貝葉斯數學(xué)與人工智能相結合 可使太陽(yáng)能更智能
隨著(zhù)對可再生能源的需求激增，材料研究人員正在尋找制造更高效太陽(yáng)能電池的方法。如今商業(yè)生產(chǎn)的標準晶體太陽(yáng)能光伏（PV，photovoltaic）電池通?？梢該碛?8%至22%的效率范圍。然而，一些研究人員已將注意力轉向更高效的硅異質(zhì)結（SHJ，silicon heterojunction）太陽(yáng)能電池，其效率在實(shí)驗室中已達到26.8%。SHJ的數量也可能進(jìn)一步增加。
SHJ電池的有效性取決于其鈍化層的質(zhì)量。鈍化層是SHJ電池表面上的一層薄涂層。顧名思義，鈍化層降低了帶電粒子再次結合的速率。因此，良好的鈍化層使載流子能夠提高電池的電流和電壓。而且，正如實(shí)驗所示，找到改善鈍化層的方法也可以提高太陽(yáng)能電池的效率。
然而，日本高級科學(xué)技術(shù)研究所（JAIST）材料科學(xué)教授Keisuke Ohdaira表示，如今沉積鈍化層的標準方法之一——等離子體增強化學(xué)氣相沉積——也會(huì )損壞襯底本身。因此，Ohdaira和同事們一直在試驗一種稱(chēng)為催化化學(xué)氣相沉積的替代工藝。
使用Cat CVD，氣體分子通過(guò)催化裂化反應分解，從而增強太陽(yáng)能電池的沉積，同時(shí)不會(huì )對基板造成傷害。不幸的是，發(fā)現Cat CVD的理想條件可能非常具有挑戰性。許多可調節的參數使工藝復雜化，包括對襯底溫度、氣體流速和沉積時(shí)間的調整。由此，SHJ太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程可能陷入不必要地困境。
托馬斯·貝葉斯“挺身而出”
為了應對這一挑戰，研究人員與日本最大的國家研究機構RIKEN的人工智能和機器學(xué)習應用研究員Kentaro Kutsukake合作，提出了一種新的Cat CVD方法。他們的方案基于一種稱(chēng)為貝葉斯優(yōu)化的數學(xué)方法，該方法使用概率模型來(lái)更有效地發(fā)現一組理想參數。
Kutsukake提到貝葉斯優(yōu)化（以18世紀英國統計學(xué)家托馬斯·貝葉斯命名，他的工作今天經(jīng)常用于估計系統的可靠性和可能的故障點(diǎn)，遵循一個(gè)順序過(guò)程。Kutsukake說(shuō)：“我們首先將沉積條件的初始數據及其結果提供給貝葉斯算法。然后，該算法預測尚未評估的沉積條件的輸出，并為下一個(gè)沉積條件周期提供候選。我們一遍又一遍地重復這個(gè)序列，將結果反饋到算法中，直到我們最終獲得沉積的最佳值?！?/p>
JAPAN ADVANCED INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
但Ohdaira說(shuō)，盲目地將貝葉斯統計應用于Cat CVD并不是解決方案。該過(guò)程本身可能會(huì )產(chǎn)生不可行的參數的擬議實(shí)驗組合。例如，考慮到真空泵的低排氣能力，它可能表明氣體流速和真空室壓力是不可行的。
為了解決這些問(wèn)題，研究人員實(shí)現了一種稱(chēng)為約束貝葉斯優(yōu)化的實(shí)用優(yōu)化方法，該方法使用了三個(gè)預測模型。因此，例如，一個(gè)模型可能會(huì )優(yōu)化載流子壽命，而另一個(gè)模型則可能會(huì )優(yōu)化輸入氣體流速，而另另一個(gè)可能會(huì )過(guò)濾掉不可行的沉積場(chǎng)景。
然后，研究人員將所有三個(gè)模型的預測匯總到一個(gè)優(yōu)化系統中。研究人員向該系統提供了14個(gè)沉積條件樣本，并通過(guò)實(shí)驗測量了薄膜性能。
Ohdaira說(shuō)：“我們僅在8個(gè)優(yōu)化周期后就實(shí)現了高載流子壽命。我們在20個(gè)周期后完成了微調優(yōu)化?！?雖然這項實(shí)驗的最終結果并不是SHJ太陽(yáng)能電池效率的驚人突破，但研究結果表明，貝葉斯數學(xué)與人工智能相結合，為開(kāi)發(fā)性能更高、壽命更長(cháng)的太陽(yáng)能光伏提供了一條新的道路。
該團隊的研究結果上個(gè)月發(fā)表在A(yíng)CS Applied Materials and Interfaces雜志上。
Ohdaira補充道，公平地說(shuō)，其他研究團隊也使用智能算法來(lái)提高太陽(yáng)能電池的效率。例如，2021年，MIT和Google Brain推出了一種可微分太陽(yáng)能電池模擬器，其結果與JAIST方法相似。但是，Kutsukake說(shuō)，Cat CVD的約束貝葉斯方法是從實(shí)際實(shí)驗中得出的，而不是計算機模型。
Ohdaira說(shuō)，下一步的研究方向包括使用貝葉斯方法構建SHJ硅太陽(yáng)能電池。盡管如此，他補充道，“這種方法也有可能應用于需要復雜材料工藝的幾個(gè)領(lǐng)域，包括半導體制造中的薄膜沉積?！?/p>
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