应用前景阐扬光大，好“色”时代的量子点技术

据预测，到2034年，全球量子点材料市场将达到5.5亿美元，与2022年相比，复合年增长率为其价值的12.3%。

全球量子点材料市场趋势预测

IDTechEx《量子点材料与技术2024-2034:趋势、市场、应用》最新报告提供了该技术的路线图，以及随着时间的推移将改变的各种应用的技术组合。量子点是否预示着照明应用的未来？

什么是量子点？

量子点（QD）是具有尺寸可调特征的2-10nm（10-50个原子）的半导体纳米晶体。由于其纳米尺度，它具有量子限制效应，可以产生显著的光学和电学特性。

QDEF（量子点膜）制造工艺

量子点的特性可以通过颗粒大小、材料和成分进行调整。量子点材料包括：Cd（镉）基、In（铟）基、PbS（硫化铅）、Perovskite（钙钛矿），以及新兴的CuInS2（硫铟铜）、InAs（砷化铟）、ZnTeSe（硒镉汞）。它们具有不同的带隙，因此具有不同的吸收和发射光谱的能力。

量子点操作模式

自1980年首次发现以来，其微调能力使量子点在商业产品转化方面不断显示出巨大的潜力，具体应用包括显示器（LCD、miniLED背光显示、QD-OLED电视、QD-microLED电视、发光QLED显示器）、光电探测器、图像传感器、光伏（PV）、照明和农业薄膜、科研等。

显示器的成功应用

在显示技术中，量子点已被广泛用作色彩增强组件。与传统液晶显示器（LCD）相比，量子点可提供更宽的色域、更高的色彩精度和更高的亮度。激发发射特定波长光的独特光致发光特性，使量子点能够将LED发出的蓝光转换为纯红色和绿色，从而实现更广泛和精确的调色板。

液晶显示器的量子点颜色转换（QDCC）

对显示器中量子点集成方法演变进行的研究表明，薄膜类型的采用相对于过时的边缘光学器件具有主导地位。在材料进步和制造技术改进的推动下，用于OLED和micro-LED（μLED）或片上型量子点滤色器等新兴方法正在获得发展势头，最终可能超过薄膜型方法。

此外，量子点也是显示器、跟踪效率和寿命改进的终极发光材料。当然，它在性能、寿命、沉积/图案化和器件设计方面还存在一些挑战。

采用量子点的电致发光显示器

点亮照明的未来

基于量子点的光致发光特性，其现有商业产品在照明技术中具有明显的潜力。它可以作为颜色转换器集成到LED照明系统中，从而产生可调谐的高质量白光。基于量子点的LED可以实现优异的显色指数（CRI）和色温，使其适用于各种照明应用，包括室内和汽车照明。此外，量子点的窄发射光谱减少了复杂滤光的需求，有助于提高能源效率并减少光污染。

光伏中的量子点

从光伏技术分类看，基于晶圆的（第一代光伏）在半导体晶圆上制造，采用晶体硅和III-V族PV（例如化镓），或多晶硅、单晶硅（占主导地位）。基于薄膜技术的第二代光伏，吸收光的效率是硅的10-100倍，可以使用几微米的薄膜；新兴的第三代光伏具有克服Shockley-Quisser（肖克利奎伊瑟极限）极限的潜力或基于新型半导体。

光伏技术分类

量子点可以集成到光伏设备中，从而实现第三代太阳能电池。通过设计量子点的带隙以匹配太阳光谱的特定区域，使光伏电池有效捕获更宽范围的光波长，同时实现多激子生成（MEG）效应，从而改善光采集，提高转换效率和弱光条件下的更高性能，还可以为柔性透明的光伏应用提供潜力。

量子点PV效率记录

图源：NREL太阳能光伏效率图

新兴图像传感器中的量子点

PbS量子点具有在宽波长范围内可调谐的优点，适用于近红外（NIR）或短波红外（SWIR）传感应用。一个有趣的可能性是，它可以与硅读出集成电路（ROIC）结合，形成QD-Si NIR/SWIR混合图像传感器。这种创新集成为实现高分辨率小像素硅基NIR/SWIR传感器提供了一条可能的途径，消除了InGaAs（砷化铟镓）传感器与硅ROIC异质杂化（heterogeneous hybridization）的必要。基于量子点的低成本混合图像传感器不仅可以用于传统上由InGaAs SWIR图像传感器实现的应用，还有助于实现其他新的应用。

QD-Si混合图像传感器可以同时实现高分辨率、低像素间距和全局快门，并具有低成本潜在能力。随着第一代产品的面市，一些行业巨头也涉足了这一领域，使这项技术的前景非常乐观。

量子点材料的选择

值得一提的是，晶格常数对于量子点材料至关重要，因为晶格失配会导致应变和缺陷，从而促进非辐射复合。

常见量子点材料的带隙和晶格常数

与荧光体的FWHM（半峰全宽）相比，量子点的优势在于可以提供FWHM通常低于40nm的窄带发射。Cd基量子点可以在商业上实现30-35nm（实验室规模低于20nm），而绿色钙钛矿（CsPbBr3）的量子点不到20nm。

不过，绿色荧光体（β-sialon:Eu2+）的最窄FWHM仍然宽达55nm。目前唯一能产生窄FWHM的荧光体是GE的KSF:Mn+4系统，它在红色区域可产生五个2nm宽的峰。然而，KSF（含四价锰离子的氟硅酸钾）有5个发射峰，平均峰值波长中心在约625nm，这并不够深，还存在长PL（光致发光）衰减的问题。

从宽带黄色到窄带绿色和红色的各种荧光体

QD-OLED显示器的优势

对比传统的LCD与QD-OLED，前者的优点包括：价格实惠、更成熟；供应链完善，市场上有很多参与者可供选择。其缺点主要是会给斜角观看带来问题。

QD-OLED的优点在于：能够呈现完美的黑色；色域更宽，色彩更鲜艳；高动态范围成像（HDR），高亮度。由于量子点在所有方向上都能均匀发光，可最大限度地减少不同角度的图像质量变化。例如，与传统LCD相比，在距正面60°处，亮度比小于40%，而量子点显示器超过70%。另外，由于LCD矩阵和滤色器的组合减少了LED背光产生的光，QD-OLED也更节能，QDCC（量子点色彩转换片）在颜色转换方面效率也更高。

与WOLED（白色有机电致发光二极管）相比，两者的共同点是：更宽的色域、HDR、完美的黑色、良好的光圈比；均基于玻璃基板和氧化物TFT背板；均使用蓝色OLED光源；都可以制成透明和/或可滚动形式；OLED图案化均基于开放式金属掩模，而QD-OLED本质上是OLED的演变。两者的差异在于：WOLED为底部发射，QD-OLED是顶部发射。另外，WOLED是CF（彩色滤光片）阵列，QD-OLED的CF是通过光刻或喷墨打印制成。

总体上看，虽然QD-OLED技术还不太成熟，但其颜色纯度很高；由于没有滤光片，可以实现更高的亮度；但QD-OLED的尺寸和分辨率选择较少。从市场看，LG是WOLED显示器的领导者，QD-OLED显示器市场由三星主导。在价格方面，目前QD-OLED更贵，但可能变得便宜。

量子点身兼二职：改变和扩展

利用其光致发光和电致发光特性，量子点可以为各种应用中的现有技术提供附加值；针对不同案例重组供应链的潜力也为相关参与者带来了新的机会。

随着对量子点的深入技术研究和分析，与各种应用的集成路线图还必须解决毒性、长期稳定性以及大规模制造技术和成本等挑战。时下，研究人员正在积极探索无毒、更稳定的材料来克服这些障碍。此外，量子点合成技术和制造工艺的进步可能会降低生产成本，并促进商业应用的广泛采用。