北京時間 10 月 4 日，瑞典皇家科學院揭曉了 2023 年諾貝爾化學獎的歸屬，美國麻省理工學院教授蒙吉 · 巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美國哥倫比亞大學教授路易斯 · 布魯斯（Louis E. Brus）以及出生于前蘇聯的美國納米晶體技術公司前首席科學家阿列克謝 · 伊基莫夫（Alexei I. Ekimov）共同分享大獎，他們也将平分 1100 萬瑞典克朗（約合 717 萬元人民币）的獎金。
根據钛媒體 app 此前報道（諾獎遭洩密！三位科學家因量子點研究獲 2023 諾貝爾化學獎 ），三位科學家因在量子點（Quantum Dot）領域的開拓性貢獻而收獲榮譽。量子點通常指直徑小于 10 納米的半導體納米晶，是當今納米技術中的重要工具，已作爲 OLED 後的第三代液晶屏材料商業化應用于計算機和電視屏幕領域，生物化學家和醫生則将其作爲熒光燃料用于細胞和器官圖的繪制。諾獎委員會在通告中表示，量子點的合成技術正爲人類帶來最大的福祉，其潛力還遠未被完全挖掘。根據相關研究，量子點應用場景廣泛，未來有望大規模應用于柔性電子産品、加密量子通信等前沿領域，其中，也包括了近年來備受關注的光伏電池。
理論上，量子點有将光伏電池光電轉效率極值提高一倍的潛力
在光伏發電過程中，利用電池将太陽的光能轉化爲電能是核心環節，光電轉換效率也是目前光伏産業技術叠代、降本增效的關鍵所在。但光電轉換效率一度面臨一個理論上的天花闆，即 1961 年由 William Shockley 和 Hans Queisser 計算得出的 33.7% 的單結電池理論極限值，該數值也被稱 Shockley-Queisser 極限（S-Q 極限）。随着能源轉型、光伏産業的快速發展，科學家、産業界都不斷向這一極限發起沖擊，提出了多節光伏電池、熱載流子光伏電池等突破 S-Q 極限的解決方案，其中就包含量子點光伏電池，而得益于顯著的量子限域效應、選擇性光譜吸收性等特質，量子點光伏電池被不少研究者認爲具有更大的潛力和可行性。早在 1997 年，西班牙馬德裏大學的研究團隊就曾計算出量子點光伏電池理論上的光電轉換效率上限可達 63%；2011 年，東京大學納米量子信息電子研究機構主任荒川泰彥的研究将這一數字提高到了 75%，高出 S-Q 極限一倍以上。
具體來說，根據大連交通大學材料科學與工程學院教授薛钰芝的相關研究，量子點作爲光伏電池材料的優勢主要有三點：
一是能顯著增大對太陽光的吸收系數。由于量子限域效應，量子點的能隙會随粒徑變小而增大，這一特質讓其能夠吸收寬光譜的太陽光，吸收系數遠高于傳統的單結電池。
二是通過帶間躍遷提高導電性能。量子點的帶間躍遷（即晶體中的電子受激發從價帶躍遷到導帶的過程）增加了光子轉化爲載流子（即承載電荷的、能夠自由移動以形成電流的物質粒子）的動能，産生更多的電子 - 空穴對（Electron-hole pair），增強導電性能。
三是通過量子隧道效應刺激載流子的輸運，從而提高轉換效率。光電轉換與電子的輸運特性密切相關，而量子點在尺寸與密度可控的情況下，能夠形成量子隧道效應，有利于載流子的輸運。
雖尚未步入産業化階段，但業界關注度正逐漸升溫
雖然天賦異禀，潛力可觀，但量子點光伏電池目前的實驗結果與其理論上限和實際應用還有較遠的距離。
目前，市場主流的第二代 p 型光伏電池量産平均光電轉換效率爲 23% 左右，而其理論轉換效率極值爲 24.5%，而正欲取而代之的第三代 n 型光伏電池目前量産效率普遍在 24.5%-25% 之間，雖然三大技術路線之争還尚在進行時，但按照晶科能源 CTO 金浩的說法，三大技術路線的效率轉化極限都在 28%-29% 之間。也就是說，第二代、第三代基本沒有突破 S-Q 極限的可能。這也是學界、業界高度關注次世代電池的原因所在。量子點電池的理論極值雖高出第二代電池近 3 倍，但目前，實驗室中能夠實現穩定導電的最好轉換效率是 18.1%，僅爲理論天花闆的四分之一，距離已經大規模應用的光伏電池也有較大差距。
當然，這種 " 不及預期 " 的表現也與新型光伏電池多種多樣且距離産業化階段較遠，所以相關研究也投入精力較少、方向分散有關。好消息是，近兩年無論是新能源替代傳統能源的速率還是光伏技術叠代的速率都有所加快，量子點的相關研究也正在得到越來越多的關注。
在應用層面，根據光吸收材料和電荷分離機制的不同，量子點在光伏電池領域的應用還可細分爲肖特基節光伏電池、極薄吸收層型光伏電池、鈣钛礦量子點光伏電池、量子點敏化光伏電池等等，目前最受關注的是鈣钛礦量子點光伏電池和量子點敏化光伏電池。
相比于還未 " 打出一片天 " 的量子點，鈣钛礦在光伏業界幾乎是無人不曉，作爲次世代電池中聲名最爲顯赫的技術，鈣钛礦目前的實驗室轉換效率已接近 32%，突破 S-Q 極限指日可待。鈣钛礦與量子點這兩種材料在光捕獲結構、高能光子利用等光學利用策略上具有相通性，這提供了二者 " 強強聯合 " 的可能性，而量子點的量子限域效應、溶液加工多樣化特性與鈣钛礦相對較簡單的合成工藝又能實現優勢互補。根據張楓娟、韓博甯、曾海波于 2022 年發表的論文《鈣钛礦量子點光伏與熒光聚光電池 : 現狀與挑戰》， 鈣钛礦量子點電池因其帶隙可調、組分易控、電子狀态好和表面态可調等優點而受到越來越多的關注，未來有望廣泛應用于光電池領域。
量子點敏化光伏電池最大的特點就是以量子點敏化劑作爲吸光材料，其主要結構包括光陽極、敏化劑、電解液和對電極四個部分，相比于其他量子點的光伏應用技術，具有吸光範圍廣、光學穩定性強等優勢。染料敏化本就是光伏電池技術中備受期待的前沿創新領域之一，作爲進化體的量子點敏化技術不僅光電轉換能力更強，還具有相對的低成本、高穩定性的潛質，已經吸引了很多研究者的關注。根據青島市科學技術信息研究院副研究員劉振宇的研究，目前量子點敏化光伏電池的研發機構多爲高校院所，中國在該領域處于領先水平，專利數量占比超過八成，上海交通大學、北京航空航天大學、中國科學院物理研究所、河南師範大學、溫州大學等均設有相關創新機構或研究課題，近年來這一領域的專利技術發展呈直線上升狀态。
前景可觀，勢頭良好，但至少就目前來看，量子點光伏電池與規模化應用間的阻礙還很多，除了技術攻關難度、實驗室數據、成本等問題，量子點還存在容易被液态電解質腐蝕導緻性能衰減的隐患，且作爲敏化劑使用時含有毒性，對人體和環境都會形成危害，在無法 " 解毒 " 的情況下投入應用顯然有悖于發展清潔能源的初衷。
目前，光伏電池業界正處于第三代電池技術路線卡位戰的關鍵時期（隆基再抛 BC 路線重磅公告，光伏電池路線之争激戰正酣），當 " 戰局 " 塵埃落定後，想必各家公司會将更多的目光投注在次世代電池技術中，推動相關研究、産業化進程加速。
（本文首發钛媒體 APP，作者｜胡珈萌，編輯｜劉洋雪）
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