AI接管實(shí)驗(yàn)了，鈣鈦礦電池效率沖上27.22%！

在新能源技術(shù)加速發(fā)展的當(dāng)下，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池被視為下一代光伏的核心方向之一。然而，這項(xiàng)技術(shù)卻長(zhǎng)期受制于一個(gè)“看不見(jiàn)的瓶頸”：材料發(fā)現(xiàn)和器件制造高度依賴科研人員經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)試錯(cuò)，不僅效率低、成本高，還導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以復(fù)現(xiàn)，嚴(yán)重阻礙其從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。如何擺脫“人工試錯(cuò)”的路徑依賴，實(shí)現(xiàn)高效、可復(fù)制的研發(fā)體系，成為當(dāng)前鈣鈦礦領(lǐng)域最迫切的挑戰(zhàn)之一。

針對(duì)這一關(guān)鍵難題，香港城市大學(xué)朱宗龍教授、曾曉成教授聯(lián)合劍橋大學(xué)Samuel D. Stranks教授提出了一種“機(jī)器學(xué)習(xí)+自動(dòng)化制造”的自主閉環(huán)研究框架。該系統(tǒng)將材料篩選、器件制備和性能優(yōu)化全部納入自動(dòng)循環(huán)中：一方面利用機(jī)器學(xué)習(xí)和量子計(jì)算快速篩選高性能分子，另一方面通過(guò)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不斷優(yōu)化制備工藝。在這一體系下，研究人員成功發(fā)現(xiàn)新型鈍化分子5ANI，使電池效率達(dá)到27.22%，并在大面積器件中實(shí)現(xiàn)23.49%的高性能。同時(shí)，該自動(dòng)系統(tǒng)將制備一致性提升近5倍，并實(shí)現(xiàn)超過(guò)1200小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著光伏材料研發(fā)正式邁入“自驅(qū)動(dòng)時(shí)代”。相關(guān)成果以“Autonomous closed-loop framework for reproducible perovskite solar cells”為題發(fā)表在《Nature》上，高丹鵬、陸帥華、張春雷、王寧、余澤鑫和孫祥浪為共同第一作者。

從“化學(xué)空間”到自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室：AI如何接管材料發(fā)現(xiàn)

整個(gè)研究的核心，從一個(gè)龐大的“化學(xué)宇宙”開(kāi)始（圖1a）。傳統(tǒng)研究通常只在少數(shù)已知材料中優(yōu)化，而這里，研究人員通過(guò)算法自動(dòng)生成分子結(jié)構(gòu)——從基礎(chǔ)的苯乙胺骨架出發(fā)，引入不同取代基（如-CN、-CF3等），構(gòu)建出超過(guò)1.8萬(wàn)個(gè)候選分子，形成一個(gè)系統(tǒng)化的探索空間。接下來(lái)，這些分子被送入機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行篩選（圖1b）。模型通過(guò)已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與第一性原理計(jì)算，建立“結(jié)構(gòu)—性質(zhì)—性能”之間的關(guān)系，從而預(yù)測(cè)哪些分子最有可能提升電池效率。更重要的是，這一過(guò)程并非一次性完成，而是通過(guò)“主動(dòng)學(xué)習(xí)”不斷迭代優(yōu)化。最終，這些理論篩選結(jié)果被送入自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1c）。在這里，機(jī)器人完成從材料制備、器件加工到性能測(cè)試的全部流程，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給模型，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“閉環(huán)優(yōu)化”。這意味著，科學(xué)家不再需要逐個(gè)實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)，而是讓系統(tǒng)自己不斷進(jìn)化。

圖1：展示AI驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)研究框架，包括化學(xué)空間構(gòu)建、機(jī)器學(xué)習(xí)篩選和自動(dòng)化制造系統(tǒng)

讓AI“理解物理”：可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)如何找到關(guān)鍵分子

與傳統(tǒng)黑箱AI不同，這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵突破在于“可解釋性”（圖2a）。研究團(tuán)隊(duì)使用一種名為SISSO的符號(hào)回歸算法，讓模型不僅能預(yù)測(cè)性能，還能給出明確的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過(guò)SHAP分析（圖2b），研究發(fā)現(xiàn)影響電池效率的關(guān)鍵因素包括分子體積（Vm）和界面功函數(shù)（EWF）；而相關(guān)性分析（圖2c）則表明這些變量之間相互獨(dú)立，具備良好的建�；A(chǔ)。更進(jìn)一步，模型給出了一條明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式（圖2a），揭示多個(gè)物理參數(shù)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。這一結(jié)果表明，電池性能并非由單一因素決定，而是多種分子和界面特性的協(xié)同作用。在此基礎(chǔ)上，研究人員將模型應(yīng)用到整個(gè)分子庫(kù)（圖2g），并通過(guò)篩選流程（圖2i）鎖定57個(gè)潛在高性能分子，最終挑選出4種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其中就包括表現(xiàn)最優(yōu)的5ANI分子。

圖2：說(shuō)明可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)如何建立分子結(jié)構(gòu)與電池效率之間的關(guān)系，并篩選高性能材料

自動(dòng)化制造：讓每一步實(shí)驗(yàn)都“更聰明”

在材料確定之后，真正的挑戰(zhàn)在于如何穩(wěn)定、高效地制備器件。為此，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)全自動(dòng)制造平臺(tái)（圖3a），從基底、電極到鈍化層全部由機(jī)器人完成。系統(tǒng)采用貝葉斯優(yōu)化策略（圖3b），在每一輪實(shí)驗(yàn)后自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)。隨著實(shí)驗(yàn)批次增加（圖3c），器件效率不斷提升，最終未鈍化器件也達(dá)到23.87%的水平。當(dāng)引入AI篩選出的分子后（圖3d），性能進(jìn)一步躍升。其中5ANI表現(xiàn)最優(yōu)（圖3e），實(shí)現(xiàn)27.22%的峰值效率（圖3f）。更令人驚訝的是，該材料在大面積組件（21.4 cm2）中仍能保持23.49%的高效率（圖3g）。此外，自動(dòng)化平臺(tái)顯著提升了實(shí)驗(yàn)一致性（圖3h）：相比人工操作，性能波動(dòng)降低近5倍。這對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)至關(guān)重要。與此同時(shí)，器件在1200小時(shí)連續(xù)運(yùn)行后仍保持98.7%的效率（圖3i），展現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性。

圖3：展示自動(dòng)化制造平臺(tái)、工藝優(yōu)化過(guò)程以及電池性能與穩(wěn)定性提升

為什么5ANI這么強(qiáng)？從物理機(jī)制揭示答案

為了理解性能提升的根本原因，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了器件內(nèi)部的物理機(jī)制。首先是準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）（圖4a），這一指標(biāo)反映能量損失情況。結(jié)果顯示，5ANI顯著提升QFLS，說(shuō)明其有效抑制了非輻射復(fù)合。電致發(fā)光效率（圖4b）也明顯提升，進(jìn)一步證明載流子復(fù)合損失減少。與此同時(shí)，光學(xué)PCE分布圖（圖4c-e）顯示，經(jīng)過(guò)5ANI處理的薄膜更加均勻，其性能分布更集中（圖4f），說(shuō)明材料質(zhì)量顯著提高。在界面層面，KPFM測(cè)量（圖4g）表明功函數(shù)更加均勻，有利于電荷提取。而陷阱態(tài)密度分析（圖4h）則顯示，深能級(jí)缺陷被有效抑制，這是提升效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵原因。

圖4：從物理機(jī)制角度分析鈍化材料如何降低缺陷、提升效率與穩(wěn)定性。

結(jié)論與展望

這項(xiàng)研究不僅刷新了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率紀(jì)錄，更重要的是，它展示了一種全新的科研范式：由AI驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)運(yùn)行、持續(xù)進(jìn)化的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在這一體系中，材料發(fā)現(xiàn)、器件制造和性能優(yōu)化不再是割裂的環(huán)節(jié)，而是形成一個(gè)不斷自我強(qiáng)化的循環(huán)。未來(lái)，這種模式有望推廣至更多材料領(lǐng)域，從電池到催化劑，從半導(dǎo)體到生物材料�？茖W(xué)研究或?qū)摹叭蓑?qū)動(dòng)”走向“機(jī)器協(xié)同”，極大加速創(chuàng)新速度�？梢灶A(yù)見(jiàn)，一個(gè)“自動(dòng)化科研時(shí)代”正在到來(lái)。