Scanning Electron Microscopy (SEM) is indispensable for characterizing the microstructure of thin films during perovskite solar cell fabrication. Accurate identification and quantification of lead iodide and perovskite phases are critical because residual lead iodide strongly influences crystallization pathways and defect formation, while the morphology of perovskite grains governs carrier transport and device stability. Yet current SEM image analysis is still largely manual, limiting throughput and consistency. Here, we present an automated deep learning-based framework for SEM image segmentation that enables precise and efficient identification of lead iodide, perovskite and defect domains across diverse morphologies. Built upon an improved YOLOv8x architecture, our model named PerovSegNet incorporates two novel modules: (i) Adaptive Shuffle Dilated Convolution Block, which enhances multi-scale and fine-grained feature extraction through group convolutions and channel mixing; and (ii) Separable Adaptive Downsampling module, which jointly preserves fine-scale textures and large-scale structures for more robust boundary recognition. Trained on an augmented dataset of 10,994 SEM images, PerovSegNet achieves a mean Average Precision of 87.25% with 265.4 Giga Floating Point Operations, outperforming the baseline YOLOv8x-seg by 4.08%, while reducing model size and computational load by 24.43% and 25.22%, respectively. Beyond segmentation, the framework provides quantitative grain-level metrics, such as lead iodide/perovskite area and count, which can serve as reliable indicators of crystallization efficiency and microstructural quality. These capabilities establish PerovSegNet as a scalable tool for real-time process monitoring and data-driven optimization of perovskite thin-film fabrication.The source code is available at:https://github.com/wlyyj/PerovSegNet/tree/master.


翻译:扫描电子显微镜(SEM)在钙钛矿太阳能电池制备过程中对薄膜微观结构的表征不可或缺。准确识别和量化碘化铅与钙钛矿相至关重要,因为残留碘化铅会显著影响结晶路径和缺陷形成,而钙钛矿晶粒的形貌则决定载流子传输与器件稳定性。然而,目前的SEM图像分析仍主要依赖人工,限制了处理效率和一致性。本文提出一种基于深度学习的自动化SEM图像分割框架,能够精确高效地识别不同形貌下的碘化铅、钙钛矿及缺陷区域。基于改进的YOLOv8x架构,我们提出的PerovSegNet模型包含两个创新模块:(i)自适应混洗膨胀卷积块,通过分组卷积和通道混合增强多尺度与细粒度特征提取;(ii)可分离自适应下采样模块,协同保留细尺度纹理与大尺度结构以实现更鲁棒的边界识别。在包含10,994张SEM图像的增强数据集上训练后,PerovSegNet以265.4 Giga浮点运算量实现了87.25%的平均精度均值,较基准模型YOLOv8x-seg提升4.08%,同时模型大小和计算负载分别降低24.43%和25.22%。除分割功能外,该框架还可提供晶粒级定量指标(如碘化铅/钙钛矿面积与数量),这些指标可作为结晶效率和微观结构质量的可靠判据。这些能力使PerovSegNet成为钙钛矿薄膜制备实时过程监控与数据驱动优化的可扩展工具。源代码发布于:https://github.com/wlyyj/PerovSegNet/tree/master。

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