01 量子點，是個什么鬼

量子點，不是點，是具有獨特光學和電子特性的微小半導體粒子。現在，這種微小的物質正在徹底改變太陽能采集領域。

(資料圖片僅供參考)

量子點有多大呢？大約從2到10納米不等?？茖W家們發現，這些納米顆粒能夠表現出非凡的量子力學效應，使它們能夠高效地將太陽光轉化為電能。

現在，世界各地的研究人員，正在致力于探索量子點顯著提高太陽能電池效率的巨大潛力，從而為清潔和可持續能源的新時代鋪平道路。

太陽能收集的主要挑戰之一是傳統太陽能電池的轉化效率有限。這些電池通常由晶硅制成，只能吸收太陽光譜中的一小部分，導致其最大理論轉化效率約為 33%。這又被稱為 Shockley-Queisser 極限。轉化效率，一直是提高太陽能電池性能的長期障礙。

現在量子點有可能克服這一限制，并顯著提高太陽能轉換效率。量子點的獨特性質，源于它們的小尺寸和量子限制效應。這種效應導致在量子點中，電子的能級變得離散，而不是像塊狀材料中那樣連續。因此，量子點可以被設計成具有對應于不同波長的光的特定能級。這種可調性使它們能夠吸收比傳統太陽能電池更廣泛的太陽光譜，從而有可能將其效率大大提高到Shockley-Queisser 極限以上。

上面這段，作為文科生的趕碳號基本沒看明白，量子點怎么就能提升轉化效率了？為此，我們又在網上找了一些關于量子點的基本介紹。

量子點 (QD) ，也稱為半導體納米晶體，是幾納米大小的半導體粒子。由于量子力學，其光學和電子特性不同于較大粒子。它們是納米技術和材料科學的中心課題。

當量子點被紫外線照射時，量子點中的電子可以被激發到更高能量的狀態。在半導體量子點的情況下，這個過程對應于電子從價帶到導帶的躍遷。被激發的電子可以回到價帶，以光的形式釋放能量。

02 為解決人類能源危機而生

現代量子點技術要追溯到上世紀70年代中期，它是為了解決全球能源危機而發展起來的。通過光電化學研究，開發出半導體與液體之間的結合面，以利用納米晶體顆粒優良的體表面積比，來產生能量。

1981年，瑞士物理學家在水溶液中合成出了硫化鎘膠體。Brus博士與同事發現不同大小的硫化鎘顆?？僧a生不同的顏色。

1983年，貝爾實驗室科學家Brus證明了改變硫化鎘膠體的大小，其激子能量也隨之變化 。于是，他將這種這種膠體與量子點的概念聯系起來，首次提出膠狀量子點。

1997年以來，隨著量子點制備技術的不斷提高，量子點己越來越可能應用于生物學研究。

2015年，華東理工大學在實驗室中制備出量子點敏化太陽電池轉，換效率首超8%?。

量子點在太陽能收集中，有一個極有前途的應用，就是串聯太陽能電池的開發。這些電池由多層吸光材料組成，每層都設計用于捕獲太陽光譜的特定部分。通過將具有不同能級的量子點結合到這些層中，研究人員可以創建串聯太陽能電池。如果理解得沒錯，這其實就是疊層。

與傳統的單結電池相比，它可以有效地收集更多的太陽光譜。這種方法已經顯示出可喜的結果。一些包含量子點的串聯太陽能電池，已經能夠實現超過 40% 的光電轉化效率。

量子點太陽能電池領域的另一個令人興奮的發展，是與鈣鈦礦材料的結合應用。鈣鈦礦是一種具有獨特晶體結構的材料，使其能夠高效吸收光、并將其轉化為電能。通過將鈣鈦礦材料與量子點相結合，研究人員已經能夠制造出比單獨使用量子點效率更高的太陽能電池。

這些混合鈣鈦礦-量子點太陽能電池，有可能在未來的若干年內，通過更高的效率、更低的成本，實現對傳統晶硅太陽能電池的替代，并徹底改變太陽能行業。

除了具有提高太陽能電池轉化效率的巨大潛力外，量子點還能夠為太陽能收集提供其它方面的優勢。

比如，它們的小尺寸和可調特性，使它們非常適合用于靈活輕便的太陽能電池板。這些太陽能電池板可以很容易地集成到從可穿戴電子產品、到建筑一體化光伏的廣泛應用之中。此外，量子點在生產方面，可以使用低成本和可擴展的基于溶液的方法進行合成，從而使其成為可供大規模生產太陽能電池的有吸引力的選擇。

03 從研究到應用，路還很長

量子點的制造方法可以大致分為三類：化學溶液生長法，外延生長法，電場約束法。這三類制造方法也分別對應了三種不同種類的量子點。

如果將量子點——比人類頭發絲寬度小10,000 倍的納米晶體——添加到智能手機電池中，它將在30秒內充滿電，但這種效果只會持續幾個充電周期。

范德比爾特大學的安娜·道格拉斯在研究中發現，用黃鐵礦（通常稱為傻瓜金）制造量子點生產的電池，可以快速充電并工作數十個周期。

但是——就怕但是，很多新技術一“但是”，就意味著還要折騰幾十年。

目前，由美國國家可再生能源實驗室（NREL）創下的量子點太陽能電池轉換效率的先前記錄僅為13.4％。澳大利亞昆士蘭大學的科學家現已取得了重大進步，創下16.6％的新世界紀錄，并通過獨立測試進行了驗證。

盡管量子點在收集太陽能方面具有巨大的潛力，但在將其廣泛應用于商業太陽能電池之前，仍有一些挑戰需要解決。

主要問題之一，是基于量子點的太陽能電池的長期穩定性。一些量子點在長時間暴露在陽光和濕氣下容易退化。研究人員正在積極致力于開發新策略來提高這些電池的穩定性和耐用性，包括使用保護涂層和更穩定的量子點材料。哈哈，看來這個問題和鈣鈦礦電池目前所遇到的主要問題是一樣的，就是如何保持穩定性。

總之，量子點通過顯著提高太陽能電池的效率，并為靈活和低成本的太陽能技術提供了新機會，有望徹底改變太陽能的采集。隨著研究人員繼續探索和優化這些納米粒子的特性，我們可以期待，在太陽能領域看到令人振奮的進步，為更清潔、更可持續的未來鋪平道路。

本文作者：趕碳號團隊，來源：趕碳號科技，原文標題：《量子點，將成為繼鈣鈦礦之后的太陽能革命性技術？轉化效率已超40%！》

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