量子点光伏电池获诺贝尔化学奖

北京时间10月4日，瑞典皇家科学院揭晓了2023年诺贝尔化学奖的归属，美国麻省理工学院教授蒙吉·巴文迪（MoungiG.Bawendi）、美国哥伦比亚大学教授路易斯·布鲁斯（LouisE.Brus）以及出生于前苏联的美国纳米晶体技术公司前首席科学家阿列克谢·伊基莫夫（AlexeiI.Ekimov）共同分享大奖，他们也将平分1100万瑞典克朗（约合717万元人民币）的奖金。根据钛媒体app此前报道（诺奖遭泄密！三位科学家因量子点研究获2023诺贝尔化学奖），三位科学家因在量子点（QuantumDot）领域的开拓性贡献而收获荣誉。量子点通常指直径小于10纳米的半导体纳米晶，是当今纳米技术中的重要工具，已作为OLED后的第三代液晶屏材料商业化应用于计算机和电视屏幕领域，生物化学家和医生则将其作为荧光燃料用于细胞和器官图的绘制。诺奖委员会在通告中表示，量子点的合成技术正为人类带来最大的福祉，其潜力还远未被完全挖掘。根据相关研究，量子点应用场景广泛，未来有望大规模应用于柔性电子产品、加密量子通信等前沿领域，其中，也包括了近年来备受关注的光伏电池。

理论上，量子点有将光伏电池光电转效率极值提高一倍的潜力在光伏发电过程中，利用电池将太阳的光能转化为电能是核心环节，光电转换效率也是目前光伏产业技术迭代、降本增效的关键所在。但光电转换效率一度面临一个理论上的天花板，即1961年由WilliamShockley和HansQueisser计算得出的33.7%的单结电池理论极限值，该数值也被称Shockley-Queisser极限（S-Q极限）。随着能源转型、光伏产业的快速发展，科学家、产业界都不断向这一极限发起冲击，提出了多节光伏电池、热载流子光伏电池等突破S-Q极限的解决方案，其中就包含量子点光伏电池，而得益于显著的量子限域效应、选择性光谱吸收性等特质，量子点光伏电池被不少研究者认为具有更大的潜力和可行性。早在1997年，西班牙马德里大学的研究团队就曾计算出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主任荒川泰彦的研究将这一数字提高到了75%，高出S-Q极限一倍以上。具体来说，根据大连交通大学材料科学与工程学院教授薛钰芝的相关研究，量子点作为光伏电池材料的优势主要有三点：一是能显著增大对太阳光的吸收系数。由于量子限域效应，量子点的能隙会随粒径变小而增大，这一特质让其能够吸收宽光谱的太阳光，吸收系数远高于传统的单结电池。二是通过带间跃迁提高导电性能。量子点的带间跃迁（即晶体中的电子受激发从价带跃迁到导带的过程）增加了光子转化为载流子（即承载电荷的、能够自由移动以形成电流的物质粒子）的动能，产生更多的电子-空穴对（Electron-holepair），增强导电性能。三是通过量子隧道效应刺激载流子的输运，从而提高转换效率。光电转换与电子的输运特性密切相关，而量子点在尺寸与密度可控的情况下，能够形成量子隧道效应，有利于载流子的输运。虽尚未步入产业化阶段，但业界关注度正逐渐升温虽然天赋异禀，潜力可观，但量子点光伏电池目前的实验结果与其理论上限和实际应用还有较远的距离。目前，市场主流的第二代p型光伏电池量产平均光电转换效率为23%左右，而其理论转换效率极值为24.5%，而正欲取而代之的第三代n型光伏电池目前量产效率普遍在24.5%-25%之间，虽然三大技术路线之争还尚在进行时，但按照晶科能源CTO金浩的说法，三大技术路线的效率转化极限都在28%-29%之间。也就是说，第二代、第三代基本没有突破S-Q极限的可能。这也是学界、业界高度关注次世代电池的原因所在。量子点电池的理论极值虽高出第二代电池近3倍，但目前，实验室中能够实现稳定导电的最好转换效率是18.1%，仅为理论天花板的四分之一，距离已经大规模应用的光伏电池也有较大差距。当然，这种“不及预期”的表现也与新型光伏电池多种多样且距离产业化阶段较远，所以相关研究也投入精力较少、方向分散有关。好消息是，近两年无论是新能源替代传统能源的速率还是光伏技术迭代的速率都有所加快，量子点的相关研究也正在得到越来越多的关注。在应用层面，根据光吸收材料和电荷分离机制的不同，量子点在光伏电池领域的应用还可细分为肖特基节光伏电池、极薄吸收层型光伏电池、钙钛矿量子点光伏电池、量子点敏化光伏电池等等，目前最受关注的是钙钛矿量子点光伏电池和量子点敏化光伏电池。相比于还未“打出一片天”的量子点，钙钛矿在光伏业界几乎是无人不晓，作为次世代电池中声名最为显赫的技术，钙钛矿目前的实验室转换效率已接近32%，突破S-Q极限指日可待。钙钛矿与量子点这两种材料在光捕获结构、高能光子利用等光学利用策略上具有相通性，这提供了二者“强强联合”的可能性，而量子点的量子限域效应、溶液加工多样化特性与钙钛矿相对较简单的合成工艺又能实现优势互补。根据张枫娟、韩博宁、曾海波于2022年发表的论文《钙钛矿量子点光伏与荧光聚光电池:现状与挑战》， 钙钛矿量子点电池因其带隙可调、组分易控、电子状态好和表面态可调等优点而受到越来越多的关注，未来有望广泛应用于光电池领域。

量子点敏化光伏电池最大的特点就是以量子点敏化剂作为吸光材料，其主要结构包括光阳极、敏化剂、电解液和对电极四个部分，相比于其他量子点的光伏应用技术，具有吸光范围广、光学稳定性强等优势。染料敏化本就是光伏电池技术中备受期待的前沿创新领域之一，作为进化体的量子点敏化技术不仅光电转换能力更强，还具有相对的低成本、高稳定性的潜质，已经吸引了很多研究者的关注。根据青岛市科学技术信息研究院副研究员刘振宇的研究，目前量子点敏化光伏电池的研发机构多为高校院所，中国在该领域处于领先水平，专利数量占比超过八成，上海交通大学、北京航空航天大学、中国科学院物理研究所、河南师范大学、温州大学等均设有相关创新机构或研究课题，近年来这一领域的专利技术发展呈直线上升状态。前景可观，势头良好，但至少就目前来看，量子点光伏电池与规模化应用间的阻碍还很多，除了技术攻关难度、实验室数据、成本等问题，量子点还存在容易被液态电解质腐蚀导致性能衰减的隐患，且作为敏化剂使用时含有毒性，对人体和环境都会形成危害，在无法“解毒”的情况下投入应用显然有悖于发展清洁能源的初衷。目前，光伏电池业界正处于第三代电池技术路线卡位战的关键时期（隆基再抛BC路线重磅公告，光伏电池路线之争激战正酣），当“战局”尘埃落定后，想必各家公司会将更多的目光投注在次世代电池技术中，推动相关研究、产业化进程加速。