Perovskite photovoltaics (PV) have achieved rapid development in the past decade in terms of power conversion efficiency of small-area lab-scale devices; however, successful commercialization still requires further development of low-cost, scalable, and high-throughput manufacturing techniques. One of the key challenges to the development of a new fabrication technique is the high-dimensional parameter space, and machine learning (ML) can be used to accelerate perovskite PV scaling. Here, we present an ML-guided framework of sequential learning for manufacturing process optimization. We apply our methodology to the Rapid Spray Plasma Processing (RSPP) technique for perovskite thin films in ambient conditions. With a limited experimental budget of screening 100 conditions process conditions, we demonstrated an efficiency improvement to 18.5% for the best device, and we also experimentally found 10 unique conditions to produce the top-performing devices of more than 17% efficiency, which is 5 times higher rate of success than pseudo-random Latin hypercube sampling. Our model is enabled by three innovations: (a) flexible knowledge transfer between experimental processes by incorporating data from prior experimental data as a soft constraint; (b) incorporation of both subjective human observations and ML insights when selecting next experiments; (c) adaptive strategy of locating the region of interest using Bayesian optimization first, and then conducting local exploration for high-efficiency devices. Furthermore, in virtual benchmarking, our framework achieves faster improvements with limited experimental budgets than traditional design-of-experiments methods (e.g., one-variable-at-a-time sampling).


翻译:过去十年来,在小型实验室设备电流转换效率方面, Perovskite光伏伏(PV)实现了快速的快速发展;然而,成功的商业化仍然需要进一步开发低成本、可缩放和高通量制造技术。 开发新制造技术的主要挑战之一是高维参数空间和机器学习(ML),可以用来加速光伏渗透率的缩放。在这里,我们提出了一个ML指导的制造流程优化连续学习框架。我们将我们的方法应用于快速喷射等离子膜处理技术(RSPP),用于环境条件下的渗透薄薄膜。在有限的实验预算筛选100个条件过程条件下,我们展示了效率提高至18.5%的最佳装置,我们还在实验中发现了10个独特的条件,以产生超过17%的顶级效率装置,这比我们伪随机拉丁超立方取样的成功率高5倍。我们的模式通过三种创新得以实现。 (a)通过将先前实验性数据纳入下一个实验性数据,将微薄薄膜薄薄膜处理技术,将实验过程灵活地转移知识,作为软性精确的试测度预算,(b)在进行高水平的测试时,同时选择人类主观性设计区域。

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