應(yīng)用前景闡揚(yáng)光大，好“色”時(shí)代的量子點(diǎn)技術(shù)

據(jù)預(yù)測，到2034年，全球量子點(diǎn)材料市場將達(dá)到5.5億美元，與2022年相比，復(fù)合年增長率為其價(jià)值的12.3%。

全球量子點(diǎn)材料市場趨勢預(yù)測

IDTechEx《量子點(diǎn)材料與技術(shù)2024-2034:趨勢、市場、應(yīng)用》最新報(bào)告提供了該技術(shù)的路線圖，以及隨著時(shí)間的推移將改變的各種應(yīng)用的技術(shù)組合。量子點(diǎn)是否預(yù)示著照明應(yīng)用的未來？

什么是量子點(diǎn)？

量子點(diǎn)（QD）是具有尺寸可調(diào)特征的2-10nm（10-50個(gè)原子）的半導(dǎo)體納米晶體。由于其納米尺度，它具有量子限制效應(yīng)，可以產(chǎn)生顯著的光學(xué)和電學(xué)特性。

QDEF（量子點(diǎn)膜）制造工藝

量子點(diǎn)的特性可以通過顆粒大小、材料和成分進(jìn)行調(diào)整。量子點(diǎn)材料包括：Cd（鎘）基、In（銦）基、PbS（硫化鉛）、Perovskite（鈣鈦礦），以及新興的CuInS2（硫銦銅）、InAs（砷化銦）、ZnTeSe（硒鎘汞）。它們具有不同的帶隙，因此具有不同的吸收和發(fā)射光譜的能力。

量子點(diǎn)操作模式

自1980年首次發(fā)現(xiàn)以來，其微調(diào)能力使量子點(diǎn)在商業(yè)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化方面不斷顯示出巨大的潛力，具體應(yīng)用包括顯示器（LCD、miniLED背光顯示、QD-OLED電視、QD-microLED電視、發(fā)光QLED顯示器）、光電探測器、圖像傳感器、光伏（PV）、照明和農(nóng)業(yè)薄膜、科研等。

顯示器的成功應(yīng)用

在顯示技術(shù)中，量子點(diǎn)已被廣泛用作色彩增強(qiáng)組件。與傳統(tǒng)液晶顯示器（LCD）相比，量子點(diǎn)可提供更寬的色域、更高的色彩精度和更高的亮度。激發(fā)發(fā)射特定波長光的獨(dú)特光致發(fā)光特性，使量子點(diǎn)能夠?qū)ED發(fā)出的藍(lán)光轉(zhuǎn)換為純紅色和綠色，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛和精確的調(diào)色板。

對顯示器中量子點(diǎn)集成方法演變進(jìn)行的研究表明，薄膜類型的采用相對于過時(shí)的邊緣光學(xué)器件具有主導(dǎo)地位。在材料進(jìn)步和制造技術(shù)改進(jìn)的推動(dòng)下，用于OLED和micro-LED（μLED）或片上型量子點(diǎn)濾色器等新興方法正在獲得發(fā)展勢頭，最終可能超過薄膜型方法。

此外，量子點(diǎn)也是顯示器、跟蹤效率和壽命改進(jìn)的終極發(fā)光材料。當(dāng)然，它在性能、壽命、沉積/圖案化和器件設(shè)計(jì)方面還存在一些挑戰(zhàn)。

采用量子點(diǎn)的電致發(fā)光顯示器

點(diǎn)亮照明的未來

基于量子點(diǎn)的光致發(fā)光特性，其現(xiàn)有商業(yè)產(chǎn)品在照明技術(shù)中具有明顯的潛力。它可以作為顏色轉(zhuǎn)換器集成到LED照明系統(tǒng)中，從而產(chǎn)生可調(diào)諧的高質(zhì)量白光?；诹孔狱c(diǎn)的LED可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的顯色指數(shù)（CRI）和色溫，使其適用于各種照明應(yīng)用，包括室內(nèi)和汽車照明。此外，量子點(diǎn)的窄發(fā)射光譜減少了復(fù)雜濾光的需求，有助于提高能源效率并減少光污染。

光伏中的量子點(diǎn)

從光伏技術(shù)分類看，基于晶圓的（第一代光伏）在半導(dǎo)體晶圓上制造，采用晶體硅和III-V族PV（例如化鎵），或多晶硅、單晶硅（占主導(dǎo)地位）。基于薄膜技術(shù)的第二代光伏，吸收光的效率是硅的10-100倍，可以使用幾微米的薄膜；新興的第三代光伏具有克服Shockley-Quisser（肖克利奎伊瑟極限）極限的潛力或基于新型半導(dǎo)體。

光伏技術(shù)分類

量子點(diǎn)可以集成到光伏設(shè)備中，從而實(shí)現(xiàn)第三代太陽能電池。通過設(shè)計(jì)量子點(diǎn)的帶隙以匹配太陽光譜的特定區(qū)域，使光伏電池有效捕獲更寬范圍的光波長，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多激子生成（MEG）效應(yīng)，從而改善光采集，提高轉(zhuǎn)換效率和弱光條件下的更高性能，還可以為柔性透明的光伏應(yīng)用提供潛力。

量子點(diǎn)PV效率記錄，圖源：NREL太陽能光伏效率圖

新興圖像傳感器中的量子點(diǎn)

PbS量子點(diǎn)具有在寬波長范圍內(nèi)可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，適用于近紅外（NIR）或短波紅外（SWIR）傳感應(yīng)用。一個(gè)有趣的可能性是，它可以與硅讀出集成電路（ROIC）結(jié)合，形成QD-Si NIR/SWIR混合圖像傳感器。這種創(chuàng)新集成為實(shí)現(xiàn)高分辨率小像素硅基NIR/SWIR傳感器提供了一條可能的途徑，消除了InGaAs（砷化銦鎵）傳感器與硅ROIC異質(zhì)雜化（heterogeneous hybridization）的必要?；诹孔狱c(diǎn)的低成本混合圖像傳感器不僅可以用于傳統(tǒng)上由InGaAs SWIR圖像傳感器實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，還有助于實(shí)現(xiàn)其他新的應(yīng)用。

QD-Si混合圖像傳感器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率、低像素間距和全局快門，并具有低成本潛在能力。隨著第一代產(chǎn)品的面市，一些行業(yè)巨頭也涉足了這一領(lǐng)域，使這項(xiàng)技術(shù)的前景非常樂觀。

量子點(diǎn)材料的選擇

值得一提的是，晶格常數(shù)對于量子點(diǎn)材料至關(guān)重要，因?yàn)榫Ц袷鋾?dǎo)致應(yīng)變和缺陷，從而促進(jìn)非輻射復(fù)合。

常見量子點(diǎn)材料的帶隙和晶格常數(shù)

與熒光體的FWHM（半峰全寬）相比，量子點(diǎn)的優(yōu)勢在于可以提供FWHM通常低于40nm的窄帶發(fā)射。Cd基量子點(diǎn)可以在商業(yè)上實(shí)現(xiàn)30-35nm（實(shí)驗(yàn)室規(guī)模低于20nm），而綠色鈣鈦礦（CsPbBr3）的量子點(diǎn)不到20nm。

不過，綠色熒光體（β-sialon:Eu2+）的最窄FWHM仍然寬達(dá)55nm。目前唯一能產(chǎn)生窄FWHM的熒光體是GE的KSF:Mn+4系統(tǒng)，它在紅色區(qū)域可產(chǎn)生五個(gè)2nm寬的峰。然而，KSF（含四價(jià)錳離子的氟硅酸鉀）有5個(gè)發(fā)射峰，平均峰值波長中心在約625nm，這并不夠深，還存在長PL（光致發(fā)光）衰減的問題。

從寬帶黃色到窄帶綠色和紅色的各種熒光體

QD-OLED顯示器的優(yōu)勢

對比傳統(tǒng)的LCD與QD-OLED，前者的優(yōu)點(diǎn)包括：價(jià)格實(shí)惠、更成熟；供應(yīng)鏈完善，市場上有很多參與者可供選擇。其缺點(diǎn)主要是會給斜角觀看帶來問題。

QD-OLED的優(yōu)點(diǎn)在于：能夠呈現(xiàn)完美的黑色；色域更寬，色彩更鮮艷；高動(dòng)態(tài)范圍成像（HDR），高亮度。由于量子點(diǎn)在所有方向上都能均勻發(fā)光，可最大限度地減少不同角度的圖像質(zhì)量變化。例如，與傳統(tǒng)LCD相比，在距正面60°處，亮度比小于40%，而量子點(diǎn)顯示器超過70%。另外，由于LCD矩陣和濾色器的組合減少了LED背光產(chǎn)生的光，QD-OLED也更節(jié)能，QDCC（量子點(diǎn)色彩轉(zhuǎn)換片）在顏色轉(zhuǎn)換方面效率也更高。

與WOLED（白色有機(jī)電致發(fā)光二極管）相比，兩者的共同點(diǎn)是：更寬的色域、HDR、完美的黑色、良好的光圈比；均基于玻璃基板和氧化物TFT背板；均使用藍(lán)色OLED光源；都可以制成透明和/或可滾動(dòng)形式；OLED圖案化均基于開放式金屬掩模，而QD-OLED本質(zhì)上是OLED的演變。兩者的差異在于：WOLED為底部發(fā)射，QD-OLED是頂部發(fā)射。另外，WOLED是CF（彩色濾光片）陣列，QD-OLED的CF是通過光刻或噴墨打印制成。

總體上看，雖然QD-OLED技術(shù)還不太成熟，但其顏色純度很高；由于沒有濾光片，可以實(shí)現(xiàn)更高的亮度；但QD-OLED的尺寸和分辨率選擇較少。從市場看，LG是WOLED顯示器的領(lǐng)導(dǎo)者，QD-OLED顯示器市場由三星主導(dǎo)。在價(jià)格方面，目前QD-OLED更貴，但可能變得便宜。

量子點(diǎn)身兼二職：改變和擴(kuò)展

利用其光致發(fā)光和電致發(fā)光特性，量子點(diǎn)可以為各種應(yīng)用中的現(xiàn)有技術(shù)提供附加值；針對不同案例重組供應(yīng)鏈的潛力也為相關(guān)參與者帶來了新的機(jī)會。

隨著對量子點(diǎn)的深入技術(shù)研究和分析，與各種應(yīng)用的集成路線圖還必須解決毒性、長期穩(wěn)定性以及大規(guī)模制造技術(shù)和成本等挑戰(zhàn)。時(shí)下，研究人員正在積極探索無毒、更穩(wěn)定的材料來克服這些障礙。此外，量子點(diǎn)合成技術(shù)和制造工藝的進(jìn)步可能會降低生產(chǎn)成本，并促進(jìn)商業(yè)應(yīng)用的廣泛采用。