获诺贝尔奖的量子点，或颠覆光伏技术

10月4日，美国科学家Moungi G. Bawendi，Louis E. Brus和俄罗斯科学家Alexei I. Ekimov因“发现和合成量子点”获得2023年诺贝尔化学奖。

其中的Moungi G. Bawendi，是一位钙钛矿太阳能电池专家。他曾在2019年创造了钙钛矿太阳能电池第10和第11个效率记录点。《自然》杂志在2021年刊发过他参与的通过载流子管理改善钙钛矿太阳能电池性能的研究成果。

▲Moungi G. Bawendi是美国麻省理工学院教授，Louis E. Brus在哥伦比亚大学工作，Alexei I. Ekimov是纽约纳米晶体技术公司的首席科学家

而此次获得诺贝尔奖，Moungi G. Bawendi的贡献主要在量子点的化学制备方面。他革新了量子点的化学生产方法，使得量子点的质量大幅提高，并为其在各种应用中的使用铺平了道路。

应用至光伏域，理论上量子点有将光伏电池光电转效率极值提高一倍的潜力。

早在1997年，西班牙马德里大学的研究团队就曾计算出量子点光伏电池理论上的光电转换效率上限可达63%；2011年，东京大学纳米量子信息电子研究机构主任荒川泰彦的研究将这一数字提高到了75%，高出晶硅光伏电池已知的理论光电转化效率上限的一倍以上。

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一种很小的半导体材料

量子点是一种半导体纳米材料，量子点有巨电导，可吸收比硅材料光谱范围更广的太阳能等特性，因此将量子点技术应用于太阳能电池领域，将帮助光伏电池突破更高能量转化率。

此外，量子点直径通常在1~10纳米之间，在拓展其在柔性光伏电池中的应用。

量子点与钙钛矿均为第三代太阳能电池分类的范畴，我们可以在与钙钛矿的类比中，来认识量子点。二者的共同点是，均能够高效吸收光，并将其转化为电能。量子点更具想象空间的点是，量子点可能颠覆钙钛矿电池可以“让未来的太阳能电池变得轻薄”中“薄”的概念。钙钛矿涂覆层厚度大约300~500纳米，而量子点直径则是1~10纳米。

但是，量子点原料中涉及镉（略微比银便宜）等金属，本就成本昂贵，且中国部分半导体材料主要由美国、日本少量供应，价格昂贵。有数据显示，海外量子点膜价格为80-100美元/平方米，国产量子点膜单价在60美元/平方米左右。中国若点亮量子点科技树，原料成本或将是重要的限制因素。

▲光伏技术分类 信息源英国研究公司IDTechEx

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光伏中的量子点

自1980年首次发现以来，量子点和多个行业中的现有技术结合应用，在显示器上应用比较成熟，量子点以扩散板或薄膜的形式附着在LED背板上，能让显示器呈现更丰富艳丽的色彩。而在光伏领域，量子点在2002年首次应用于太阳能电池领域，后潜力不断提升。

将钙钛矿与量子点技术相结合，将为太阳能电池在转换效率上创造出更大的突破空间，例如

EPFL和韩国能源研究所的研究人员在钙钛矿电池的研究中，使用一种氧化锡制成的量子点作为设备的电子传输层，提高了钙钛矿电池转换效率。

北京航空航天大学材料科学与工程学院张晓亮教授课题组通过优化配体溶剂，得到了更稳定的钙钛矿量子点薄膜。

或许在若干年后，转换效率更高、更加轻薄的钙钛矿量子点太阳能电池能够替代传统晶硅太阳能电池，成为行业的主流。

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中国的量子点

钙钛矿距离商业化尚且有着几十年的距离，比钙钛矿晚发现100多年的量子点材料应用于太阳能电池，谈产业化或许更是为时尚早。当前，中国保持着对量子点技术的关注，正加大该技术在半导体领域的应用。

今年6月，浙大温州研究院已经建立了全球首条全固态量子点生产线，制造出首批量产的钙钛矿量子点光扩散板。产品已在液晶显示屏上应用，大幅提升现有液晶显示屏性能。

今年8月，工业和信息化部、国务院国资委发布《前沿材料产业化重点发展指导目录（第一批）》，列明“量子点材料”是国家15项产业化重点发展前沿材料之一。

此外，中国最先推出量子点显示这个概念的企业，是TCL集团，其在2016年就已推出量子点电视，在当年的两会上，TCL集团董事长李东表示，量子点显示产品技术已经比较成熟，在应用中已经被大量的采用。不过在光伏领域，TCL集团旗下有着半导体、光伏双主业驱动的TCL中环最新表示，暂时没有将量子点技术转化光伏产品的规划。

▲TCL、海信、华为、小米等中企已推出量子点电视 图片来源苏宁易购截图

当前，各国对于量子点在更多领域的应用都还处于初期阶段，据《2022-2026年行业深度市场调研及投资策略建议报告》，中国、美国、韩国量子点发光材料（包括显示器材料）专利申请数量最多，相关研究高校、机构与企业主要有美国的MIT、Berkley、QD Vision等，中国的浙江大学、纳晶科技等。而韩国基本没有量子点发光材料核心专利，三星通过收购QD Vision进行布局。

正如中国科学院院士、国家纳米科学中心主任、广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院创始院长赵宇亮所说的，量子点技术发展已经有50年的历史，但在发展过程中，目前最需要解决的是产业化问题。

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