2023诺贝尔化学奖公布：这项科技有望带来能源革命

日前，2023年诺贝尔化学奖公布了，颁发给了Moungi G. Bawendi、Louis E. Brus 和 Alexei I. Ekimov，以表彰他们在“发现和合成量子点”方面的贡献。

别看他是化学奖，这个技术可与能源有着不解之缘。这里边潜藏着可再生能源的巨大前景。

那这个量子点是什么呢？

量子点是一种纳米级别的晶体，通常由几十到几千个甚至上万个原子组成，一般比头发丝的1/10000还小，只有不到20纳米。

量子点不仅尺寸小，还具有限域效应。量子点的限域效应使电子的能级变得离散，而不像块状材料那样连续。

此外，量子点还具有一些特殊的性质，比如具有巨电导、可变化的带隙、可变化的光谱吸收性等。

值得注意的是，这种量子点应用到光伏电池上可以大大提高光电转换效率。

在光伏领域，大家都知道光伏的发电效率的极限天花板是33%。

这主要是因为太阳光照射到光伏板上以后，光伏板并不能吸收到所有的太阳光，光子是有损失的。这是由于晶硅材料的物理性质决定的。

还有就是被吸收的光子产生电子—空穴对以后，会有额外的动能损失。

再就是复合产生光子发射损失和载流子收集过程中等温耗散的损失。

所以，在最佳的带隙下，理想的光伏电池最高效率只有33%。

但是现在在量子点技术加持下，光伏电池转换效率将有望突破这一极限。

量子点的限域效应能够使能隙随粒径变小而增大，所以相比于整块的晶硅材料来说，量子点结构材料可以吸收更宽光谱的太阳光。

而且，量子点的带间跃迁还可以增加光子转化为载流子的动能，产生更多的电子—空穴对，增强导电性能。

在尺寸与密度可控的情况下，量子点结构材料能够形成量子隧道效应，有利于载流子的输运，从而进一步提升光电转换效率。

科学家可以将量子点设计成具有对应不同波长的光的特定能级，吸收更广泛的太阳光谱，进而借助量子点大大提升光伏电池的转换效率。

这一技术早就有科学家进行过专门的研究，还制作出了量子点光伏电池。

1997年，西班牙马德里大学的研究团队就计算出了量子点光伏电池理论上的光电转换效率上限可达63%。

2011年，东京大学纳米量子信息电子研究机构将这一数字提高到了75%。

所以说，有了量子点技术加持的光伏电池是可以突破转化效率极限的，甚至可以将光电效率增加50%至1倍以上。

量子点太阳能电池结构及工作原理

图片来源：李波，赵建红，赵鑫波等，新型太阳能电池的研究进展及发展趋势[J].能源研究与信息，2021，第37卷（1）:32-39

这很有可能会成为下一代光伏行业发展的新方向，并开启光伏产业的新时代。

目前，最受关注的应用是钙钛矿量子点光伏电池和量子点敏化光伏电池。

钙钛矿光伏电池效率高也是光伏行业公认的事实，现在实验室状态下已经达到32%。

而钙钛矿与量子点这两种材料具有相通性，体现在光捕获结构、高能光子利用等光学利用策略上。这也为两者的“强强联合”提供了可能。

同样的，量子点敏化光伏电池也可以利用量子点的吸光范围广、光学稳定性强等优势，提升光伏电池的转化效率。

对于光伏产业来说，量子点技术是一个具有革命性突破的新技术。

量子点应用于光伏领域虽然还不成熟，但量子点光伏电池优势明显，会推动着量子点+光伏产业的加速实现。