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10月4日，美國科學(xué)家Moungi G. Bawendi，Louis E. Brus和俄羅斯科學(xué)家Alexei I. Ekimov因“發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)”獲得2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

其中的Moungi G. Bawendi，是一位鈣鈦礦太陽能電池專家。他曾在2019年創(chuàng)造了鈣鈦礦太陽能電池第10和第11個(gè)效率記錄點(diǎn)�！蹲匀弧冯s志在2021年刊發(fā)過他參與的通過載流子管理改善鈣鈦礦太陽能電池性能的研究成果。

▲Moungi G. Bawendi是美國麻省理工學(xué)院教授，Louis E. Brus在哥倫比亞大學(xué)工作，Alexei I. Ekimov是紐約納米晶體技術(shù)公司的首席科學(xué)家

而此次獲得諾貝爾獎(jiǎng)，Moungi G. Bawendi的貢獻(xiàn)主要在量子點(diǎn)的化學(xué)制備方面。他革新了量子點(diǎn)的化學(xué)生產(chǎn)方法，使得量子點(diǎn)的質(zhì)量大幅提高，并為其在各種應(yīng)用中的使用鋪平了道路。

應(yīng)用至光伏域，理論上量子點(diǎn)有將光伏電池光電轉(zhuǎn)效率極值提高一倍的潛力。

早在1997年，西班牙馬德里大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)就曾計(jì)算出量子點(diǎn)光伏電池理論上的光電轉(zhuǎn)換效率上限可達(dá)63%；2011年，東京大學(xué)納米量子信息電子研究機(jī)構(gòu)主任荒川泰彥的研究將這一數(shù)字提高到了75%，高出晶硅光伏電池已知的理論光電轉(zhuǎn)化效率上限的一倍以上。

01

一種很小的半導(dǎo)體材料

量子點(diǎn)是一種半導(dǎo)體納米材料，量子點(diǎn)有巨電導(dǎo)，可吸收比硅材料光譜范圍更廣的太陽能等特性，因此將量子點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域，將幫助光伏電池突破更高能量轉(zhuǎn)化率。

此外，量子點(diǎn)直徑通常在1~10納米之間，在拓展其在柔性光伏電池中的應(yīng)用。

量子點(diǎn)與鈣鈦礦均為第三代太陽能電池分類的范疇，我們可以在與鈣鈦礦的類比中，來認(rèn)識(shí)量子點(diǎn)。二者的共同點(diǎn)是，均能夠高效吸收光，并將其轉(zhuǎn)化為電能。量子點(diǎn)更具想象空間的點(diǎn)是，量子點(diǎn)可能顛覆鈣鈦礦電池可以“讓未來的太陽能電池變得輕薄”中“薄”的概念。鈣鈦礦涂覆層厚度大約300~500納米，而量子點(diǎn)直徑則是1~10納米。

但是，量子點(diǎn)原料中涉及鎘（略微比銀便宜）等金屬，本就成本昂貴，且中國部分半導(dǎo)體材料主要由美國、日本少量供應(yīng)，價(jià)格昂貴。有數(shù)據(jù)顯示，海外量子點(diǎn)膜價(jià)格為80-100美元/平方米，國產(chǎn)量子點(diǎn)膜單價(jià)在60美元/平方米左右。中國若點(diǎn)亮量子點(diǎn)科技樹，原料成本或?qū)⑹侵匾�的限制因素�?/p>

▲光伏技術(shù)分類 信息源：英國研究公司IDTechEx

02

光伏中的量子點(diǎn)

自1980年首次發(fā)現(xiàn)以來，量子點(diǎn)和多個(gè)行業(yè)中的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，在顯示器上應(yīng)用比較成熟，量子點(diǎn)以擴(kuò)散板或薄膜的形式附著在LED背板上，能讓顯示器呈現(xiàn)更豐富艷麗的色彩。而在光伏領(lǐng)域，量子點(diǎn)在2002年首次應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域，后潛力不斷提升。

將鈣鈦礦與量子點(diǎn)技術(shù)相結(jié)合，將為太陽能電池在轉(zhuǎn)換效率上創(chuàng)造出更大的突破空間，例如：

EPFL和韓國能源研究所的研究人員在鈣鈦礦電池的研究中，使用一種氧化錫制成的量子點(diǎn)作為設(shè)備的電子傳輸層，提高了鈣鈦礦電池轉(zhuǎn)換效率。

北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張曉亮教授課題組通過優(yōu)化配體溶劑，得到了更穩(wěn)定的鈣鈦礦量子點(diǎn)薄膜。

或許在若干年后，轉(zhuǎn)換效率更高、更加輕薄的鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池能夠替代傳統(tǒng)晶硅太陽能電池，成為行業(yè)的主流。

03

中國的量子點(diǎn)

鈣鈦礦距離商業(yè)化尚且有著幾十年的距離，比鈣鈦礦晚發(fā)現(xiàn)100多年的量子點(diǎn)材料應(yīng)用于太陽能電池，談產(chǎn)業(yè)化或許更是為時(shí)尚早。當(dāng)前，中國保持著對量子點(diǎn)技術(shù)的關(guān)注，正加大該技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用。

今年6月，浙大溫州研究院已經(jīng)建立了全球首條全固態(tài)量子點(diǎn)生產(chǎn)線，制造出首批量產(chǎn)的鈣鈦礦量子點(diǎn)光擴(kuò)散板。產(chǎn)品已在液晶顯示屏上應(yīng)用，大幅提升現(xiàn)有液晶顯示屏性能。

今年8月，工業(yè)和信息化部、國務(wù)院國資委發(fā)布《前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄（第一批）》，列明“量子點(diǎn)材料”是國家15項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展前沿材料之一。

此外，中國最先推出量子點(diǎn)顯示這個(gè)概念的企業(yè)，是TCL集團(tuán)，其在2016年就已推出量子點(diǎn)電視，在當(dāng)年的兩會(huì)上，TCL集團(tuán)董事長李東表示，量子點(diǎn)顯示產(chǎn)品技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在應(yīng)用中已經(jīng)被大量的采用。不過在光伏領(lǐng)域，TCL集團(tuán)旗下有著半導(dǎo)體、光伏雙主業(yè)驅(qū)動(dòng)的TCL中環(huán)最新表示，暫時(shí)沒有將量子點(diǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)化光伏產(chǎn)品的規(guī)劃。

▲TCL、海信、華為、小米等中企已推出量子點(diǎn)電視 圖片來源：蘇寧易購截圖

當(dāng)前，各國對于量子點(diǎn)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用都還處于初期階段，據(jù)《2022-2026年行業(yè)深度市場調(diào)研及投資策略建議報(bào)告》，中國、美國、韓國量子點(diǎn)發(fā)光材料（包括顯示器材料）專利申請數(shù)量最多，相關(guān)研究高校、機(jī)構(gòu)與企業(yè)主要有美國的MIT、Berkley、QD Vision等，中國的浙江大學(xué)、納晶科技等。而韓國基本沒有量子點(diǎn)發(fā)光材料核心專利，三星通過收購QD Vision進(jìn)行布局。

正如中國科學(xué)院院士、國家納米科學(xué)中心主任、廣東粵港澳大灣區(qū)國家納米科技創(chuàng)新研究院創(chuàng)始院長趙宇亮所說的，量子點(diǎn)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有50年的歷史，但在發(fā)展過程中，目前最需要解決的是產(chǎn)業(yè)化問題。

       原文標(biāo)題 : 獲諾貝爾獎(jiǎng)的量子點(diǎn)，或顛覆光伏技術(shù)