\化学×ロボット×AI/太陽電池作製の溶液プロセスを自動化し、多様なパラメータを取得解析する手法を開発 ーペロブスカイト太陽電池素子プロセスへ応用ー

2026-10-30 大阪大学

大阪大学の研究グループは、次世代太陽電池として期待されるペロブスカイト太陽電池について、薄膜の溶液成膜工程をロボットで自動化し、製造条件や膜の変化をリアルタイムで計測・解析するシステムを開発した。協働ロボットによる溶液の滴下、スピンコート、熱処理などの工程に加え、温度、湿度、酸素濃度、溶媒蒸気濃度などの環境情報や、成膜中の色変化、貧溶媒滴下の様子をカメラで取得する。400枚以上の薄膜を作製して得た多様なデータを機械学習で解析した結果、材料組成や添加剤によって温度の影響が異なること、貧溶媒の滴下条件が膜の物性に大きく影響することを明らかにした。解析結果を実際の素子製造に反映し、変換効率24.4%を達成した。製造工程の再現性向上や条件最適化に加え、他の薄膜材料や溶液プロセスへの応用も期待される。AI、ロボット、材料科学を融合したラボオートメーションの先進事例である。

\化学×ロボット×AI/太陽電池作製の溶液プロセスを自動化し、多様なパラメータを取得解析する手法を開発 ーペロブスカイト太陽電池素子プロセスへ応用ー
図1. ペロブスカイト太陽電池薄膜の成膜プロセス模式図。

<関連情報>

高解像度データ取得と機械学習解析によるペロブスカイト薄膜の自動作製 Automated Perovskite Film Fabrication with High-Resolution Data Acquisition and Machine Learning Analysis

Ryosuke Kado; Fumiya Iwai; Ryosuke Nishikubo; Fumitaka Ishiwari; Akinori Saeki
ACS Nano  Published: DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.6c11386

Abstract

Lead halide perovskite solar cells have emerged as promising candidates for next-generation photovoltaics; nevertheless, fabrication of the perovskite photoactive layer remains highly intricate with film formation strongly modulated by various processing and environmental factors. Here, we report an environment-controlled, robot-assisted platform for automated thin-film fabrication designed to quantify and visualize perovskite crystallization in situ. Beyond precise control of each processing step, the system captures dynamic phenomena spanning subsecond color evolution and millisecond antisolvent droplet behavior while simultaneously recording slower environmental parameters (temperature, humidity/moisture, and concentrations of oxygen and volatile organic compounds). For optoelectronic assessment, we implemented time-resolved microwave conductivity (TRMC) measurements together with photoluminescence intensity quantification by using a complementary automated evaluation system. By combining machine-learning regression with SHAP (Shapley additive explanations) analysis, we identify the environmental parameters that most impact film properties and propose a feedback strategy to refine data and extract precise effects of process factors. A comparative study of a two-cation perovskite, (FAPbI3)0.87(MAPbBr3)0.13, and a three-cation perovskite, FA0.85MA0.10Cs0.05PbI3, further reveals markedly different sensitivities to environmental factors (FA, formamidinium; MA, methylammonium), in particular, temperature and resultant phase transition kinetics during thermal annealing. Based on the ML analysis and feedback, we tuned the antisolvent droplet velocity and obtained the maximized power conversion efficiency of 24.4%. Notably, this manual device fabrication was consistent with the results obtained by the automated system. This work establishes a practical route to stable, quantitative, and mechanistically informed investigation of solution-processed photovoltaic films.

0403電子応用
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