Einführung in die Materialinformatik-Plattform (MIP)
Demonstriert an Perowskit-Solarzellen und Festkörperbatterien
Basila Kattouf, Ph.D. - Kundenerfolg - Materials Zone
Kontakt: Contact@Materials.Zone, Vereinbaren Sie einen Termin,
Materials Zone Präsentation auf TechBlick - Donnerstag, 16. Juni 2022 14:45-15:05 (CET)
Besuchen Sie unseren virtuellen Stand
Die Revolution der Materialinformatik-Plattform (MIP)
Materials Zone ist eine Materialinformatik-Plattform (AI/ML) oder kurz MIP. Wie schon die CRM-Revolution im Marketing/Vertrieb ist die MIP die nächste organisatorische Plattform-Revolution für Materialien/Produkte. Auf der Grundlage von KI/ML visualisiert sie in kürzester Zeit alle Erkenntnisse aus allen Daten und dient mehreren Interessengruppen - F&E, Lieferkette, Fertigung und Unternehmen. So beschleunigt es die Material-/Produktinnovation von der Entdeckung bis zur Kommerzialisierung.
Das MIP nimmt mehrdimensionale, unstrukturierte und verstreute Materialdaten auf und wandelt sie in ML-gesteuerte Ergebnisse für F&E, Lieferkette und Fertigung um. Dies geschieht schnell, kosteneffizient und nachhaltig auf einer kollaborativen Organisationsplattform. Materials Zone ist bereichsunabhängig und hat sich bereits in den Bereichen Solarzellen, Festkörperbatterien, Wasserstofftechnologien, Baumaterialien, Polymere, 3D-Druck, Legierungen, Beschichtungen, Verpackungen, Gesundheitswesen, Messtechnik und mehr bewährt. Folgen Sie den Video-Links zu den Plattform-Demonstrationen im Zusammenhang mit den unten aufgeführten Beispielen.
Abb. 1: Materials Zone (MIP) - Von Rohdaten zu schnellen Erkenntnissen - Kurzes Dokument herunterladen
Wir werden die Plattform anhand der Perowskit-Solarzellen (PSC) aus dem Perowskit-Datenbankprojekt demonstrieren (www.perovskitedatabase.com), das von 98 Wissenschaftlern gesammelt und auf Materials Zone gehostet wurde und über 42.000 Geräte aus über 15.000 Forschungsarbeiten enthält. Das PDP wurde in der Zeitschrift Nature Energy angekündigt und bietet Forschern einen besseren Ausgangspunkt, indem es das gesammelte globale Wissen nutzt. Anschließend werden wir eine kurze Demonstration mit Festkörperbatterien durchführen.
Warum sind Perowskite interessant?
Perowskit-Solarzellen (PSC) werden als bahnbrechende Technologie in der PV-Industrie prognostiziert, da sie in der Lage sind, einen sehr hohen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung (PCE) zu erreichen, der von 3,8 % im Jahr 2009 auf 25,7 % im Jahr 2022 ansteigt (https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh1885). Der hohe Wirkungsgrad in Verbindung mit der leichten und flexiblen Beschaffenheit (1/10 des Gewichts pro Quadratmeter im Vergleich zu Silizium) macht PSCs sehr attraktiv. Rethink Energy prognostiziert, dass PSCs bis 2025 einen Anteil von 7 % am globalen Photovoltaikmarkt erreichen können, der bis 2030 auf >29 % ansteigen wird (unter der Annahme, dass der prognostizierte Wirkungsgrad um 30 % steigt und die Kosten um bis zu 50 % sinken). Allied Market Research schätzt, dass der weltweite Markt für Perowskit-Solarzellen bis 2030 ein Volumen von 6,6 Mrd. $ erreichen wird, mit einer CAGR von 32,4 % zwischen 2021 und 2030.
Ein typischer PSC besteht aus fünf Hauptbausteinen:
Transparentes leitfähiges Oxid (TCO).
Elektronen transportierende Schicht (ETL).
Perowskit.
Löchertransportierende Schicht (HTL).
Rückseitenkontakt.
Abb. 2: Ein typischer PSC-Stapel; (a) direkte Architektur, (b) invertierte Architektur. Bildnachweis: https://doi.org/10.1021/acsami.5b01049
Die Leistung jedes PSC-Bauteils wird mit einem Solarsimulator gemessen, und die vier wichtigsten Leistungsindikatoren (PCE, FF, Voc, Jsc) werden anhand von I-U-Kurven berechnet/beobachtet.
Ein Tag im Labor
Die tägliche F&E-Tätigkeit umfasst die Feinabstimmung zahlreicher Variablen für jeden Baustein, wie z. B. Materialien, Zusammensetzungen, Abscheidungstechniken, Prozesse, Temperatur, andere Parameter usw. Der von uns ausgewählte PDP-Teilsatz ist eine besonders interessante Präparationstechnik, bei der die 4 Leistungsindikatoren jeweils von 40 Deskriptoren abhängen.
Jeder dieser 44 Indikatoren und Deskriptoren kann direkt aus Instrumenten gewonnen werden und/oder erfordert zusätzliche Berechnungen. Für jede neue Probe (Solarzelle), die getestet wird, muss dies wiederholt werden.
Da es schwierig ist, von vornherein festzustellen, welche Deskriptoren am aussagekräftigsten sind, müssen bei jedem Test einer neuen Probe alle 160 (4 mal 40) Streudiagramme erstellt werden. Diese müssen überprüft und verglichen werden, um den nächsten Solarzellentest zu entwerfen. Wenn dies nicht automatisiert wird, ist dies sehr zeit- und arbeitsaufwändig und führt zu "Versuch und Irrtum" statt zu Schlussfolgerungen.
Freihändige Datenvisualisierung ohne großen Aufwand
Materials Zone automatisiert die Aufnahme der 44 Indikatoren und Deskriptoren und ermöglicht es den Forschern, die Daten und die daraus resultierenden Erkenntnisse visuell zu vergrößern. Sie zeigt die wichtigsten Deskriptoren an, indem sie alle 160 Diagramme sofort mit einer leicht vergleichenden Suche unter Verwendung der Pearson-Korrelationsmatrix berechnet. Dunkelrote und dunkelblaue "Quadrate" zeigen die am stärksten korrelierten Plots an und können durch einfaches Anklicken des "Quadrats" angezeigt werden. Es ermöglicht auch eine intelligente "Suche" durch die Proben mit Hilfe einer Histogrammansicht.
Dieses 60-Sekunden-Video zeigt alles, vom Dateieingang über die Dateivisualisierung und die Korrelation (Streudiagramm-Suche) bis hin zur Histogramm-Suche (Flussvideo)
So können die Forscher im folgenden Evolutionszyklus schnell zur optimalen Solarzelle konvergieren. In jedem Schritt definieren die Forscher den nächsten Test, bei dem die datengesteuerten Schlussfolgerungen darin bestehen können, zum optimalen Design zu konvergieren, oder dass nicht genügend Deskriptoren gemessen wurden, oder dass der Datensatz nicht genügend Zellvielfalt enthält, um ein Vorhersagemodell richtig zu erstellen.
Abbildung 3: Veranschaulichung des Flusses ausgehend von den Forschern und zurück zu ihnen. Der schwarze Pfeil beschreibt die Aufgaben, die die Forscher erledigen, während die türkisfarbenen Pfeile die Aufgaben beschreiben, die automatisch von Materials Zone ausgeführt werden. Klicken Sie hier, um ein Video mit Kundenaussagen anzusehen, in dem die oben genannten Punkte im Zusammenhang mit der Perowskit-Forschung erläutert werden.
Schnelle Einblicke
Die manuelle Bearbeitung der I-U-Kurven aus dem Solarsimulator, die anschließende Berechnung der vier Leistungsindikatoren und die Erstellung von 160 Diagrammen würde mehr als einen ganzen Tag mühsamer Arbeit erfordern. Die Durchsicht dieser Diagramme, um nach Erkenntnissen zu suchen, könnte dann noch länger dauern.
Wie im Demovideo zu sehen ist, dauerte es bei Materials Zone weniger als eine Minute, um die leuchtend roten Korrelationsquadrate" zu entdecken, die sofort auf die folgenden Diagramme hinwiesen:
Abb. 4: Diagramme mit den vier Leistungsindikatoren (Jsc, Voc, FF, PCE) im Vergleich zur ETL-Dicke.
Die negative Korrelation zwischen der ETL-Dicke und der PSC-Leistung bei dieser Präparationstechnik aus der Perowskit-DB mag die Forscher überraschen oder auch nicht. Auf jeden Fall ist die wahrscheinliche Folge, dass weitaus dünnere ETLs getestet werden müssen, um die optimale Dicke zu finden und andere Faktoren zu kontrollieren. Weitere Module der Materials Zone sind erforderlich, um ein genaues Vorhersagemodell zu erhalten.
Warum sind Solid-State-Batterien interessant?
Festkörperbatterien versprechen eine höhere Energiedichte als die derzeitigen Li-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten. Außerdem besteht bei ihnen keine Explosions- oder Brandgefahr. Neben dem Sicherheitswert an sich besteht also auch kein Bedarf an Sicherheitskomponenten, wodurch noch mehr Platz gespart wird. Daher ist die Festkörperbatterietechnologie insbesondere für Elektrofahrzeuge ein führender Kandidat.
Batterien haben mindestens so viele Dimensionen wie PSC. Außerdem müssen sie in sehr langen Zyklen mit wiederholten Lade- und Entladevorgängen getestet werden. Das bedeutet mehr Daten für jede Probe und mehr Zeit für den Abschluss der Probenprüfung. Daher ist es immer schwieriger, kostspieliger und zeitaufwändiger, diese Daten zu sammeln, zu modellieren und zu analysieren.
Zusätzlich zu dem, was Sie bisher von Materials Zone gesehen haben, sehen Sie sich bitte das folgende Video an, in dem gezeigt wird, wie Forscher diese Zyklen bei allen getesteten Batterien mithilfe der von der Plattform bereitgestellten Analysewerkzeuge schnell analysieren können. Dadurch beschleunigen sie ihre Prozesse und reduzieren den Aufwand und die verstrichene Zeit.
Zusammenfassend
Wir haben die folgenden Punkte kurz diskutiert und demonstriert:
FuE-Aktivitäten zur Entwicklung materialbasierter Produkte (wie Solarzellen und Batterien) sind ein mehrdimensionales Problem.
Um mehrdimensionale Probleme effizient zu analysieren, ist eine ganzheitliche Sichtweise, die alle Dimensionen und die Korrelationen zwischen ihnen in einer einzigen Ansicht darstellt, unerlässlich.
Wir haben gezeigt, wie eine ganzheitliche Einzelansicht des Projektverlaufs den Forschern dabei helfen kann, bessere F&E-Entscheidungen über die nächsten Schritte zu treffen.
Wir haben demonstriert, wie die Materials Zone Platform die Effizienz (Faktor 10) des Sammelns, Speicherns und Analysierens von F&E-Daten automatisieren und erheblich verbessern kann, um aufschlussreiche Muster zu erkennen.
[This is automatically translated from English]
