文|趕碳號(hào)
本屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)在正式頒布前，獲獎(jiǎng)人員名單本應(yīng)嚴(yán)格保密，卻出現(xiàn)了泄密事件：在諾貝爾委員會(huì)宣布結(jié)果以前，他們的名字就被內(nèi)部人士提前泄露給了瑞典的媒體。這在諾貝爾委員會(huì)一度引發(fā)了混亂和恐慌，不過幸好沒有搞錯(cuò)。Moungi Bawendi、Louis Brus 和 Alexei Ekimov，這三位科學(xué)家因發(fā)現(xiàn)和制造量子點(diǎn)而獲獎(jiǎng)，并將共同分享大約100萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。
究竟是誰(shuí)泄密的，諾貝爾委員會(huì)仍在調(diào)查，不過，人們更熱衷于討論該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景——比如在太陽(yáng)能領(lǐng)域。其實(shí)，有一家光伏企業(yè)已經(jīng)秘密布局。這家企業(yè)，就是趕碳號(hào)最近重點(diǎn)介紹過的——美國(guó)第一太陽(yáng)能（First Solar）。
越來(lái)越多的可再生能源技術(shù)正在被應(yīng)用于解決氣候危機(jī)與能源轉(zhuǎn)型，但毫無(wú)疑問，太陽(yáng)能電池是迄今為止最廣泛商業(yè)化的技術(shù)，沒有之一。
今年6月19日，趕碳號(hào)以較大篇幅介紹了量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池技術(shù)——《量子點(diǎn)，將成為繼鈣鈦礦之后的太陽(yáng)能革命性技術(shù)？轉(zhuǎn)化效率已超40%！》。今天，我們?cè)噲D從產(chǎn)業(yè)發(fā)展與商業(yè)應(yīng)用的角度，做一些開放式討論。
01、第三代光伏技術(shù)，絕非海市蜃樓
太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展至今，主要有三代：
（1）第一代
第一代以單晶硅、多晶硅為代表的硅基太陽(yáng)能電池，目前該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟且應(yīng)用最為廣泛。但存在單晶硅太陽(yáng)能電池對(duì)原料要求過高，以及多晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝過于復(fù)雜等問題。硅基太陽(yáng)能至少在未來(lái)五年都是主流。
（2）第二代
第二代以薄膜太陽(yáng)能電池為代表，以 CdTe、GaAs 及 CIGS 為代表的的太陽(yáng)能電池成為研究熱點(diǎn)。該技術(shù)與晶硅電池相比，所需材料較少且容易大面積生產(chǎn)，成本方面優(yōu)勢(shì)較明顯。但轉(zhuǎn)化效率低是其當(dāng)前的致命缺陷。
（3）第三代
第三代基于高效、綠色環(huán)保和先進(jìn)納米技術(shù)的新型薄膜太陽(yáng)能電池，如染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSCs）、 鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）和量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池（QDSCs）等。
這樣，我們就大致可以了解量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池技術(shù)所處的位置?？瓷先チ孔狱c(diǎn)離我們仿佛很遠(yuǎn)。但這種想法也有可能只是一個(gè)錯(cuò)覺，因?yàn)槲覀冋幱诳萍即蟊ǖ那耙?。不同領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)不再像過去那樣，在自己的領(lǐng)域里相對(duì)孤立地發(fā)展，它們之間的相互作用與影響已經(jīng)越來(lái)越大。
比如，谷歌的AI科學(xué)家利用AlphaFold在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面取得歷史性的跨越。比如，去年底美國(guó)的可控核聚變才剛剛點(diǎn)火成功，ChatGPT的創(chuàng)始人山姆·奧特曼將其商業(yè)化，宣布在2028年之前會(huì)讓微軟率先用上由可控核聚變所發(fā)的商業(yè)電力。不是說(shuō)好至少要等到2050年嗎？
目前，在第三代電池技術(shù)中，量子點(diǎn)電池的轉(zhuǎn)換效率比鈣鈦礦低不少。但科技在進(jìn)步，這些都不是問題。一切都比我們想象得要快，如果需要，量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池能輕而易舉地突破硅基太陽(yáng)能的33%轉(zhuǎn)換效率天花板。這個(gè)33%又被稱為 Shockley-Queisser極限，一直是提高太陽(yáng)能電池性能的長(zhǎng)期障礙。
2022年12月，基于人工智能的咨詢報(bào)告平臺(tái)——ReportLinker發(fā)布《全球量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池行業(yè)》報(bào)告。
報(bào)告預(yù)測(cè)，到2030年全球量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)將達(dá)到76 億美元。其中，美國(guó)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池市場(chǎng)在2022年將達(dá)到3.578億美元。中國(guó)作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，預(yù)計(jì)到2030年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到13 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為24.6%。其他值得注意的區(qū)域市場(chǎng)還包括日本和加拿大，預(yù)計(jì)在2022 年至2030年期間分別增長(zhǎng)22% 和21.8%。在歐洲，德國(guó)的年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)約為 17.9%。
02、第一太陽(yáng)能，已秘密布局
在美國(guó)新墨西哥州，有一家名字叫Ubiquitous Quantum Dots（簡(jiǎn)稱UbiQD ，直譯為：無(wú)處不在的量子點(diǎn)）的公司，從2014上就在研究量子點(diǎn)太陽(yáng)能技術(shù)，迄今已近10年。
今年8月，UbiQD 與全球最大的薄膜太陽(yáng)能電池制造商——美國(guó)第一太陽(yáng)能（First Solar Inc.）簽署了一項(xiàng)新的“聯(lián)合開發(fā)協(xié)議”。該協(xié)議可能很快讓這家規(guī)模尚小的初創(chuàng)公司，成為量子點(diǎn)技術(shù)的大規(guī)模供應(yīng)商。
值得我們光伏人關(guān)注的是，第一太陽(yáng)能對(duì)這項(xiàng)合作的具體內(nèi)容非常謹(jǐn)慎，并沒有就此公開討論其戰(zhàn)略、計(jì)劃和意圖，并且還在該項(xiàng)協(xié)議中對(duì)UbiQD 可以透露的內(nèi)容進(jìn)行了嚴(yán)格限制。事實(shí)上，在 8 月 15 日的公告中，該公司僅表示對(duì) UbiQD 技術(shù)的“潛在用途”感興趣。
而實(shí)際上，自2022年初以來(lái)，第一太陽(yáng)能就和UbiQD 一直在秘密合作，以證明UbiQD的技術(shù)不僅可以提高第一太陽(yáng)能電池板的效率，而且可以相當(dāng)輕松地集成到該公司的制造基地中。
在晶硅電池的絕對(duì)主流中，美國(guó)第一太陽(yáng)能是一個(gè)另類存在。第一太陽(yáng)能主要是在玻璃或塑料板上涂上一層薄薄的碲化鎘，來(lái)制造太陽(yáng)能電池和組件。該工藝其實(shí)比制造晶硅電池更容易，工序簡(jiǎn)單，成本也更低。但是，碲化鎘薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率一直是第一太陽(yáng)能的致命瓶頸。現(xiàn)在，F(xiàn)irst Solar正在探索使用量子點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。目前，第一太陽(yáng)能要完全將UbiQD的量子點(diǎn)薄膜集成到碲化鎘薄膜電池制造工藝之中，仍然有工作要做，但這并不需要改變以前的生產(chǎn)流程。
此前，UbiQD 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 Hunter Mcdaniel曾表露：“第一太陽(yáng)能目前使用聚合物薄膜來(lái)保護(hù)太陽(yáng)能電池并將其粘合在面板中。根據(jù)其擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，我們可能需要供應(yīng)多達(dá) 10 億平方英尺的（量子點(diǎn)）材料來(lái)滿足 First Solar的需求，我們現(xiàn)在還沒有這樣的產(chǎn)能，所以我們正在研究如何擴(kuò)產(chǎn)?！?/p>
UbiQD目前在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯擁有一座9,000 平方英尺的工廠，只有28 名員工。
UbiQD正在生產(chǎn)什么產(chǎn)品呢？先舉一個(gè)光伏之外的有趣例子。量子點(diǎn)居然可以成為欺騙植物感情的高手。
該公司目前已經(jīng)在美國(guó)和其他國(guó)家，銷售應(yīng)用量子點(diǎn)技術(shù)的溫室作物覆蓋物。這種點(diǎn)狀薄膜將陽(yáng)光轉(zhuǎn)變?yōu)榧t橙色光譜，在一年中都在模仿夏末的陽(yáng)光。這通常是一年中植物生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期，因?yàn)檫@會(huì)讓植物誤以為冬天即將來(lái)臨，因此就會(huì)生長(zhǎng)得更快。廣泛的測(cè)試和應(yīng)用表明，這個(gè)辦法居然可以將溫室植物的產(chǎn)量提高20%甚至更高。該公司現(xiàn)在正準(zhǔn)備在今年秋天為更多溫室推出完整的屋頂覆蓋產(chǎn)品。
在光伏發(fā)電方面，UbiQD已經(jīng)在窗戶上部署了量子點(diǎn)太陽(yáng)能薄膜，從而將窗戶轉(zhuǎn)變?yōu)樽园l(fā)電結(jié)構(gòu)。該技術(shù)現(xiàn)已部署在新墨西哥州和其他州的許多地方，包括南達(dá)科他州埃爾斯沃斯空軍基地的一棟建筑上。
除與第一太陽(yáng)能合作之外，去年UbiQD還與加拿大太陽(yáng)能電池板制造商——Heliene Inc. 簽署了合作伙伴關(guān)系，將其生產(chǎn)的量子點(diǎn)薄膜集成到溫室的 Heliene面板產(chǎn)品中，既能加速植物作物生長(zhǎng)，又能利用太陽(yáng)能發(fā)電，真正的農(nóng)光互補(bǔ)，一舉兩得。
03、量子點(diǎn)，華人科學(xué)家也在發(fā)力
據(jù)科技新聞網(wǎng)站SciTechDaily報(bào)道，2020年2月，美國(guó)昆士蘭大學(xué)華裔科學(xué)家王連舟團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池，可以制成柔性薄膜，即使在弱光條件下也可以發(fā)電。這意味著下一代太陽(yáng)能技術(shù)的開發(fā)向前邁進(jìn)了一大步，該技術(shù)有可能用作堅(jiān)硬表面上的柔性“皮膚”。
昆士蘭大學(xué)的研究人員通過使用被稱為“量子點(diǎn)”的微小納米粒子，創(chuàng)造了將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的世界紀(jì)錄，這種納米粒子在太陽(yáng)能電池裝置中暴露于太陽(yáng)能時(shí)在彼此之間傳遞電子并產(chǎn)生電流。
王連舟教授表示，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能技術(shù)使用剛性、昂貴的材料?！霸摯髮W(xué)開發(fā)的新型量子點(diǎn)具有靈活性和可打印性，”他說(shuō)。“這開辟了廣泛的潛在應(yīng)用，包括將其用作透明皮膚為汽車、飛機(jī)、家庭和可穿戴技術(shù)提供動(dòng)力的可能性。
“新一代量子點(diǎn)與更便宜的大規(guī)?？捎∷⒓夹g(shù)兼容，”王教授說(shuō)。“與之前的世界紀(jì)錄相比，我們實(shí)現(xiàn)的效率提高了近 25%，這一點(diǎn)非常重要。這實(shí)際上是量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池技術(shù)令人興奮的‘前景’和商業(yè)可行性之間的區(qū)別?！?/p>
2022年12月22日，據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》報(bào)道，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院袁明鑒研究員、陳軍院士帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)與加拿大多倫多大學(xué)愛德華·薩金特教授課題組合作，圍繞高性能半導(dǎo)體量子點(diǎn)固體合成中面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，發(fā)展了高性能導(dǎo)電鈣鈦礦量子點(diǎn)固體薄膜制備全新策略，實(shí)現(xiàn)了多材料、跨尺寸的鈣鈦礦三原色電致發(fā)光器件的可控構(gòu)筑。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在《自然》上。
《自然》對(duì)于該研究成果給予高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)工作為鈣鈦礦量子點(diǎn)合成及應(yīng)用提供了一種具有高度普適性及精確可控性的全新范例。更為重要的是，該策略以固體薄膜的形式實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，而這是電致器件制造所必須的組成部分。由于此前無(wú)法獲得足夠小的高質(zhì)量導(dǎo)電量子點(diǎn)固體，相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展多年來(lái)一直受到制約。這項(xiàng)研究以一種普適的方式妥善地解決了這個(gè)問題，是這一領(lǐng)域的重大突破。”
編審：偵碳