10月4日，2023年诺贝尔化学奖揭晓，美籍法国-突尼斯裔化学家Moungi Bawendi，美国化学家Louis Brus和俄罗斯物理学家Alexei Ekimov因“发现和合成量子点” 获得殊荣。量子点材料作为纳米科技结出一颗饱满的果实，正在跟21世纪科技大潮结合，不仅能在柔性电子、微型传感器、更薄的太阳能光伏电池和加密量子通信方面做出贡献，还具备改变未来科技的力量。
三位获奖科学家之一的Moungi G. Bawendi，是一位钙钛矿太阳电池领域专家。事实上，钙钛矿材料制备而成的量子点在光伏领域也有不俗的效用，越来越受到行业的重视。
01 量子点科普
量子点，又称半导体纳米晶，是由数百或数千原子组成、尺寸一般小于20纳米的半导体晶体颗粒，是当今纳米技术中的重要工具。目前已作为OLED后的第三代液晶屏材料商业化应用于计算机和电视屏幕领域，生物化学家和医生则将其作为荧光探针用于细胞和器官图的绘制。诺奖委员会在通告中表示，量子点的合成技术正为人类带来最大的福祉，其潜力还远未被完全挖掘。根据相关研究，量子点应用场景广泛，未来有望大规模应用于柔性电子产品、加密量子通信等前沿领域，其中，也包括了近年来备受关注的光伏电池。
半导体材料一般是由具有重复单元结构的晶体组成，由于量子点的尺寸进入纳米尺度，半导体纳米晶体内部重复单元的数目有限，导致材料的电子结构发生很大的变化。Brus和Ekimov等人将这一尺寸相关的现象描述为量子限域效应：量子点的电子结构由本体材料（宏观晶体）的连续能带变为分立的能级，带隙随着晶体尺寸的变小逐渐增大。同时，由于量子点的尺寸通常小于激子（电子-空穴对）玻尔半径，光激发产生的激子被牢牢束缚在每颗量子点中，从而实现高效率的辐射复合。以目前研究最广泛的硒化镉(CdSe)量子点为例，其本体硒化镉为黑色粉末，通常并没有荧光效应；而溶液合成的硒化镉量子点，可以通过尺寸改变，实现由蓝光到红光的多种颜色发光。
图源：The official website of the Nobel Prize - NobelPrize.org
经过基础研究的不懈探索，量子点相关的理论研究逐步形成体系，量子点合成化学也蓬勃发展，高质量的量子点从II-IV族CdSe量子点逐步扩大到其它种类半导体化合物，如PbS量子点、InP量子点、CuInS2量子点等。随着学术研究的不断推进，很多重要的前沿技术迎来了新的发展机遇。例如，量子点高效稳定的发光特性，使其成为一类经典的荧光标记材料，在生物检测和医学成像领域，被广泛应用于科学研究和体外检测中，推动了成像和检测技术的发展。另一方面，量子点具有窄发射和发光色彩可调的特性，使其成为显示领域的新一代发光材料体系。同时，量子点在光伏电池、探测成像、光催化、量子光源等领域的应用也有着长足的发展。
02 钙钛矿材料在量子点上的应用
2015年，钙钛矿量子点出现。作为新型的合成半导体材料，钙钛矿具有极其优异的光电特性，在光伏、显示、照明、光电探测器等领域有巨大的应用前景。极电光能研发团队围绕“钙钛矿”这一奇异的光电材料，致力于光伏电池及组件、发光量子点以及前驱体材料的产业化技术开发。
相比传统CdSe和InP量子点，钙钛矿量子点光学性能更为优异，低毒环保且合成方法简单，具有广阔的应用前景，目前在光伏、显示领域都得到了初步的商业化应用。
光伏领域——光伏增益
钙钛矿量子点具有高量子点转换效率（PLQY）、宽带吸收、窄带发射及带隙可调性优异等特点，可用作光伏组件中的紫外截止材料和光伏增益材料，帮助光伏组件增效提稳。
钙钛矿量子点材料在吸收一个高能量光子后能够转换并释放出一个或多个低能量光子，通过波长转换的方式为光伏产品进行增益。
以单晶硅电池为例，其在紫外区的QE要明显低于可见光区，导致紫外区的能量未能得到有效的利用。若能够添加某种材料，将晶硅电池难以吸收的紫外光子转换为易吸收的可见/红外光子，就能够极大程度地增加其能量转换效率。光伏增益钙钛矿量子点的PLQY理论最高值可以达到200%，当应用于单晶硅电池时，可使其功率提升8%以上！这项技术能够广泛地应用于主流光伏电池上，大幅提高太阳光的利用率。
值得一提的是，前不久网络刷屏的无锡交响音乐厅项目的“龙鳞”屋顶视觉样板上，由极电光能与中建八局联合开发的BIPV光伏瓦产品便应用了钙钛矿光伏增益技术，通过光谱转换使产品具备1.5%~2%的光伏功率增益，大大提升了产品的发电性能。
显示是量子点的主要应用方向之一。相比于传统CdSe量子点，钙钛矿量子点的合成工艺简单，材料成本低廉，亮度和色域更高，更为重要的是，由于不含重金属镉，市场的接受度更高，大大拓宽了其应用范围。
钙钛矿量子点可与现主流显示技术LCD结合，在不改变显示器件主体结构的情况下显著提高显示器件的色彩品质。其发光方式分为光致发光（photoluminescence）和电致发光（electroluminescence）两种。目前极电光能产品以钙钛矿量子点膜/扩散板为主，均为光致发光技术。
随着研发的进一步深化，未来钙钛矿量子点产品将逐步取代传统量子点在显示领域的应用，轻松实现高端照明所需要的高色域、高亮度、色温调控。同时，极电光能也将着眼并布局于其他前沿领域，如QDCF、QD-INK和QLED等高端应用。
除了以上应用方向，钙钛矿量子点在X射线成像、微型光谱仪、光学传感器等领域也开始崭露头角，同时还有望在农用补光、健康照明中得到应用。
虽然钙钛矿材料在光伏和光电领域中的应用形式有所不同，前者是光转电，后者是电转光或光转光，在材料组成和形态上存在差别，但对于材料性能优异、结构稳定的要求是一致的，因此两者在效率提升和稳定性提升方面的工作可互为借鉴，互相启发。伴随着极电光能在钙钛矿太阳电池技术产业化方向上的不断突破，量子点技术也将打开新的局面，为光伏效率进一步提升发挥作用。
极电光能预计在2024年实现钙钛矿单结组件的GW级量产，在产业化方面处于行业领先，未来将持续推动钙钛矿在光伏、光电产业化方向上的发展，坚持用产业化的眼光进行全面布局，深度挖掘钙钛矿材料在光伏领域的巨大潜力，为全球能源绿色发展赋能。
