بهینه سازی بیزی (BO) می تواند به تعیین شرایط رسوب بهینه برای فیلم های غیرفعال با کارایی بالا در سلول های خورشیدی کمک کند. با این حال، پیاده‌سازی‌های ساده به فیلم‌های بیش از حد ضخیم یا شرایط رسوب غیرممکن دلالت دارند. اخیراً، محققان ژاپنی یک طرح BO محدود جدید ایجاد کرده‌اند که چندین مدل پیش‌بینی را ترکیب می‌کند تا شرایط تاخیر پیشنهادی را به مقادیر واقعی محدود کند. استراتژی آنها می تواند به حداقل رساندن آزمون و خطا و بهبود عملکرد مواد در زمینه های مختلف کمک کند.
در مواجهه با تهدید فزاینده تغییرات آب و هوایی، در چند دهه اخیر شاهد پیشرفت های عمده ای در فناوری انرژی خورشیدی بوده ایم. به طور خاص، سلول‌های خورشیدی ناهمگونی سیلیکونی (SHJ) به یک موضوع داغ در این زمینه تبدیل شده‌اند، زیرا می‌توانند به راندمان تبدیل انرژی بسیار بالایی برسند. کارایی سلول های خورشیدی SHJ تا حد زیادی به کیفیت لایه غیرفعال شدن آنها بستگی دارد. این لایه نازک که از سیلیکون آمورف هیدروژنه ذاتی (ia-Si:H) ساخته شده است، به جلوگیری از از دست رفتن حامل های بار تحریک شده با نور (مانند الکترون ها) در طی فرآیند نوترکیبی کمک می کند.
اخیراً، محققان مؤسسه علوم و فناوری پیشرفته ژاپن (JAIST) روی استفاده از روشی به نام رسوب شیمیایی کاتالیزوری بخار (Cat-CVD) برای تشکیل لایه‌های غیرفعال نازک روی سلول‌های خورشیدی SHJ تمرکز کردند. به طور کلی، Cat-CVD یک تکنیک جذاب و بسیار کارآمد است که برخلاف روش‌های رسوب‌گذاری مبتنی بر پلاسما، می‌تواند بدون ایجاد آسیب به بستر، فیلم‌ها را رسوب دهد. با این حال، تعیین شرایط رسوب بهینه برای به دست آوردن فیلم های ia-Si:H با کیفیت بالا دشوار است. این به این دلیل است که Cat-CVD چندین پارامتر قابل تنظیم از جمله دمای بستر، نرخ جریان گاز و زمان رسوب دارد. بنابراین، تعیین بهترین ترکیب از طریق آزمون و خطا بسیار زمان بر است.
اکنون، در یک مطالعه اخیر که به صورت آنلاین در 8 فوریه 2024 منتشر شد و در منتشر شد مواد و رابط های کاربردی ACS در 21 فوریه 2024، یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور Keisuke Ohdaira از JAIST یک استراتژی نوآورانه و کارآمد برای به دست آوردن شرایط بهینه برای رسوب Cat-CVD ایجاد کردند. این مطالعه توسط دانشجوی کارشناسی ارشد Ryota Ohashi، استادیار Huynh Thi Cam Tu، و متخصص فنی ارشد Koichi Higashimine از JAIST همراه با دکتر Kentaro Kutsukake، محقق RIKEN انجام شد.
استراتژی پیشنهادی مبتنی بر کاربرد عملی یک تکنیک بهینه‌سازی است که به نام «بهینه‌سازی بیزی» (BO) شناخته می‌شود. این روش رایج، که بر یادگیری ماشین تکیه دارد، می تواند برای تعیین حداکثر یک تابع با شکل ناشناخته استفاده شود. در زمینه Cat-CVD، BO شامل یک فرآیند متوالی است که در آن مجموعه ای از شرایط رسوب گذاری شناخته شده و خروجی مربوط به آنها به الگوریتم داده می شود، که سپس خروجی را برای شرایط رسوبی که هنوز ارزیابی نشده اند، پیش بینی می کند. با آزمایش مکرر شرایط تاخیر پیش‌بینی‌شده و بازگرداندن نتایج به الگوریتم، در نهایت روی مقادیر بهینه قرار می‌گیرد.
با این حال، اعمال BO برای مشکل Cat-CVD ساده نیست. پروفسور اوهدایرا توضیح می‌دهد: «با یک بهینه‌سازی ساده بیزی که صرفاً با هدف به حداکثر رساندن طول عمر حامل انجام می‌شود، هیچ عملکرد تنظیم ضخامت لایه برای شرایط آزمایشی زیر پیشنهاد نشده است، که منجر به ایجاد لایه‌های ضخیم می‌شود که می‌تواند مشکلات عملیاتی ایجاد کند». علاوه بر این، شرایط آزمایشی پیشنهادی ممکن است منجر به ترکیباتی شود که امکان‌پذیر نیست، مانند عدم تطابق بین نرخ جریان گاز و ظرفیت تخلیه تجهیزات رسوب‌گذاری فیلم.
برای رفع این محدودیت ها، محققان یک طرح بهینه سازی عملی به نام “BO محدود” را اجرا کردند. در این، آنها سه مدل مختلف پیش‌بینی را با هم ترکیب کردند. اولی عملکرد فیلم رسوب‌شده را از نظر طول عمر حامل شارژ پیش‌بینی می‌کند. مدل دوم فشار رسوب را بر اساس نرخ جریان گاز ورودی تخمین می زند، که به رد شرایط رسوب غیرممکن یا غیر واقعی کمک می کند. در نهایت، مدل سوم به محدود کردن ضخامت فیلم پیشنهادی کمک کرد در حالی که زمان رسوب را در نظر گرفت، یک پارامتر مهم در Cat-CVD.
پس از تغذیه مدل ترکیبی خود با 14 نمونه اولیه (از نظر شرایط رسوب گذاری و ویژگی های فیلم اندازه گیری تجربی)، محققان تنها به انجام هشت چرخه بهینه سازی برای دستیابی به طول عمر حامل بالا نیاز داشتند که پس از بیست سیکل به بهینه سازی کامل می رسید. جالب توجه است که پیشنهادات مدل به تیم تحقیقاتی کمک کرد تا ترکیبات ناشناخته قبلی از پارامترها را شناسایی کند که منجر به طول عمر حامل طولانی می شود. “با تغییر پارامترهای چند لایه لایه بر اساس پیشنهادهای بهینه سازی بیزی محدود، ما دریافتیم که ترکیبی از دمای بستر در طول رسوب فیلم و سرعت جریان گاز پیش ساز SiH4 پروفسور اوهدایرا تاکید می کند که برای دستیابی به توانایی قوی برای سرکوب نوترکیبی حامل بسیار مهم است.
با هم، یافته های این مطالعه پتانسیل BO محدود را برای توسعه نه تنها سلول های خورشیدی با کارایی بالا، بلکه انواع دستگاه ها را نشان می دهد. پروفسور اوهدایرا نتیجه می گیرد: “رویکرد پیشنهادی باید در طیف وسیعی از زمینه ها برای بهینه سازی عملی فرآیندهای پیچیده مواد، از جمله رسوب فیلم، که در تولید اکثر دستگاه های الکترونیکی اساسی است، قابل استفاده باشد.”
امیدواریم این تلاش ها به بازگشایی پتانسیل واقعی BO کمک کند و راه را برای فرآیندهای تولید کارآمدتر و فناوری های انرژی پایدار هموار کند.
