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钙钛矿科学家荣获诺贝尔化学奖

发布时间：

2023-10-07 11:22

2023年诺贝尔化学奖的科学家蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)、阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)

北京时间10月4日17时45分，瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院宣布，将2023年诺贝尔化学奖授予美国麻省理工学院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)、美国哥伦比亚大学教授路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)和美国纳米晶体科技公司科学家阿列克谢·伊基莫夫(Alexey I. Ekimov)，以表彰他们在量子点的发现和发展方面的贡献。

什么是量子点？

被称为“人造原子”的新概念

不同粒径的量子点

量子点是在把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。在20世纪90年代提出，这个新概念还被称为“人造原子”“超晶格”“超原子”或“量子点原子”。这种结构可以由静电势，两种不同半导体材料的界面，半导体的表面，或者以上三者的结合。

量子点具有分离的量子化的能谱，所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中，一个量子点具有少量的（1-100个）整数个的电子或电子电洞对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。

量子点是一种微小的半导体结构，其尺寸通常在纳米级别。这些微小的结构具有独特的光学和电学性质，使其在许多领域具有巨大的潜力，包括能源、生物医学和电子学。

三位获奖科学家

美国麻省理工学院教授蒙吉·G·巴文迪(Moungi G. Bawendi)，是量子点领域的先驱之一。1961年出生于法国巴黎，1988年获美国伊利诺伊州芝加哥大学博士学位，他的研究成果为制备高质量的量子点材料奠定了基础，并开发了一种新的合成方法，这项新颖的方法使得量子点的制备更加可控和可重复。这项工作不仅提高了量子点的光学性能，还为量子点在生物医学成像和光电子学中的应用打开了新的可能性，还能精确地控制量子点的大小、形状和组成，不仅如此，他还研究了多激子、电荷输运和量子点闪烁的物理机制。他率先将量子点作为荧光探针用于生物成像和传感。

哥伦比亚大学名誉教授路易斯·E·布鲁斯(Louis E. Brus)教授的贡献主要集中在量子点的表征和理解方面。1943年出生于美国俄亥俄州克利夫兰，1969年获哥伦比亚大学博士学位，他在1983年在AT&T贝尔实验室工作期间独立发现了量子点。他通过在有机溶剂中还原金属盐合成了胶体量子点，并研究了它们的电子和光学性质。他创造了“量子点”这个术语，并用一个简单的箱中粒子模型解释了它们的行为。他还探索了表面化学、形状和耦合对量子点的影响，通过深入研究量子点的表面化学性质，他为量子点的稳定性和可控性提供了关键洞察力。这些发现为量子点的应用提供了更好的设计和优化策略。

作为一位俄罗斯固体物理学家：Alexel Ekimov（阿列克谢·伊基莫夫）博士，则在量子点的光学性质方面做出了重要贡献。他1945年出生于苏联，1974年在俄罗斯圣彼得堡Ioffe物理技术研究所获博士学位，曾任美国纽约纳米晶体技术股份有限公司（Nanocrystals Technology）首席科学家。他于1981年在瓦维洛夫国家光学研究所工作期间首次观察到量子点。他发现嵌入在玻璃中的小型镉硒化物晶体呈现出离散的能级，并根据其大小发出不同颜色的光。他将它们命名为“量子尺寸效应晶体”，后来他还发现了一种新型的半导体量子点材料，具有优异的光学性能和稳定性。这项发现不仅推动了量子点技术的发展，还为高效能源转换和高分辨率显示器等领域的创新提供了新的可能性。

这三位科学家的突破性工作为量子点技术的发展铺平了道路，将其从实验室推向实际应用。

量子点跟钙钛矿结合，有望替代硅晶太阳能

量子点的特性，使其在很多领域有广泛的用途。量子点在光伏领域的应用，主要是调节光带吸收、光电转换以及载流子运输，从而提高光伏电池的效率。在当前的TOPCON电池以及钙钛矿电池都有应用，现在算是光伏一种常用技术手段。

太阳能的主要挑战之一是传统太阳能电池的转化效率有限。这是由材料性质决定，太阳发出从紫外线到红外线等不同颜色的光，但晶硅太阳能电池只能吸收太阳光谱中的一小部分，导致其最大理论转化效率约为 33%。这又被称为 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。现在量子点有可能克服这一限制，并显著提高太阳能转换效率。

量子点的独特性质，源于它们的小尺寸和量子限制效应。这种效应导致在量子点中，电子的能级变得离散，而不是像块状材料中那样连续。因此，量子点可以被设计成具有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，从而有可能将其效率大大提高到Shockley-Queisser 极限以上。

量子点的巨电导，可变化的带隙，可变化的光谱吸收性等特性，使得量子点太阳能电池可大大提高光电转化率，与目前的多晶硅太阳能电池相比，生产能耗可减少20%，光电效率可增加50%至1倍以上，并降低昂贵的材料费用。

比如量子点增强TOPCon电池，该电池是在量子点增强硅基底上制备的TOPCon电池，可以提高电池的光电转换效率和量子效率。量子点增强TOPCon电池的效率可达到26.7%以上。

再比如，量子点跟钙钛矿相结合，有望替代传统硅晶太阳能。

钙钛矿是一种具有独特晶体结构的材料，使其能够高效吸收光、并将其转化为电能。通过将钙钛矿材料与量子点相结合，研究人员已经能够制造出比单独使用量子点效率更高的太阳能电池。

这些混合钙钛矿-量子点太阳能电池，有可能在未来的若干年内，通过更高的效率、更低的成本，实现对传统晶硅太阳能电池的替代，并彻底改变太阳能行业。

除了具有提高太阳能电池转化效率的巨大潜力外，量子点还能够为太阳能收集提供其它方面的优势。比如，它们的小尺寸和可调特性，使它们非常适合用于灵活轻便的太阳能电池板。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、到建筑一体化光伏的广泛应用之中。

此外，量子点在生产方面，可以使用低成本和可扩展的基于溶液的方法进行合成，从而使其成为可供大规模生产太阳能电池的有吸引力的选择。

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