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10月4日，2023年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉，美籍法國(guó)-突尼斯裔化學(xué)家Moungi Bawendi，美國(guó)化學(xué)家Louis Brus和俄羅斯物理學(xué)家Alexei Ekimov因“發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)” 獲得殊榮。量子點(diǎn)材料作為納米科技結(jié)出一顆飽滿的果實(shí)，正在跟21世紀(jì)科技大潮結(jié)合，不僅能在柔性電子、微型傳感器、更薄的太陽(yáng)能光伏電池和加密量子通信方面做出貢獻(xiàn)，還具備改變未來(lái)科技的力量。

三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家之一的Moungi G. Bawendi，是一位鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域?qū)＜摇Ｊ聦?shí)上，鈣鈦礦材料制備而成的量子點(diǎn)在光伏領(lǐng)域也有不俗的效用，越來(lái)越受到行業(yè)的重視。

01 量子點(diǎn)科普

量子點(diǎn)，又稱(chēng)半導(dǎo)體納米晶，是由數(shù)百或數(shù)千原子組成、尺寸一般小于20納米的半導(dǎo)體晶體顆粒，是當(dāng)今納米技術(shù)中的重要工具。目前已作為OLED后的第三代液晶屏材料商業(yè)化應(yīng)用于計(jì)算機(jī)和電視屏幕領(lǐng)域，生物化學(xué)家和醫(yī)生則將其作為熒光探針用于細(xì)胞和器官圖的繪制。諾獎(jiǎng)委員會(huì)在通告中表示，量子點(diǎn)的合成技術(shù)正為人類(lèi)帶來(lái)最大的福祉，其潛力還遠(yuǎn)未被完全挖掘。根據(jù)相關(guān)研究，量子點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，未來(lái)有望大規(guī)模應(yīng)用于柔性電子產(chǎn)品、加密量子通信等前沿領(lǐng)域，其中，也包括了近年來(lái)備受關(guān)注的光伏電池。

半導(dǎo)體材料一般是由具有重復(fù)單元結(jié)構(gòu)的晶體組成，由于量子點(diǎn)的尺寸進(jìn)入納米尺度，半導(dǎo)體納米晶體內(nèi)部重復(fù)單元的數(shù)目有限，導(dǎo)致材料的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化。Brus和Ekimov等人將這一尺寸相關(guān)的現(xiàn)象描述為量子限域效應(yīng)：量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)由本體材料（宏觀晶體）的連續(xù)能帶變?yōu)榉至⒌哪芗?jí)，帶隙隨著晶體尺寸的變小逐漸增大。同時(shí)，由于量子點(diǎn)的尺寸通常小于激子（電子-空穴對(duì)）玻爾半徑，光激發(fā)產(chǎn)生的激子被牢牢束縛在每顆量子點(diǎn)中，從而實(shí)現(xiàn)高效率的輻射復(fù)合。以目前研究最廣泛的硒化鎘(CdSe)量子點(diǎn)為例，其本體硒化鎘為黑色粉末，通常并沒(méi)有熒光效應(yīng)；而溶液合成的硒化鎘量子點(diǎn)，可以通過(guò)尺寸改變，實(shí)現(xiàn)由藍(lán)光到紅光的多種顏色發(fā)光。

經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)研究的不懈探索，量子點(diǎn)相關(guān)的理論研究逐步形成體系，量子點(diǎn)合成化學(xué)也蓬勃發(fā)展，高質(zhì)量的量子點(diǎn)從II-IV族CdSe量子點(diǎn)逐步擴(kuò)大到其它種類(lèi)半導(dǎo)體化合物，如PbS量子點(diǎn)、InP量子點(diǎn)、CuInS2量子點(diǎn)等。隨著學(xué)術(shù)研究的不斷推進(jìn)，很多重要的前沿技術(shù)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。例如，量子點(diǎn)高效穩(wěn)定的發(fā)光特性，使其成為一類(lèi)經(jīng)典的熒光標(biāo)記材料，在生物檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和體外檢測(cè)中，推動(dòng)了成像和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。另一方面，量子點(diǎn)具有窄發(fā)射和發(fā)光色彩可調(diào)的特性，使其成為顯示領(lǐng)域的新一代發(fā)光材料體系。同時(shí)，量子點(diǎn)在光伏電池、探測(cè)成像、光催化、量子光源等領(lǐng)域的應(yīng)用也有著長(zhǎng)足的發(fā)展。

02 鈣鈦礦材料在量子點(diǎn)上的應(yīng)用

2015年，鈣鈦礦量子點(diǎn)出現(xiàn)。作為新型的合成半導(dǎo)體材料，鈣鈦礦具有極其優(yōu)異的光電特性，在光伏、顯示、照明、光電探測(cè)器等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。極電光能研發(fā)團(tuán)隊(duì)圍繞“鈣鈦礦”這一奇異的光電材料，致力于光伏電池及組件、發(fā)光量子點(diǎn)以及前驅(qū)體材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)。

相比傳統(tǒng)CdSe和InP量子點(diǎn)，鈣鈦礦量子點(diǎn)光學(xué)性能更為優(yōu)異，低毒環(huán)保且合成方法簡(jiǎn)單，具有廣闊的應(yīng)用前景，目前在光伏、顯示領(lǐng)域都得到了初步的商業(yè)化應(yīng)用。

光伏領(lǐng)域——光伏增益

鈣鈦礦量子點(diǎn)具有高量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率（PLQY）、寬帶吸收、窄帶發(fā)射及帶隙可調(diào)性?xún)?yōu)異等特點(diǎn)，可用作光伏組件中的紫外截止材料和光伏增益材料，幫助光伏組件增效提穩(wěn)。

鈣鈦礦量子點(diǎn)材料在吸收一個(gè)高能量光子后能夠轉(zhuǎn)換并釋放出一個(gè)或多個(gè)低能量光子，通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的方式為光伏產(chǎn)品進(jìn)行增益。

以單晶硅電池為例，其在紫外區(qū)的QE要明顯低于可見(jiàn)光區(qū)，導(dǎo)致紫外區(qū)的能量未能得到有效的利用。若能夠添加某種材料，將晶硅電池難以吸收的紫外光子轉(zhuǎn)換為易吸收的可見(jiàn)/紅外光子，就能夠極大程度地增加其能量轉(zhuǎn)換效率。光伏增益鈣鈦礦量子點(diǎn)的PLQY理論最高值可以達(dá)到200%，當(dāng)應(yīng)用于單晶硅電池時(shí)，可使其功率提升8%以上！這項(xiàng)技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用于主流光伏電池上，大幅提高太陽(yáng)光的利用率。

值得一提的是，前不久網(wǎng)絡(luò)刷屏的無(wú)錫交響音樂(lè)廳項(xiàng)目的“龍鱗”屋頂視覺(jué)樣板上，由極電光能與中建八局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的BIPV光伏瓦產(chǎn)品便應(yīng)用了鈣鈦礦光伏增益技術(shù)，通過(guò)光譜轉(zhuǎn)換使產(chǎn)品具備1.5%~2%的光伏功率增益，大大提升了產(chǎn)品的發(fā)電性能。

顯示是量子點(diǎn)的主要應(yīng)用方向之一。相比于傳統(tǒng)CdSe量子點(diǎn)，鈣鈦礦量子點(diǎn)的合成工藝簡(jiǎn)單，材料成本低廉，亮度和色域更高，更為重要的是，由于不含重金屬鎘，市場(chǎng)的接受度更高，大大拓寬了其應(yīng)用范圍。

鈣鈦礦量子點(diǎn)可與現(xiàn)主流顯示技術(shù)LCD結(jié)合，在不改變顯示器件主體結(jié)構(gòu)的情況下顯著提高顯示器件的色彩品質(zhì)。其發(fā)光方式分為光致發(fā)光（photoluminescence）和電致發(fā)光（electroluminescence）兩種。目前極電光能產(chǎn)品以鈣鈦礦量子點(diǎn)膜/擴(kuò)散板為主，均為光致發(fā)光技術(shù)。

隨著研發(fā)的進(jìn)一步深化，未來(lái)鈣鈦礦量子點(diǎn)產(chǎn)品將逐步取代傳統(tǒng)量子點(diǎn)在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，輕松實(shí)現(xiàn)高端照明所需要的高色域、高亮度、色溫調(diào)控。同時(shí)，極電光能也將著眼并布局于其他前沿領(lǐng)域，如QDCF、QD-INK和QLED等高端應(yīng)用。

除了以上應(yīng)用方向，鈣鈦礦量子點(diǎn)在X射線成像、微型光譜儀、光學(xué)傳感器等領(lǐng)域也開(kāi)始嶄露頭角，同時(shí)還有望在農(nóng)用補(bǔ)光、健康照明中得到應(yīng)用。

雖然鈣鈦礦材料在光伏和光電領(lǐng)域中的應(yīng)用形式有所不同，前者是光轉(zhuǎn)電，后者是電轉(zhuǎn)光或光轉(zhuǎn)光，在材料組成和形態(tài)上存在差別，但對(duì)于材料性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求是一致的，因此兩者在效率提升和穩(wěn)定性提升方面的工作可互為借鑒，互相啟發(fā)。伴隨著極電光能在鈣鈦礦太陽(yáng)電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方向上的不斷突破，量子點(diǎn)技術(shù)也將打開(kāi)新的局面，為光伏效率進(jìn)一步提升發(fā)揮作用。

極電光能預(yù)計(jì)在2024年實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦單結(jié)組件的GW級(jí)量產(chǎn)，在產(chǎn)業(yè)化方面處于行業(yè)領(lǐng)先，未來(lái)將持續(xù)推動(dòng)鈣鈦礦在光伏、光電產(chǎn)業(yè)化方向上的發(fā)展，堅(jiān)持用產(chǎn)業(yè)化的眼光進(jìn)行全面布局，深度挖掘鈣鈦礦材料在光伏領(lǐng)域的巨大潛力，為全球能源綠色發(fā)展賦能。

原標(biāo)題： 量子點(diǎn)光伏增益大有可為 鈣鈦礦科學(xué)家榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)