Nature丨告別「煉丹」！AI+機(jī)器人閉環(huán)搞光伏：效率27.18%，可重復(fù)性直接拉高5倍

轉(zhuǎn)自 量子位

在材料學(xué)界，研發(fā)高效鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）一直被戲稱為“頂級煉丹術(shù)”。

同一個(gè)配方，不同的人、甚至同一個(gè)人的不同心情，做出來的效率可能天差地別。這種高度依賴人工經(jīng)驗(yàn)、低效試錯的“作坊模式”，不僅拖慢了效率，更成了產(chǎn)業(yè)化的攔路虎。

但現(xiàn)在，香港城市大學(xué)朱宗龍、曾曉成團(tuán)隊(duì)給出了終極終結(jié)方案。

他們首創(chuàng)了一套AI驅(qū)動的自動化閉環(huán)研發(fā)平臺。從2萬個(gè)分子的“大海撈針”，到自動化機(jī)械臂精準(zhǔn)制備，再到AI實(shí)時(shí)反饋調(diào)整，全程無需人類插手。

這不僅是直接刷出了27.18%的穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率，更是AI for Science +機(jī)器人制造在光伏領(lǐng)域的首次重大突破。

人類化學(xué)家，真的可以把“搬磚”的工作交給AI了。

告別“玄學(xué)煉丹”，AI軍師上線：2萬進(jìn)1的精準(zhǔn)獵殺

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里，尋找一種新型鈍化分子往往靠“拍腦袋”或者盲目篩選。

而港城大團(tuán)隊(duì)這次展示了什么是“數(shù)據(jù)驅(qū)動的降維打擊”。他們建立了一個(gè)包含18,264種分子的龐大虛擬庫，但這僅僅是開始。

團(tuán)隊(duì)利用解釋性機(jī)器學(xué)習(xí)算法（SISSO），不僅在算力中完成了篩選，更重要的是，AI通過學(xué)習(xí)挖掘出了影響效率的底層邏輯。AI就像一名擁有上帝視角的導(dǎo)師，在海量數(shù)據(jù)中精準(zhǔn)指路，鎖定了天選分子——5ANI。這種基于物理規(guī)律的“靶向發(fā)現(xiàn)”，比傳統(tǒng)盲目試錯快了幾個(gè)量級，更首次實(shí)現(xiàn)了界面材料研發(fā)的“去經(jīng)驗(yàn)化”。

機(jī)器人“科學(xué)家”：首個(gè)光伏研發(fā)的閉環(huán)自駕系統(tǒng)

有了好配方，誰來做？

這次，朱宗龍團(tuán)隊(duì)徹底打破了“人工制備”的瓶頸。他們研發(fā)的自動化制造平臺，絕不是簡單的機(jī)械重復(fù)，而是一個(gè)擁有“大腦”的閉環(huán)自駕系統(tǒng)。

（1）高精度執(zhí)行：機(jī)器人精準(zhǔn)控制旋涂速度、滴定時(shí)間、退火溫度，誤差范圍比人類頭發(fā)絲還要細(xì)。

（2）貝葉斯優(yōu)化（BO）：每做完一批電池，AI會自動分析結(jié)果，如果效果不好，它會通過博弈算法原地自我迭代，更新下一批次的工藝參數(shù)。

這種“設(shè)計(jì)-制造-測試-反饋”的全自動閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)了光伏領(lǐng)域首個(gè)真正意義上的自主研發(fā)路徑。

硬核戰(zhàn)果

這套AI自駕系統(tǒng)的表現(xiàn)，可以用“出道即巔峰”來形容：

（1）效率屠榜：穩(wěn)態(tài)認(rèn)證效率27.18%（小電池），業(yè)界頂流；迷你模組效率達(dá)23.49%，證明了AI方案的規(guī)模化潛力。

（2）穩(wěn)定性極佳：經(jīng)受住了ISOS-L-1I的嚴(yán)苛考驗(yàn)，1200小時(shí)運(yùn)行后效率幾乎沒有損耗（保持率98.7%）。

（3）可重復(fù)性神話：這是最讓科研人員破防的一點(diǎn)——自動化制備的效率分布極窄，可重復(fù)性比人工操作直接提升了5倍。

范式革新：定義光伏研發(fā)的“下一代標(biāo)準(zhǔn)”

這項(xiàng)研究之所以能登上《Nature》，其意義遠(yuǎn)不止于一個(gè)效率紀(jì)錄，而在于它重新定義了科研的玩法。

朱宗龍教授團(tuán)隊(duì)證明了，通過AI for Science +機(jī)器人自動化，我們可以將人類從繁重冗余的體力實(shí)驗(yàn)中解放出來，轉(zhuǎn)而從事更高層級的科學(xué)策略思考。

這種“自動駕駛”式的研發(fā)范式，不僅為鈣鈦礦產(chǎn)業(yè)化掃清了“一致性”障礙，更標(biāo)志著新材料開發(fā)正式告別了靠運(yùn)氣、靠經(jīng)驗(yàn)的舊時(shí)代，邁入了科學(xué)驅(qū)動的數(shù)字文明時(shí)代。

一句話總結(jié)

這不僅僅是效率的提升，更是AI for Science在光伏研發(fā)領(lǐng)域的首次重大突破。以后開發(fā)新材料，器件制造工藝優(yōu)化，可能真的只需要輸入需求，然后坐等收貨了。

網(wǎng)友點(diǎn)評：“以后發(fā)論文，致謝名單第一位是不是得寫：感謝我的AI合作伙伴和那任勞任怨的機(jī)械臂們？”

論文圖文詳解（供參考）

AI +自動化機(jī)器人制備的自主閉環(huán)研發(fā)框架

研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)貫穿“分子發(fā)現(xiàn)”與“工藝優(yōu)化”的自主閉環(huán)系統(tǒng)。該框架的核心在于將基于機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的材料設(shè)計(jì)與高保真的自動化制造平臺深度整合。

系統(tǒng)首先利用RDKit和量子力學(xué)計(jì)算構(gòu)建了包含近兩萬種分子的虛擬庫，通過主動學(xué)習(xí)識別關(guān)鍵特征。隨后，自動化機(jī)器人平臺根據(jù)模型指令進(jìn)行實(shí)地合成與器件制備，并利用貝葉斯優(yōu)化實(shí)時(shí)調(diào)整退火溫度、溶劑比例等關(guān)鍵工藝參數(shù)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果即時(shí)反饋至數(shù)據(jù)模型中。

這種閉環(huán)范式徹底改變了依賴人工經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)“試錯法”，標(biāo)志著鈣鈦礦研究從“手動駕駛”向“智能駕駛”的跨越。

解釋性機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動的界面材料精準(zhǔn)篩選

為了在浩如煙海的候選分子中定位最優(yōu)解，團(tuán)隊(duì)利用SISSO（符號回歸與壓縮感知）算法建立了結(jié)構(gòu)-性能的內(nèi)在映射，從海量候選者中精準(zhǔn)鎖定了新型鈍化分子5ANI。

該分子特有的氰基與吡啶環(huán)結(jié)構(gòu)被預(yù)測具有極強(qiáng)的表面成鍵能，能與鈣鈦礦表面產(chǎn)生高效的化學(xué)錨定。這種由AI驅(qū)動的“靶向篩選”不僅極大地縮短了研發(fā)周期，更從本質(zhì)上揭示了提升光電轉(zhuǎn)換效率的分子邏輯。

器件光電性能突破與卓越的可重復(fù)性驗(yàn)證

在AI驅(qū)動的自主工藝精進(jìn)下，5ANI鈍化的鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出驚人的性能表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)測得其實(shí)驗(yàn)室效率高達(dá)27.22%（認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率為27.18%），同時(shí)在21.4 cm2的大面積組件上也實(shí)現(xiàn)了23.49%的領(lǐng)先效率。

除了性能指標(biāo)的刷新，該平臺最具革命性的貢獻(xiàn)在于對實(shí)驗(yàn)“保真度”的控制。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，自動化平臺產(chǎn)出的器件數(shù)據(jù)分布極窄，其制造可重復(fù)性較當(dāng)前手動操作制備提升了近5倍。這一突破有力證明了AI與自動化結(jié)合是解決鈣鈦礦領(lǐng)域長期存在的“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波動”難題、邁向規(guī)模化量產(chǎn)的關(guān)鍵途徑。

多維表征深度解析5ANI的鈍化機(jī)理

通過一系列精密物理表征，研究團(tuán)隊(duì)深入剖析了5ANI帶來的增益機(jī)制。準(zhǔn)費(fèi)米能級分裂（QFLS）與電致發(fā)光效率測試證實(shí)，5ANI顯著抑制了界面處的非輻射復(fù)合，極大地減少了能量損耗。光致發(fā)光（PL）成像則揭示了5ANI在改善薄膜空間均勻性方面的卓越能力，其光學(xué)效率分布呈現(xiàn)出極高的規(guī)整度。結(jié)合熱導(dǎo)納譜對陷阱態(tài)密度的精確測量，證明了5ANI能夠有效鈍化深層缺陷并優(yōu)化能級匹配。

期刊名稱：
Nature
第一作者（或者共同第一作者）：
高丹鵬，陸帥華，張春雷，王寧，余澤鑫，孫祥浪
通訊作者（或者共同通訊作者）：
朱宗龍，曾曉成，Samuel D. Stranks
通訊單位：
香港城市大學(xué)，劍橋大學(xué)
論文DOI：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10482-y

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