「自動化 × AI」重塑鈣鈦礦研發：美國高通量材料篩選的產業化戰略分析
- tenlife2019
- 8月10日
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已更新：8月11日
摘要
美國近年將高通量材料篩選（High-Throughput Screening, HTS）與機器學習（Machine Learning, ML）技術深度整合，應用於鈣鈦礦太陽能電池的研發與規模化生產過程中。此策略旨在顯著壓縮材料設計至模組量產的時程，並同步優化光電轉換效率、長期穩定性、製程可行性與經濟性，為新一代光伏技術的商業化鋪設快速通道。
一、技術驅動背景與理論基礎
鈣鈦礦光伏系統的化學組成與製程參數高度多變且非線性耦合，單一參數的微小改動即可引發性能與穩定性的顯著變化。傳統逐點實驗法在高維參數空間中面臨指數級複雜度，導致研發效率低下且成本高昂。美國研發機構透過HTS與ML構建閉環優化系統，形成自動化實驗、即時數據分析與模型驅動設計的反饋鏈條，實現加速探索與精確優化的雙重目標。
二、核心流程與關鍵模組
1. 自動化沉積與精準乾燥控制
應用 slot-die、噴墨、噴霧等連續沉積工藝，並以氣流分佈調控、光子退火與熱歷程管理確保大面積膜層的結構均勻與重現性。ARPA-E「Unlock Perovskite Photovoltaics」專案將此類自動化與環境精控設備視為量產落地的關鍵節點。
2. 組分–濃度矩陣化優化
設計涵蓋多種金屬離子（如Sn²⁺、Cs⁺、FA⁺、MA⁺）與鹵素陰離子（I⁻、Br⁻、Cl⁻）的多維矩陣，結合實驗設計（DOE）與貝葉斯優化等演算法，以最小實驗集覆蓋最大組成空間。
3. 高通量表徵與多模態數據擷取
利用全自動PL/EL壽命測試、UV-Vis吸收譜、XRD結構解析及阻抗頻譜測量，輔以空間解析映射與變環境壽命測試，於秒級至分鐘級完成樣品評估，並直接餵入ML模型進行特徵提取與性能預測。
4. 機器學習輔助閉環實驗
構建高斯過程回歸、隨機森林與深度神經網絡等多模型架構，擬合成分–結構–性能之間的複雜關聯，預測未測組合並給出最優下一步實驗建議，以快速收斂至高效率與高穩定性的配方與製程參數。
三、代表性團隊與科研里程碑
ARPA-E / Tandem PV：開發集成高通量沉積與精準乾燥的產線級製程平台，針對可製造性瓶頸提出工程化解決方案。
NREL × CubicPV：創下24%認證效率的鈣鈦礦迷你模組，標誌美國在該領域的首次效率紀錄突破。
Stanford Dauskardt Group：實現每分鐘12公尺的高速線性沉積與快速固化，展現大規模連續製程潛力。
Caelux：將非接觸式線上表徵技術引入製程控制，提升品質監測與即時調參能力。
四、無鉛與錫基體系的探索
為應對鉛毒性問題，美國研究團隊在HTS框架下聚焦於Sn基與其他低毒候選材料，將光熱穩定性、界面化學及封裝可靠度納入多目標優化，以兼顧性能與環境安全。
五、製程挑戰與應對策略
結晶均勻性：藉由氣流與熱場設計避免邊緣效應與相分離，確保膜層品質一致。
線上品質監控：建立結構–製程–性能（PSP）關聯模型，實現全流程的即時數據追蹤與缺陷溯源。
封裝與長期耐久度：制定加速老化測試標準與失效機理模型，提前驗證模組服役壽命。
六、產業化進展（2025觀測）
效率指標：24%迷你模組效率成為美國研發新標竿。
製程落地：HTS技術經ARPA-E與SETO工程化轉化，邁向商業化中試。
應用拓展：開放環境連續製程與氣相沉積並行，支撐BIPV與矽基串聯等多場景應用。
七、對台灣研發與產業的啟示
建立HTS+ML共享平台，縮短材料與製程迭代週期。
將耐久度與效率並列為核心指標，形成差異化競爭力。
鎖定大面積製程均勻性與封裝可靠度，切入BIPV與高端模組市場。
結論
美國將HTS與AI驅動的閉環研發體系作為鈣鈦礦光伏技術的加速器，並透過政策資助與產業聯盟，快速將實驗室突破推進至中試與量產階段。此策略不僅顯著縮短技術轉化週期，也為無鉛化與大面積模組化的全球競賽奠定堅實基礎。
參考資料
DOE｜Solar Energy Technologies Office：Perovskite Solar Cellshttps://www.energy.gov/eere/solar/perovskite-solar-cells
NREL｜Funding Boosts US-MAP Research into Perovskiteshttps://www.nrel.gov/news/detail/program/2021/new-funding-for-perovskites
ARPA-E｜Unlock Perovskite Photovoltaicshttps://arpa-e.energy.gov/programs-and-initiatives/search-all-projects/unlock-perovskite-photovoltaics
NREL｜Vapor Phase Deposition of Perovskite Photovoltaicshttps://docs.nrel.gov/docs/fy24osti/88518.pdf
pv magazine USA｜NREL, CubicPV 24% Mini Modulehttps://pv-magazine-usa.com/2025/07/10/nrel-cubicpv-achieves-24-efficiency-for-perovskite-mini-solar-module
【論壇資訊】
📌 活動名稱：第五屆台灣鈣鈦礦技術暨應用論壇
📆 時間：2025年8月20日（星期三）09:00–16:00
📍 地點：長庚大學國際會議廳（桃園市龜山區）
🔗 售票連結：加入聯盟官方Line購票
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