貝葉斯優(yōu)化數(shù)學(xué)技術(shù)的概率因子。

　　他說(shuō)，使用該系統(tǒng)，“擁有一個(gè)來(lái)自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型，我們可以發(fā)現(xiàn)我們以前無(wú)法看到的趨勢(shì)。”例如，他們最初很難適應(yīng)環(huán)境中不受控制的濕度變化。但該模型向他們展示了“我們可以通過(guò)改變溫度和改變其他一些旋鈕來(lái)克服我們對(duì)濕度看法。”

　　該系統(tǒng)現(xiàn)在允許實(shí)驗(yàn)者更快地指導(dǎo)他們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，以便針對(duì)給定的一組條件或所需的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。Buonassisi說(shuō)，在他們的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于優(yōu)化功率輸出，但該系統(tǒng)也可用于同時(shí)結(jié)合其他標(biāo)準(zhǔn)，例如成本和耐用性——團(tuán)隊(duì)成員正在繼續(xù)努力。

　　贊助這項(xiàng)工作的能源部鼓勵(lì)研究人員將該技術(shù)商業(yè)化，他們目前正專(zhuān)注于向現(xiàn)有鈣鈦礦制造商轉(zhuǎn)讓技術(shù)。“我們現(xiàn)在正在與公司接觸，”Buonassisi說(shuō)，他們開(kāi)發(fā)的代碼已通過(guò)開(kāi)源服務(wù)器免費(fèi)提供。“它現(xiàn)在在GitHub上，任何人都可以下載它，任何人都可以運(yùn)行它，”他說(shuō)。“我們很高興幫助公司開(kāi)始使用我們的代碼。”

　　現(xiàn)在，在中國(guó)西安西北工業(yè)大學(xué)工作的劉說(shuō)，已經(jīng)有幾家公司正準(zhǔn)備生產(chǎn)基于鈣鈦礦的太陽(yáng)能電池板，盡管他們?nèi)栽谘芯咳绾紊a(chǎn)這些太陽(yáng)能電池板的細(xì)節(jié)。他說(shuō)，那里的公司還沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模制造，而是從較小的高價(jià)值應(yīng)用開(kāi)始，例如外觀很重要的“建筑集成太陽(yáng)能瓦片”。他說(shuō)，其中三家公司“正在或正受到投資者的推動(dòng)，在兩年內(nèi)制造1米乘2米的矩形模塊”。

　　“問(wèn)題是，他們對(duì)使用什么制造技術(shù)并沒(méi)有達(dá)成共識(shí)，”劉說(shuō)。“斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)的RSPP方法'仍然有很好的機(jī)會(huì)'獲得競(jìng)爭(zhēng)力。”

　　“主要目標(biāo)是加速這個(gè)過(guò)程，因此它需要更少的時(shí)間、更少的實(shí)驗(yàn)和更少的人力來(lái)開(kāi)發(fā)可以立即免費(fèi)使用的產(chǎn)品，”他說(shuō)。

　　“機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的鈣鈦礦光伏制造的現(xiàn)有工作主要集中在旋涂，這是一種實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的技術(shù)，”多倫多大學(xué)大學(xué)教授Ted Sargent說(shuō)，他與這項(xiàng)工作無(wú)關(guān)，他說(shuō)這證明了“這是一種主導(dǎo)薄膜行業(yè)的沉積技術(shù)，只有少數(shù)團(tuán)隊(duì)同時(shí)擁有工程和計(jì)算方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)推動(dòng)這種技術(shù)。”Sargent補(bǔ)充說(shuō)，這種方法“對(duì)于制造更廣泛的材料家族來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)令人興奮的進(jìn)步”，包括LED、其他光伏技術(shù)和石墨烯，“簡(jiǎn)而言之，任何使用某種形式的氣相或真空沉積的行業(yè)”。

　　該團(tuán)隊(duì)還包括斯坦福大學(xué)的Austin Flick和Thomas Colburn以及新加坡-麻省理工學(xué)院科技聯(lián)盟(SMART)的Zekun Ren。除了能源部之外，這項(xiàng)工作還得到了麻省理工學(xué)院能源計(jì)劃、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)研究生研究獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃和SMART計(jì)劃的資助。

　　（原文來(lái)自：每日太陽(yáng)能 全球光伏網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）