文|趕碳號(hào)
鈣鈦礦還沒整明白，比鈣鈦礦更玄、也更前沿的量子點(diǎn)又來了。只要是科學(xué)，再遙遠(yuǎn)，它都會(huì)發(fā)生，就像可控核聚變一樣。
01、量子點(diǎn)，是個(gè)什么鬼
細(xì)胞上的硫化鎘量子點(diǎn)；來源：美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室（美國從事核武器的機(jī)密單位之一）
量子點(diǎn)，不是點(diǎn)，是具有獨(dú)特光學(xué)和電子特性的微小半導(dǎo)體粒子?，F(xiàn)在，這種微小的物質(zhì)正在徹底改變太陽能采集領(lǐng)域。
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(xiàn)，這些納米顆粒能夠表現(xiàn)出非凡的量子力學(xué)效應(yīng)，使它們能夠高效地將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。
現(xiàn)在，世界各地的研究人員，正在致力于探索量子點(diǎn)顯著提高太陽能電池效率的巨大潛力，從而為清潔和可持續(xù)能源的新時(shí)代鋪平道路。
太陽能收集的主要挑戰(zhàn)之一是傳統(tǒng)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率有限。這些電池通常由晶硅制成，只能吸收太陽光譜中的一小部分，導(dǎo)致其最大理論轉(zhuǎn)化效率約為 33%。這又被稱為 Shockley-Queisser 極限。轉(zhuǎn)化效率，一直是提高太陽能電池性能的長(zhǎng)期障礙?，F(xiàn)在量子點(diǎn)有可能克服這一限制，并顯著提高太陽能轉(zhuǎn)換效率。量子點(diǎn)的獨(dú)特性質(zhì)，源于它們的小尺寸和量子限制效應(yīng)。這種效應(yīng)導(dǎo)致在量子點(diǎn)中，電子的能級(jí)變得離散，而不是像塊狀材料中那樣連續(xù)。因此，量子點(diǎn)可以被設(shè)計(jì)成具有對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的光的特定能級(jí)。這種可調(diào)性使它們能夠吸收比傳統(tǒng)太陽能電池更廣泛的太陽光譜，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(hào)基本沒看明白，量子點(diǎn)怎么就能提升轉(zhuǎn)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) ，也稱為半導(dǎo)體納米晶體，是幾納米大小的半導(dǎo)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(dāng)量子點(diǎn)被紫外線照射時(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(dǎo)體量子點(diǎn)的情況下，這個(gè)過程對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶到導(dǎo)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、為解決人類能源危機(jī)而生
生長(zhǎng)的量子阱的納米薄層到納米層上方的 LANL 納米晶體（又名量子點(diǎn)）的能量轉(zhuǎn)移圖解；來源：美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室
現(xiàn)代量子點(diǎn)技術(shù)要追溯到上世紀(jì)70年代中期，它是為了解決全球能源危機(jī)而發(fā)展起來的。通過光電化學(xué)研究，開發(fā)出半導(dǎo)體與液體之間的結(jié)合面，以利用納米晶體顆粒優(yōu)良的體表面積比，來產(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(xiàn)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(yàn)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，首次提出膠狀量子點(diǎn)。
1997年以來，隨著量子點(diǎn)制備技術(shù)的不斷提高，量子點(diǎn)己越來越可能應(yīng)用于生物學(xué)研究。
2015年，華東理工大學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中制備出量子點(diǎn)敏化太陽電池轉(zhuǎn)，換效率首超8% 。
量子點(diǎn)在太陽能收集中，有一個(gè)極有前途的應(yīng)用，就是串聯(lián)太陽能電池的開發(fā)。這些電池由多層吸光材料組成，每層都設(shè)計(jì)用于捕獲太陽光譜的特定部分。通過將具有不同能級(jí)的量子點(diǎn)結(jié)合到這些層中，研究人員可以創(chuàng)建串聯(lián)太陽能電池。如果理解得沒錯(cuò)，這其實(shí)就是疊層。
與傳統(tǒng)的單結(jié)電池相比，它可以有效地收集更多的太陽光譜。這種方法已經(jīng)顯示出可喜的結(jié)果。一些包含量子點(diǎn)的串聯(lián)太陽能電池，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)超過 40% 的光電轉(zhuǎn)化效率。
量子點(diǎn)太陽能電池領(lǐng)域的另一個(gè)令人興奮的發(fā)展，是與鈣鈦礦材料的結(jié)合應(yīng)用。鈣鈦礦是一種具有獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)的材料，使其能夠高效吸收光、并將其轉(zhuǎn)化為電能。通過將鈣鈦礦材料與量子點(diǎn)相結(jié)合，研究人員已經(jīng)能夠制造出比單獨(dú)使用量子點(diǎn)效率更高的太陽能電池。
這些混合鈣鈦礦-量子點(diǎn)太陽能電池，有可能在未來的若干年內(nèi)，通過更高的效率、更低的成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)晶硅太陽能電池的替代，并徹底改變太陽能行業(yè)。
除了具有提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的巨大潛力外，量子點(diǎn)還能夠?yàn)樘柲苁占峁┢渌矫娴膬?yōu)勢(shì)。
比如，它們的小尺寸和可調(diào)特性，使它們非常適合用于靈活輕便的太陽能電池板。這些太陽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(yīng)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(kuò)展的基于溶液的方法進(jìn)行合成，從而使其成為可供大規(guī)模生產(chǎn)太陽能電池的有吸引力的選擇。
03、從研究到應(yīng)用，路還很長(zhǎng)
2015年，安娜·道格拉斯通過添加數(shù)百萬個(gè)由黃鐵礦（傻瓜金）制成的量子點(diǎn)電池
量子點(diǎn)的制造方法可以大致分為三類：化學(xué)溶液生長(zhǎng)法，外延生長(zhǎng)法，電場(chǎng)約束法。這三類制造方法也分別對(duì)應(yīng)了三種不同種類的量子點(diǎn)。
如果將量子點(diǎn)——比人類頭發(fā)絲寬度小10,000 倍的納米晶體——添加到智能手機(jī)電池中，它將在30秒內(nèi)充滿電，但這種效果只會(huì)持續(xù)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(xiàn)，用黃鐵礦（通常稱為傻瓜金）制造量子點(diǎn)生產(chǎn)的電池，可以快速充電并工作數(shù)十個(gè)周期。
來源：全球數(shù)據(jù)專利分析
但是——就怕但是，很多新技術(shù)一“但是”，就意味著還要折騰幾十年。
目前，由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）創(chuàng)下的量子點(diǎn)太陽能電池轉(zhuǎn)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(xiàn)已取得了重大進(jìn)步，創(chuàng)下16.6％的新世界紀(jì)錄，并通過獨(dú)立測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證。
盡管量子點(diǎn)在收集太陽能方面具有巨大的潛力，但在將其廣泛應(yīng)用于商業(yè)太陽能電池之前，仍有一些挑戰(zhàn)需要解決。
主要問題之一，是基于量子點(diǎn)的太陽能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。一些量子點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽光和濕氣下容易退化。研究人員正在積極致力于開發(fā)新策略來提高這些電池的穩(wěn)定性和耐用性，包括使用保護(hù)涂層和更穩(wěn)定的量子點(diǎn)材料。哈哈，看來這個(gè)問題和鈣鈦礦電池目前所遇到的主要問題是一樣的，就是如何保持穩(wěn)定性。
總之，量子點(diǎn)通過顯著提高太陽能電池的效率，并為靈活和低成本的太陽能技術(shù)提供了新機(jī)會(huì)，有望徹底改變太陽能的采集。隨著研究人員繼續(xù)探索和優(yōu)化這些納米粒子的特性，我們可以期待，在太陽能領(lǐng)域看到令人振奮的進(jìn)步，為更清潔、更可持續(xù)的未來鋪平道路。