近日,据《中国青年报》了解到,瑞典皇家科学院揭露了2023年的化学奖得主,分别为美国麻省理工学院教授蒙吉·巴文迪、美国哥伦比亚大学教授路易斯·布鲁斯以及美国纳米晶体技术公司前首席科学家阿列克谢·伊基莫夫共同分享大奖,以表彰他们在“发现和结合了量子点”的开拓性贡献。
因此,他们也将平分1100万瑞典克朗(约合人民币717万人名币)的奖金。
据《诺贝尔官方网站》了解,量子点是一种直径小于10纳米大小的半导体粒子,一般仅由几千个原子组成的晶体,就它的大小来看,它和足球的比例可以相较于足球和地球的比例大小。但是由于量子力学,它的光学和电子特性又跟较大粒子有所不同。
当紫外线照被量子点吸收时,量子点中的电子可以激发到较高的能量状态,因此它的导带和价带可以随着能量差异让其颜色有所改变。
那导带和价带又是什么物质?
在半导体量子点的情况下,这个过程相当于电子从价带到导带的跨越,当电子被激发之后,它又可以从导带跨越回到价带,然后变成光的形式释放能量。所以,量子点它具有诸多不同寻常的特性。
据诺贝尔化学委员会主席约翰·克维斯特介绍到,量子点可以随着大小的变化而出现不同的颜色。
目前来看,量子点已然成为现在纳米技术的重要工具,它目前广泛用于继OLED屏幕后的第三代液晶屏幕材料、计算机屏幕、生物化学家和医生更是将它作为荧光燃料用在细胞和器官图的绘制上。
据诺贝尔委员会在通告中介绍到,量子点的合成技术正在慢慢为人类的发展带来前所未有的发展,至今它的潜力还未完全发掘出来,根据专业人士研究发现,量子点的应用领域十分广泛。
在未来,它可以大规模使用在柔性电子产品和加密量子通信等先进科技领域,例如,近几十年提升较小的光伏电池领域将饱受人们的关注。
就光伏发电而言,在理论上看,量子点可以将光伏发电的效率提交近一倍左右。光伏发电就是利用太阳的光能转化成电能的一个核心过程。但是现今的光伏技术来看,光电转化的效率一直处在理论的天花板上。光电转换效率也是目前光伏产业技术更替和降本增效的主要任务。
从光伏电池发展看,1961年William Shockley和Hans Queisser共同研究计算得出33.7%的单节电池理论极限值,这个电池极限值也被称为Shockley-Queisser极限(S-Q极限)。但是随着社会的发展,光伏电池的研究技术不断更新,再加之能源转型、光伏产业的快速发展对这一极限有着多次的突破发现。
例如,多节光伏电池技术和热载流子光伏电池技术的突破就很好的成为了1961年光伏电池S-Q极限的解决方案。在这些解决方案中,量子点光伏电池就是其中之一,因它有非常好的量子限域特点和选择光谱吸收性等特征,所以量子点光伏电池被不少学者和研究人员寄予厚望,认为量子点光伏电池在未来有极大的挖掘潜力。
量子点光伏电池的优势具体表现在何处?
从吸收看,它对于传统的光伏有着更大的太阳光吸收系数,由于量子点限域效应,量子点的间隙会跟随粒子直径缩小而增大,因其加大了对太阳光的吸收,吸收系数相较于传统的单节电池有了极大的提高。
导电性能看,量子点的带间跨越(晶体中的电子从价带跨越导带的过程)增加了光子转化成载流子的动能,产生非常多的电子-空穴对(Electron-hole pair),因此有更强的导电性能。
转换效率,通过提高量子隧道效应刺激载流子的运输,在量子点尺寸和密度可以控制的情况下,通过形成量子隧道效应来提高电能的转换效率。
虽然量子点光伏电池拥有着极多发展潜力,但是就目前的理论实验和实际应用还有很长的路要走。目前,光伏电池正处于第三代技术的关键时期,世界各国也在不断加大相关投入,推动产业发展和升级。