近日，我校碳中和新能源研究院嚴(yán)文生教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦光伏電池領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。他們將人工智能算法用于發(fā)現(xiàn)和探索未曾報(bào)道的高效鈣鈦礦電池。研究成果發(fā)表在國(guó)際能源領(lǐng)域頂級(jí)雜志Nano Energy(影響因子17.8)。

據(jù)悉，嚴(yán)文生教授團(tuán)隊(duì)另一篇關(guān)于朝向新型超高效硅聲子晶體電池的重要研究成果已經(jīng)被Nature子刊NPG Asia Materials 接受，將于近期出版發(fā)表。上述兩篇論文均以杭電為第一單位，以我校碳中和新能源研究院為署名機(jī)構(gòu)。

據(jù)央視新聞報(bào)道，在未來(lái)三十年，光伏發(fā)電將占據(jù)所有能源種類發(fā)電量的首位。到2060年碳中和實(shí)現(xiàn)時(shí)，我國(guó)光伏發(fā)電在所有能源電力中占比將高達(dá)50% (當(dāng)前占比僅3.5%)。而鈣鈦礦電池是近些年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種新型光伏電池。由于具有低成本、高效率等優(yōu)勢(shì)，被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛看好。在本工作中，該團(tuán)隊(duì)將人工智能算法用來(lái)探索和發(fā)現(xiàn)未報(bào)道過(guò)的高效鈣鈦礦電池。首先，通過(guò)篩選符合條件的鈣鈦礦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型構(gòu)建，并找到最優(yōu)機(jī)器學(xué)習(xí)算法。再將獲得的優(yōu)化算法用來(lái)預(yù)測(cè)未發(fā)現(xiàn)、未報(bào)道的高效率鈣鈦礦電池。圖1展示了機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于開發(fā)高效鈣鈦礦電池的工作原理流程圖。根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)測(cè)，該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行相關(guān)鈣鈦礦材料合成及電池器件制備。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合的很好。并在實(shí)驗(yàn)上獲得的最佳平面電池效率為22.5%，如圖2所示。 在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高光電流密度和轉(zhuǎn)換效率，他們通過(guò)光管理策略，在玻璃的入光面采用PDMS材質(zhì)的納米錐陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，短路電流密度可以提高1.2 mA/cm2。相應(yīng)地，轉(zhuǎn)換效率提升至23.6%。最后，他們也對(duì)電池穩(wěn)定性方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)展現(xiàn)出明顯提升。論文具體參見“Machine learning enabled development of unexplored perovskite solar cells with high efficiency”, Nano Energy, 107394 (2022).

我校碳中和新能源研究院成立于2022年初。目前，研究院包括教授、副教授、講師、博士后30多名以及研究生130多名。研究院組織架構(gòu)包括七大研究部：光伏新能源研究部、新型能源存儲(chǔ)研究部、低碳技術(shù)研究部、低能耗量子微納研究部、智能成像與計(jì)算感知研究部、資源空間信息研究部和納米光電器件研究部。為了加強(qiáng)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界鏈接機(jī)制，研究院特設(shè)立了一個(gè)產(chǎn)學(xué)研合作部。研究院把發(fā)揮學(xué)校優(yōu)勢(shì)與服務(wù)國(guó)家需求緊密結(jié)合，積極推動(dòng)學(xué)校優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科的匯聚與交叉融合，實(shí)現(xiàn)多院系多學(xué)科聯(lián)合創(chuàng)新。通過(guò)搭建高層次交流平臺(tái)、推動(dòng)國(guó)際交流、深化校企合作，在綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略領(lǐng)域圍繞“雙碳”主題與重點(diǎn)企業(yè)展開聯(lián)合研究，實(shí)現(xiàn)基于學(xué)科交叉的科學(xué)研究和政、產(chǎn)、學(xué)、研之間的有機(jī)結(jié)合；聚焦主攻方向，攻克“卡脖子”關(guān)鍵核心技術(shù)問(wèn)題，建設(shè)碳中和技術(shù)創(chuàng)新的前沿平臺(tái)及專業(yè)人才的集聚高地。

圖1. 機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于開發(fā)高效未知鈣鈦礦電池工作原理。

圖2. (a)鈣鈦礦電池器件的截面圖，(b)測(cè)量的J-V曲線，(c)測(cè)量和計(jì)算的EQE曲線，(d)器件穩(wěn)定性測(cè)量和比較。