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yizhenlinchuang，shishizhuizonghuanzhejianzhazhuangtai，diyishijiaozhakanjianzhabaogaoyekeyihuxiangfangai，zaihubuxiangshidewanjianalidaoluan，gongqibijiuzhichu，xianyibujiangdileipaichu，pohuaiqiyouxitiyan。sanshiliujimeizubanshouyouxiazaishangchuantupiankongjianyouhuaquanxinjinenglianzhaoxitong，yijianshifanggejineng，renyizuhe，peihehualidejinengtexiao，dailaiwuyulunbidechaoshuangdajitiyan；量(liang)子(zi)點(dian)將(jiang)成(cheng)為(wei)繼(ji)鈣(gai)鈦(tai)礦(kuang)之(zhi)後(hou)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)革(ge)命(ming)性(xing)技(ji)術(shu)？轉(zhuan)化(hua)效(xiao)率(lv)已(yi)超(chao)40%

文(wen)|趕(gan)碳(tan)號(hao)

钙钛矿還(hai)沒(mei)整(zheng)明(ming)白(bai)，比(bi)钙钛矿更(geng)玄(xuan)、也(ye)更前(qian)沿(yan)的量子点又(you)來(lai)了(le)。只(zhi)要(yao)是(shi)科(ke)學(xue)，再(zai)遙(yao)遠(yuan)，它(ta)都(dou)會(hui)發(fa)生(sheng)，就(jiu)像(xiang)可(ke)控(kong)核(he)聚(ju)變(bian)壹(yi)樣(yang)。

01、量子点，是個(ge)什(shen)麽(me)鬼(gui)

細(xi)胞(bao)上(shang)的硫(liu)化鎘(ge)量子点；来源(yuan)：美(mei)國(guo)太平(ping)洋(yang)西(xi)北(bei)国家(jia)實(shi)驗(yan)室(shi)（美国從(cong)事(shi)核武(wu)器(qi)的機(ji)密(mi)單(dan)位(wei)之一）

量子点，不(bu)是点，是具(ju)有(you)獨(du)特(te)光(guang)学和(he)電(dian)子特性的微(wei)小(xiao)半(ban)導(dao)體(ti)粒(li)子。現(xian)在(zai)，這(zhe)種(zhong)微小的物(wu)質(zhi)正(zheng)在徹(che)底(di)改(gai)变太阳能采(cai)集(ji)領(ling)域(yu)。

量子点有多(duo)大(da)呢(ne)？大約(yue)从2到(dao)10納(na)米(mi)不等(deng)。科学家們(men)发现，这些(xie)纳米顆(ke)粒能夠(gou)表(biao)现出(chu)非(fei)凡(fan)的量子力(li)学效應(ying)，使(shi)它们能够高(gao)效地(di)将太阳光转化为电能。

现在，世(shi)界(jie)各(ge)地的研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)，正在致(zhi)力於(yu)探(tan)索(suo)量子点顯(xian)著(zhu)提(ti)高太阳能电池(chi)效率的巨(ju)大潛(qian)力，从而(er)为清(qing)潔(jie)和可持(chi)續(xu)能源的新(xin)時(shi)代(dai)鋪(pu)平道(dao)路(lu)。

太阳能收(shou)集的主(zhu)要挑(tiao)戰(zhan)之一是傳(chuan)統(tong)太阳能电池的转化效率有限(xian)。这些电池通(tong)常(chang)由(you)晶(jing)矽(gui)制(zhi)成，只能吸(xi)收太阳光譜(pu)中(zhong)的一小部(bu)分(fen)，导致其(qi)最(zui)大理(li)論(lun)转化效率约为 33%。这又被(bei)稱(cheng)为 Shockley-Queisser 極(ji)限。转化效率，一直(zhi)是提高太阳能电池性能的長(chang)期(qi)障(zhang)礙(ai)。现在量子点有可能克(ke)服(fu)这一限制，並(bing)显著提高太阳能转換(huan)效率。量子点的独特性质，源于它们的小尺(chi)寸(cun)和量子限制效应。这种效应导致在量子点中，电子的能級(ji)变得(de)離(li)散(san)，而不是像塊(kuai)狀(zhuang)材(cai)料(liao)中那(na)样連(lian)续。因(yin)此(ci)，量子点可以(yi)被設(she)計(ji)成具有對(dui)应于不同(tong)波(bo)长的光的特定(ding)能级。这种可調(tiao)性使它们能够吸收比传统太阳能电池更廣(guang)泛(fan)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(mian)这段(duan)，作(zuo)为文科生的赶碳号基(ji)本(ben)没看(kan)明白，量子点怎(zen)么就能提升(sheng)转化效率了？为此，我(wo)们又在網(wang)上找(zhao)了一些關(guan)于量子点的基本介(jie)紹(shao)。

量子点 (QD) ，也称为半导体纳米晶体，是幾(ji)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較(jiao)大粒子。它们是纳米技术和材料科学的中心(xin)課(ke)題(ti)。

當(dang)量子点被紫(zi)外(wai)線(xian)照(zhao)射(she)时，量子点中的电子可以被激(ji)发到更高能量的状態(tai)。在半导体量子点的情(qing)況(kuang)下(xia)，这个過(guo)程(cheng)对应于电子从價(jia)帶(dai)到导带的躍(yue)遷(qian)。被激发的电子可以回(hui)到价带，以光的形(xing)式(shi)釋(shi)放(fang)能量。

02、为解(jie)決(jue)人類(lei)能源危(wei)机而生

生长的量子阱(jing)的纳米薄(bo)層(ceng)到纳米层上方(fang)的 LANL 纳米晶体（又名(ming)量子点）的能量转移(yi)圖(tu)解；来源：美国洛(luo)斯(si)阿(e)拉(la)莫(mo)斯国家实验室

现代量子点技术要追(zhui)溯(su)到上世紀(ji)70年(nian)代中期，它是为了解决全(quan)球(qiu)能源危机而发展(zhan)起(qi)来的。通过光电化学研究，開(kai)发出半导体與(yu)液(ye)体之間(jian)的結(jie)合(he)面，以利(li)用(yong)纳米晶体颗粒優(you)良(liang)的体表面積(ji)比，来產(chan)生能量。

1981年，瑞(rui)士(shi)物理学家在水(shui)溶(rong)液中合成出了硫化镉膠(jiao)体。Brus博(bo)士与同事发现不同大小的硫化镉颗粒可产生不同的顏(yan)色(se)。

1983年，貝(bei)爾(er)实验室科学家Brus證(zheng)明了改变硫化镉胶体的大小，其激子能量也隨(sui)之变化 。于是，他(ta)将这种这种胶体与量子点的概(gai)念(nian)聯(lian)系(xi)起来，首(shou)次(ci)提出胶状量子点。

1997年以来，随著(zhe)量子点制備(bei)技术的不斷(duan)提高，量子点己(ji)越(yue)来越可能应用于生物学研究。

2015年，華(hua)東(dong)理工(gong)大学在实验室中制备出量子点敏(min)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(tu)的应用，就是串(chuan)联太阳能电池的开发。这些电池由多层吸光材料組(zu)成，每(mei)层都设计用于捕(bu)獲(huo)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，研究人员可以創(chuang)建(jian)串联太阳能电池。如(ru)果(guo)理解得没錯(cuo)，这其实就是疊(die)层。

与传统的单结电池相(xiang)比，它可以有效地收集更多的太阳光谱。这种方法(fa)已經(jing)显示(shi)出可喜(xi)的结果。一些包(bao)含(han)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(ling)一个令(ling)人興(xing)奮(fen)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構(gou)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(zao)出比单独使用量子点效率更高的太阳能电池。

这些混(hun)合钙钛矿-量子点太阳能电池，有可能在未(wei)来的若(ruo)幹(gan)年內(nei)，通过更高的效率、更低(di)的成本，实现对传统晶硅太阳能电池的替(ti)代，并彻底改变太阳能行(xing)業(ye)。

除(chu)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(gong)其它方面的优勢(shi)。

比如，它们的小尺寸和可调特性，使它们非常適(shi)合用于靈(ling)活(huo)輕(qing)便(bian)的太阳能电池板(ban)。这些太阳能电池板可以很(hen)容(rong)易(yi)地集成到从可穿(chuan)戴(dai)电子产品(pin)、到建築(zhu)一体化光伏(fu)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擴(kuo)展的基于溶液的方法進(jin)行合成，从而使其成为可供大規(gui)模(mo)生产太阳能电池的有吸引(yin)力的選(xuan)擇(ze)。

03、从研究到应用，路还很长

2015年，安(an)娜(na)·道格(ge)拉斯通过添(tian)加(jia)數(shu)百(bai)萬(wan)个由黃(huang)鐵(tie)矿（傻(sha)瓜(gua)金(jin)）制成的量子点电池

量子点的制造方法可以大致分为三(san)类：化学溶液生长法，外延(yan)生长法，电場(chang)约束(shu)法。这三类制造方法也分別(bie)对应了三种不同种类的量子点。

如果将量子点——比人类頭(tou)发絲(si)寬(kuan)度(du)小10,000 倍(bei)的纳米晶体——添加到智(zhi)能手(shou)机电池中，它将在30秒(miao)内充(chong)滿(man)电，但(dan)这种效果只会持续几个充电周(zhou)期。

範(fan)德(de)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(kuai)速(su)充电并工作数十(shi)个周期。

来源：全球数據(ju)專(zhuan)利分析(xi)

但是——就怕(pa)但是，很多新技术一“但是”，就意(yi)味(wei)着还要折(zhe)騰(teng)几十年。

目(mu)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(xian)前記(ji)錄(lu)僅(jin)为13.4％。澳(ao)大利亞(ya)昆(kun)士蘭(lan)大学的科学家现已取(qu)得了重(zhong)大进步(bu)，创下16.6％的新世界纪录，并通过独立(li)測(ce)試(shi)进行了验证。

盡(jin)管(guan)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(shang)业太阳能电池之前，仍(reng)有一些挑战需(xu)要解决。

主要問(wen)题之一，是基于量子点的太阳能电池的长期穩(wen)定性。一些量子点在长时间暴(bao)露(lu)在阳光和濕(shi)氣(qi)下容易退(tui)化。研究人员正在积极致力于开发新策(ce)略(lve)来提高这些电池的稳定性和耐(nai)用性，包括(kuo)使用保(bao)護(hu)塗(tu)层和更稳定的量子点材料。哈(ha)哈，看来这个问题和钙钛矿电池目前所(suo)遇(yu)到的主要问题是一样的，就是如何(he)保持稳定性。

總(zong)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(wang)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(dai)，在太阳能领域看到令人振(zhen)奋的进步，为更清洁、更可持续的未来铺平道路。返(fan)回搜(sou)狐(hu)，查(zha)看更多

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