量子点如何提高转化效率?

钙钛矿还没有完全理解，比钙钛矿更神秘、更前沿的量子点又来了。无论它有多远，它都会发生，就像可控核聚变一样。

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什么是量子点？

细胞上的硫化镉量子点；来源：美国太平洋西北国家实验室（美国核武器机密单位之一）

量子点，不是点，是具有独特光学和电子特性的微小半导体粒子。现在，这种微小的物质正在完全改变太阳能收集领域。

量子点有多大？从2到10纳米不等。科学家们发现，这些纳米颗粒可以表现出非凡的量子力学效应，有效地将太阳转化为电能。

目前，世界各地的研究人员正致力于探索量子点显著提高太阳能电池效率的巨大潜力，为清洁和可持续能源的新时代铺平道路。

太阳能收集的主要挑战之一是传统太阳能电池的转化效率有限。这些电池通常由晶体硅制成，只能吸收太阳光谱的一小部分，导致其理论转化效率约为 33%。也叫这个 Shockley-Queisser 极限。转化效率一直是提高太阳能电池性能的长期障碍。

目前，量子点可以克服这一限制，显著提高太阳能转换效率。量子点的独特性源于它们的小尺寸和量子限制效应。这种效应导致电子能级在量子点中离散，而不是像块状材料中那样连续。因此，量子点可以设计成对应于不同波长的光的特定能级。这种可调性使它们能够吸收比传统太阳能电池更广泛的太阳光谱，从而大大提高其效率-Queisser 极限以上。

在上一段中，作为一名文科学生，我基本上不明白量子点如何提高转化效率？为此，我们在互联网上找到了一些关于量子点的基本介绍。

量子点 (QD) ，又称半导体纳米晶体，是几纳米大小的半导体颗粒。由于量子力学，其光学和电子特性不同于大颗粒。它们是纳米技术和材料科学的中心课题。

当量子点被紫外线照射时，量子点中的电子可以被激发到更高的能量状态。在半导体量子点的情况下，这个过程对应于电子从价带到导带的跳跃。受刺激的电子可以回到价带，以光的形式释放能量。

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为了解决人类能源危机而诞生

生长量子陷阱的纳米层薄到纳米层上方 LANL 纳米晶体(又称量子点)的能量转移图；来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室

现代量子点技术可以追溯到20世纪70年代中期，是为了解决全球能源危机而发展起来的。通过光电化学研究，利用纳米晶体颗粒的优良体表面积比，开发了半导体与液体的结合面，产生能量。

1981年，瑞士物理学家在水溶液中合成硫化镉胶体。Brus博士和他的同事发现，不同大小的硫化镉颗粒可以产生不同的颜色。1983年，贝尔实验室科学家Brus证明了硫化镉胶体的大小发生了变化，其激子能量也发生了变化 。因此，他将这种胶体与量子点的概念联系起来，首次提出了胶状量子点。

自1997年以来，随着量子点制备技术的不断提高，量子点自在生物学研究中的应用越来越有可能。

2015年，华东理工大学在实验室制备了量子点敏化太阳能电池转换，转换效率超过8% 。

量子点在太阳能收集中有一个很有前途的应用，那就是串联太阳能电池的开发。这些电池由多层吸光材料组成，每层都设计用于捕获太阳光谱的特定部分。研究人员可以通过将不同级别的量子点结合到这些层中，创建一系列太阳能电池。如果你理解得对，那其实就是叠层。

与传统的单结电池相比，它可以有效地收集更多的太阳光谱。这种方法显示了令人满意的结果。一些包含量子点的系列太阳能电池可以超过 40% 光电转化效率。

量子点太阳能电池领域的另一个令人兴奋的发展是钙钛矿材料的结合应用。钙钛矿是一种具有独特晶体结构的材料，可以有效地吸收光，并将其转化为电能。通过钙钛矿材料与量子点的结合，研究人员可以制造出比单独使用量子点更有效的太阳能电池。

这些混合钙钛矿-量子点太阳能电池可能会在未来几年取代传统晶硅太阳能电池，并通过更高的效率和更低的成本彻底改变太阳能产业。

量子点除了具有提高太阳能电池转化效率的巨大潜力外，还可以为太阳能收集提供其他优势。

例如，它们的小尺寸和可调性使它们非常适合灵活和轻的太阳能电池板。这些太阳能电池板可以很容易地集成到从可穿戴电子产品到建筑集成光伏的广泛应用中。此外，在生产方面，量子点可以以低成本和可扩展的基于溶液的方法合成，从而成为大规模生产太阳能电池的有吸引力的选择。

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从研究到应用，路还很长

2015年，安娜·道格拉斯添加了数百万个由黄铁矿(傻瓜金)制成的量子点电池

量子点的制造方法大致可分为化学溶液生长法、延伸生长法和电场约束法三类。这三种制造方法也对应于三种不同类型的量子点。

如果量子点比人的头发宽度小10000 双纳米晶体-添加到智能手机电池中，会在30秒内充满电，但这种效果只会持续几个充电周期。

范德比尔特大学的安娜·道格拉斯在研究中发现，量子点生产的电池(通常称为傻瓜金)可以快速充电并工作几十个周期。

来源：全球数据专利分析

但是——害怕但是，很多新技术一“但是”，就意味着要折腾几十年。

目前，美国国家可再生能源实验室（NREL）量子点太阳能电池转换效率的先前记录仅为13.4％。澳大利亚昆士兰大学的科学家们取得了重大进步，创造了16.6％通过独立测试验证的新世界纪录。

尽管量子点在收集太阳能方面有很大的潜力，但在广泛应用于商业太阳能电池之前，仍有一些挑战需要解决。

其中一个主要问题是基于量子点的太阳能电池的长期稳定性。一些量子点在长时间暴露在阳光和水分下很容易退化。研究人员正在积极开发新的策略，以提高这些电池的稳定性和耐久性，包括使用保护涂层和更稳定的量子点材料。哈哈，看来这个问题和钙钛矿电池的主要问题是如何保持稳定性。

简而言之，量子点显著提高了太阳能电池的效率，并为灵活和低成本的太阳能技术提供了新的机会，预计将完全改变太阳能的收集。随着研究人员不断探索和优化这些纳米粒子的特性，我们可以期待在太阳能领域取得令人兴奋的进展，为更清洁、更可持续的未来铺平道路。

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