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新型聚合基元指紋:如何賦能高性能OPV材料AI設(shè)計?

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在過去的十年中,全球環(huán)保意識的日益增強以及對可再生能源需求的持續(xù)增長,極大地推動了光伏技術(shù)的快速發(fā)展。作為最具代表性的碳中和能源和增長最快的可再生能源,太陽能技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和實際應(yīng)用。在眾多光伏技術(shù)中,有機光伏(OPV)憑借其高通量制造的顯著優(yōu)勢,成為了一種具有革命性的太陽能技術(shù)。然而,與無機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池相比,OPV在功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)和長期穩(wěn)定性方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。

此外,傳統(tǒng)的OPV材料開發(fā)過程通常依賴于大量的試錯實驗,包括復(fù)雜的化學(xué)合成和新型受體的PCE測試,這不僅耗費大量的時間和資源,也嚴重制約了材料開發(fā)的效率。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),研究人員開始探索利用人工智能(AI)技術(shù)來預(yù)測材料特性和篩選潛在候選材料,從而減輕實驗過程的資源密集型負擔(dān),并顯著縮短材料開發(fā)周期。通過引入先進的機器學(xué)習(xí)算法和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)表征方法,研究人員能夠更高效地設(shè)計、優(yōu)化和篩選高性能OPV材料,進一步推動了光伏技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

來自南方科技大學(xué)葉財超團隊與南京理工大學(xué)熊攀、居學(xué)海團隊合作,提出了一種基于“聚合基元指紋”(PUFp)的機器學(xué)習(xí)策略,用于高效設(shè)計與開發(fā)高性能非富勒烯受體材料(NFA)。這一跨學(xué)科研究結(jié)合機器學(xué)習(xí)與材料科學(xué),為有機光伏材料設(shè)計提供了新思路。研究團隊通過整合機器學(xué)習(xí)與PUFp結(jié)構(gòu)表示方法,開發(fā)了一個高效的預(yù)測模型,能夠準確識別聚合物單元與功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)之間的關(guān)聯(lián)。



Fig. 1 Explanation of Fingerprints and Descriptors



Fig. 2 Workflow of Building, Application, and Evaluations of Machine Learning Methods in This Work.

PUFp基于團隊前期提出的“聚合基元”(PUs)概念,利用PURS腳本對有機光伏(OPV)數(shù)據(jù)集中的SMILES字符串進行PUs識別與劃分,生成指紋特征。每個OPV分子表示為一個維度為(T, N)的節(jié)點矩陣,通過求和運算得到PUFp指紋。這種方法顯著提升了模型預(yù)測的準確性,為OPV材料的性能預(yù)測與優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。為評估PU對PCE的貢獻,研究團隊對1343種NFA材料進行了SHAP分析,量化了PUs對PCE的影響,并揭示了其作為供體/受體(D/A)聚合物分子構(gòu)建塊的作用機理。



Fig. 3 Key Features Analysis.



Fig. 4 Statistics of Experimental Device Parameters (~1343 points).



Fig. 5 Polymer-Unit Library: Polymer Units are Classified According to the Number of Rings and the Type of Elements

通過組合優(yōu)化關(guān)鍵PU,團隊成功設(shè)計了多種高性能OPV材料,展示了PUFp-ML方法在新材料設(shè)計中的強大能力。團隊還構(gòu)建了高質(zhì)量的OPV材料實驗數(shù)據(jù)集,利用PUFp-ML模型篩選出兩種最具應(yīng)用前景的NFA材料。



Fig. 6 Identification of Key Polymer Units by Using a SHAP Evaluation.



Figure 7 Design and Screening of High PCE OPV Acceptor Materials

該研究揭示了人工智能方法在設(shè)計和優(yōu)化NFA材料中的潛力,特別是在PCE預(yù)測方面具有顯著優(yōu)勢。團隊開發(fā)PUFp-AI驅(qū)動方法為NFA材料的高效篩選提供了創(chuàng)新解決方案,加速了下一代高性能OPV材料的開發(fā)和機制研究。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41524-025-01608-3

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