01 量子點(diǎn)，是個(gè)什么鬼

量子點(diǎn)，不是點(diǎn)，是具有獨特光學(xué)和電子特性的微小半導體粒子?，F在，這種微小的物質(zhì)正在徹底改變太陽(yáng)能采集領(lǐng)域。

(資料圖片僅供參考)

量子點(diǎn)有多大呢？大約從2到10納米不等?？茖W(xué)家們發(fā)現，這些納米顆粒能夠表現出非凡的量子力學(xué)效應，使它們能夠高效地將太陽(yáng)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(diǎn)顯著(zhù)提高太陽(yáng)能電池效率的巨大潛力，從而為清潔和可持續能源的新時(shí)代鋪平道路。

太陽(yáng)能收集的主要挑戰之一是傳統太陽(yáng)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(yáng)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(chēng)為 Shockley-Queisser 極限。轉化效率，一直是提高太陽(yáng)能電池性能的長(cháng)期障礙。

現在量子點(diǎn)有可能克服這一限制，并顯著(zhù)提高太陽(yáng)能轉換效率。量子點(diǎn)的獨特性質(zhì)，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(diǎn)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(diǎn)可以被設計成具有對應于不同波長(cháng)的光的特定能級。這種可調性使它們能夠吸收比傳統太陽(yáng)能電池更廣泛的太陽(yáng)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(méi)看明白，量子點(diǎn)怎么就能提升轉化效率了？為此，我們又在網(wǎng)上找了一些關(guān)于量子點(diǎn)的基本介紹。

量子點(diǎn) (QD) ，也稱(chēng)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(xué)，其光學(xué)和電子特性不同于較大粒子。它們是納米技術(shù)和材料科學(xué)的中心課題。

當量子點(diǎn)被紫外線(xiàn)照射時(shí)，量子點(diǎn)中的電子可以被激發(fā)到更高能量的狀態(tài)。在半導體量子點(diǎn)的情況下，這個(gè)過(guò)程對應于電子從價(jià)帶到導帶的躍遷。被激發(fā)的電子可以回到價(jià)帶，以光的形式釋放能量。

02 為解決人類(lèi)能源危機而生

現代量子點(diǎn)技術(shù)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(fā)展起來(lái)的。通過(guò)光電化學(xué)研究，開(kāi)發(fā)出半導體與液體之間的結合面，以利用納米晶體顆粒優(yōu)良的體表面積比，來(lái)產(chǎn)生能量。

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

1983年，貝爾實(shí)驗室科學(xué)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(diǎn)的概念聯(lián)系起來(lái)，首次提出膠狀量子點(diǎn)。

1997年以來(lái)，隨著(zhù)量子點(diǎn)制備技術(shù)的不斷提高，量子點(diǎn)己越來(lái)越可能應用于生物學(xué)研究。

2015年，華東理工大學(xué)在實(shí)驗室中制備出量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)電池轉，換效率首超8%?。

量子點(diǎn)在太陽(yáng)能收集中，有一個(gè)極有前途的應用，就是串聯(lián)太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)。這些電池由多層吸光材料組成，每層都設計用于捕獲太陽(yáng)光譜的特定部分。通過(guò)將具有不同能級的量子點(diǎn)結合到這些層中，研究人員可以創(chuàng )建串聯(lián)太陽(yáng)能電池。如果理解得沒(méi)錯，這其實(shí)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(yáng)光譜。這種方法已經(jīng)顯示出可喜的結果。一些包含量子點(diǎn)的串聯(lián)太陽(yáng)能電池，已經(jīng)能夠實(shí)現超過(guò) 40% 的光電轉化效率。

量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的另一個(gè)令人興奮的發(fā)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(guò)將鈣鈦礦材料與量子點(diǎn)相結合，研究人員已經(jīng)能夠制造出比單獨使用量子點(diǎn)效率更高的太陽(yáng)能電池。

這些混合鈣鈦礦-量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，有可能在未來(lái)的若干年內，通過(guò)更高的效率、更低的成本，實(shí)現對傳統晶硅太陽(yáng)能電池的替代，并徹底改變太陽(yáng)能行業(yè)。

除了具有提高太陽(yáng)能電池轉化效率的巨大潛力外，量子點(diǎn)還能夠為太陽(yáng)能收集提供其它方面的優(yōu)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(yáng)能電池板。這些太陽(yáng)能電池板可以很容易地集成到從可穿戴電子產(chǎn)品、到建筑一體化光伏的廣泛應用之中。此外，量子點(diǎn)在生產(chǎn)方面，可以使用低成本和可擴展的基于溶液的方法進(jìn)行合成，從而使其成為可供大規模生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的有吸引力的選擇。

03 從研究到應用，路還很長(cháng)

量子點(diǎn)的制造方法可以大致分為三類(lèi)：化學(xué)溶液生長(cháng)法，外延生長(cháng)法，電場(chǎng)約束法。這三類(lèi)制造方法也分別對應了三種不同種類(lèi)的量子點(diǎn)。

如果將量子點(diǎn)——比人類(lèi)頭發(fā)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(mǎn)電，但這種效果只會(huì )持續幾個(gè)充電周期。

范德比爾特大學(xué)的安娜·道格拉斯在研究中發(fā)現，用黃鐵礦（通常稱(chēng)為傻瓜金）制造量子點(diǎn)生產(chǎn)的電池，可以快速充電并工作數十個(gè)周期。

但是——就怕但是，很多新技術(shù)一“但是”，就意味著(zhù)還要折騰幾十年。

目前，由美國國家可再生能源實(shí)驗室（NREL）創(chuàng )下的量子點(diǎn)太陽(yáng)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(xué)的科學(xué)家現已取得了重大進(jìn)步，創(chuàng )下16.6％的新世界紀錄，并通過(guò)獨立測試進(jìn)行了驗證。

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

主要問(wèn)題之一，是基于量子點(diǎn)的太陽(yáng)能電池的長(cháng)期穩定性。一些量子點(diǎn)在長(cháng)時(shí)間暴露在陽(yáng)光和濕氣下容易退化。研究人員正在積極致力于開(kāi)發(fā)新策略來(lái)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(diǎn)材料。哈哈，看來(lái)這個(gè)問(wèn)題和鈣鈦礦電池目前所遇到的主要問(wèn)題是一樣的，就是如何保持穩定性。

總之，量子點(diǎn)通過(guò)顯著(zhù)提高太陽(yáng)能電池的效率，并為靈活和低成本的太陽(yáng)能技術(shù)提供了新機會(huì )，有望徹底改變太陽(yáng)能的采集。隨著(zhù)研究人員繼續探索和優(yōu)化這些納米粒子的特性，我們可以期待，在太陽(yáng)能領(lǐng)域看到令人振奮的進(jìn)步，為更清潔、更可持續的未來(lái)鋪平道路。

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

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