量子点，将成为继钙钛矿之后的太阳能革命性技术？转化效率已超40%！全球通讯

2023-06-19 21:52:38 来源 : 华尔街见闻

01 量子点，是个什么鬼

细胞上的硫化镉量子点；来源：美国太平洋西北国家实验室（美国从事核武器的机密单位之一）

量子点，不是点，是具有独特光学和电子特性的微小半导体粒子。现在，这种微小的物质正在彻底改变太阳能采集领域。

量子点有多大呢？大约从2到10纳米不等。科学家们发现，这些纳米颗粒能够表现出非凡的量子力学效应，使它们能够高效地将太阳光转化为电能。

现在，世界各地的研究人员，正在致力于探索量子点显著提高太阳能电池效率的巨大潜力，从而为清洁和可持续能源的新时代铺平道路。

(资料图片)

太阳能收集的主要挑战之一是传统太阳能电池的转化效率有限。这些电池通常由晶硅制成，只能吸收太阳光谱中的一小部分，导致其最大理论转化效率约为 33%。这又被称为 Shockley-Queisser 极限。转化效率，一直是提高太阳能电池性能的长期障碍。

现在量子点有可能克服这一限制，并显著提高太阳能转换效率。量子点的独特性质，源于它们的小尺寸和量子限制效应。这种效应导致在量子点中，电子的能级变得离散，而不是像块状材料中那样连续。因此，量子点可以被设计成具有对应于不同波长的光的特定能级。这种可调性使它们能够吸收比传统太阳能电池更广泛的太阳光谱，从而有可能将其效率大大提高到Shockley-Queisser 极限以上。

上面这段，作为文科生的赶碳号基本没看明白，量子点怎么就能提升转化效率了？为此，我们又在网上找了一些关于量子点的基本介绍。

量子点 (QD) ，也称为半导体纳米晶体，是几纳米大小的半导体粒子。由于量子力学，其光学和电子特性不同于较大粒子。它们是纳米技术和材料科学的中心课题。

当量子点被紫外线照射时，量子点中的电子可以被激发到更高能量的状态。在半导体量子点的情况下，这个过程对应于电子从价带到导带的跃迁。被激发的电子可以回到价带，以光的形式释放能量。

02 为解决人类能源危机而生

生长的量子阱的纳米薄层到纳米层上方的 LANL 纳米晶体（又名量子点）的能量转移图解；来源：美国洛斯阿拉莫斯国家实验室

现代量子点技术要追溯到上世纪70年代中期，它是为了解决全球能源危机而发展起来的。通过光电化学研究，开发出半导体与液体之间的结合面，以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比，来产生能量。

1981年，瑞士物理学家在水溶液中合成出了硫化镉胶体。Brus博士与同事发现不同大小的硫化镉颗粒可产生不同的颜色。

1983年，贝尔实验室科学家Brus证明了改变硫化镉胶体的大小，其激子能量也随之变化。于是，他将这种这种胶体与量子点的概念联系起来，首次提出胶状量子点。

1997年以来，随着量子点制备技术的不断提高，量子点己越来越可能应用于生物学研究。

2015年，华东理工大学在实验室中制备出量子点敏化太阳电池转，换效率首超8% 。

量子点在太阳能收集中，有一个极有前途的应用，就是串联太阳能电池的开发。这些电池由多层吸光材料组成，每层都设计用于捕获太阳光谱的特定部分。通过将具有不同能级的量子点结合到这些层中，研究人员可以创建串联太阳能电池。如果理解得没错，这其实就是叠层。

与传统的单结电池相比，它可以有效地收集更多的太阳光谱。这种方法已经显示出可喜的结果。一些包含量子点的串联太阳能电池，已经能够实现超过 40% 的光电转化效率。

量子点太阳能电池领域的另一个令人兴奋的发展，是与钙钛矿材料的结合应用。钙钛矿是一种具有独特晶体结构的材料，使其能够高效吸收光、并将其转化为电能。通过将钙钛矿材料与量子点相结合，研究人员已经能够制造出比单独使用量子点效率更高的太阳能电池。

这些混合钙钛矿-量子点太阳能电池，有可能在未来的若干年内，通过更高的效率、更低的成本，实现对传统晶硅太阳能电池的替代，并彻底改变太阳能行业。

除了具有提高太阳能电池转化效率的巨大潜力外，量子点还能够为太阳能收集提供其它方面的优势。

比如，它们的小尺寸和可调特性，使它们非常适合用于灵活轻便的太阳能电池板。这些太阳能电池板可以很容易地集成到从可穿戴电子产品、到建筑一体化光伏的广泛应用之中。此外，量子点在生产方面，可以使用低成本和可扩展的基于溶液的方法进行合成，从而使其成为可供大规模生产太阳能电池的有吸引力的选择。

03 从研究到应用，路还很长

2015年，安娜·道格拉斯通过添加数百万个由黄铁矿（傻瓜金）制成的量子点电池

量子点的制造方法可以大致分为三类：化学溶液生长法，外延生长法，电场约束法。这三类制造方法也分别对应了三种不同种类的量子点。

如果将量子点——比人类头发丝宽度小10,000 倍的纳米晶体——添加到智能手机电池中，它将在30秒内充满电，但这种效果只会持续几个充电周期。

范德比尔特大学的安娜·道格拉斯在研究中发现，用黄铁矿（通常称为傻瓜金）制造量子点生产的电池，可以快速充电并工作数十个周期。

来源：全球数据专利分析

但是——就怕但是，很多新技术一“但是”，就意味着还要折腾几十年。

目前，由美国国家可再生能源实验室（NREL）创下的量子点太阳能电池转换效率的先前记录仅为13.4％。澳大利亚昆士兰大学的科学家现已取得了重大进步，创下16.6％的新世界纪录，并通过独立测试进行了验证。

尽管量子点在收集太阳能方面具有巨大的潜力，但在将其广泛应用于商业太阳能电池之前，仍有一些挑战需要解决。

主要问题之一，是基于量子点的太阳能电池的长期稳定性。一些量子点在长时间暴露在阳光和湿气下容易退化。研究人员正在积极致力于开发新策略来提高这些电池的稳定性和耐用性，包括使用保护涂层和更稳定的量子点材料。哈哈，看来这个问题和钙钛矿电池目前所遇到的主要问题是一样的，就是如何保持稳定性。

总之，量子点通过显著提高太阳能电池的效率，并为灵活和低成本的太阳能技术提供了新机会，有望彻底改变太阳能的采集。随着研究人员继续探索和优化这些纳米粒子的特性，我们可以期待，在太阳能领域看到令人振奋的进步，为更清洁、更可持续的未来铺平道路。

本文作者：赶碳号团队，来源：赶碳号科技，原文标题：《量子点，将成为继钙钛矿之后的太阳能革命性技术？转化效率已超40%！》

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