詳細的量子點技術分析

量子點概念

量子點（Quantum Dot，QD）是半徑小于或接近于激子波爾半徑的半導體納米晶體，由有限數目的原子組成，是一種大部由Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族元素組成的準零維納米材料，其三個維度的尺寸都在1~10nm。

量子點獨特的性質基于它自身的量子效應，當顆粒尺寸進入納米量級時，尺寸限域將引起尺寸效應、量子限域效應、宏觀量子隧道效應和表面效應，從而派生出納米體系具有常觀體系和微觀體系不同的低維物性，展現出許多不同于宏觀體材料的物理化學性質。

報告提供的內容

本報告提供詳細的量子點技術分析，考慮了各種量子點成分，如鎘（Cd）基、銦（In）基以及新興的有機和無機鈣鈦礦、PbS、CuInS2、InGaN、量子棒等。此外，報告還提供了量子點與現有磷光體技術的詳細基準測試。我們的分析基于數據驅動，反映了最新的商業(yè)和學術成果。對于每種材料，我們酌情評估其性能、主要挑戰(zhàn)、生產工藝及改進方向/策略。

量子點背光結構示意圖：（a）“芯片封裝型（On-chip）”結構，量子點發(fā)光材料封裝在藍光LED貼片上；（b）“側管封裝型（On-edge）”結構，量子點與基質形成的復合材料置于藍光LED與導光板的側邊；（c）“光學膜集成型（On-surface）”結構，量子點與基質形成的量子點光學膜置于導光板的正上方

本報告提供的技術路線圖還考慮了各種應用中的技術組合將如何隨著時間的推移而變化。在顯示應用方面，考慮了各種量子點集成方法的興衰。它表明在“側管封裝型（On-edge）”過時之后，“光學膜集成型（On-surface）”逐漸占據了主流地位。但是，未來通過材料改進實現的新方法（如彩色濾光片或“芯片封裝型（On-chip）”）將最終取代光學膜集成型。此外，報告還將量子點視為顯示器的最終發(fā)光材料，并追蹤效率和壽命改進的趨勢，同時探索性能、壽命、沉積/圖案化、器件設計方面的挑戰(zhàn)。

在照明應用方面，我們的技術路線圖考慮了如何以及何時將量子點用于LED燈、下變頻器，以及普通照明和專業(yè)小眾應用。在傳感器應用方面，我們探索了混合QD-Si可見光圖像傳感器如何同時實現高分辨率和全局快門，同時也展示了QD-Si紅外圖像傳感器如何克服當前分辨率問題。在光伏應用方面，我們給出了全球量子點光伏技術的最新進展情況，也闡述了尚未克服的商業(yè)和技術挑戰(zhàn)。

至關重要的是，我們的技術分析考慮了實現每種應用必須滿足的要求，并概述了實現目標的當前進展和未來戰(zhàn)略。在報告中，我們也考慮了穩(wěn)定性（空氣、熱、光）、自吸收、藍色吸光度、效率、窄帶發(fā)射（FWHM）等參數。

本報告提供未來十年的市場預測，價值鏈中三十七家廠商的詳細情況和SWOT分析，以及十二種技術應用分析。此外，根據我們和專家交流的觀點，給出各種技術何時以及如何進行商業(yè)化，深入洞察量子點產業(yè)和分析發(fā)展趨勢。

量子點的變化與增長

量子點不再是一項年輕的技術。自從2001~2005年期間，開創(chuàng)性的公司成立以來，他們的商業(yè)化進程并不新鮮。量子點也不是商業(yè)化“新手”，因為其已經在LCD顯示器中用作遠程熒光粉多年。然后，人們可能會認為量子點現在是一項停滯不前的技術，其商業(yè)前景緩慢且沒什么變化。但是，這種假設是非常錯誤的。本報告旨在闡明：量子點現在已經進入增長期，而且關鍵的是，技術的快速變化。

2018~2028年量子點市場預測（按照應用領域劃分）

量子點的顯示應用：過去與現在

據麥姆斯咨詢介紹，量子點在研究領域的首次成功即來源于顯示行業(yè)。量子點電視的誕生引發(fā)了行業(yè)內的色彩科技革命，打破了量子點技術走向顯示應用的世界難題。量子點電視使用色彩最純凈的量子點背光技術，革命性的實現了全色域顯示，能夠最真實地還原圖像色彩。在全球范圍內，韓國三星引領量子點顯示技術發(fā)展，在產業(yè)鏈上一體化布局、核心工藝掌握方面優(yōu)勢顯著，隨著中國電視廠商（TCL、海信等）技術的成熟和加大推廣以及國內上游供應商崛起和量子點膜成本下降，產業(yè)迎來爆發(fā)式增長。

（a）“原位制備技術”制備的大面積鈣鈦礦量子點光學膜；（b）基于鈣鈦礦量子點光學膜的背光源和顯示器樣機在CIE色度圖中的色域三角形；（c）集成有鈣鈦礦量子點光學膜的顯示器樣機與蘋果筆記本顯示器的顯示效果對比

在量子點的發(fā)展歷史長河中，以CdSe為代表的Ⅱ-Ⅵ族量子點研究的最早，技術也最為成熟，是目前顯示背光技術中使用最多的材料。然而，限制這類材料發(fā)展的最主要因素還是Cd元素的存在，目前已經有多個國家明確宣布限制含Cd電子產品的使用，2016年1月，中國頒布的《電器電子產品有害物質限制使用管理辦法》中，Cd的含量要求低于100ppm，因此尋求非鎘材料體系成為發(fā)展的必然趨勢。

無鎘/含鎘量子點在顯示應用方面的銷售占比

在顯示應用方面具有重要應用前景的幾類量子點材料

基于量子點光學膜的背光技術大多應用在55英寸以上的高端液晶顯示器中，到目前為止沒有關于采用量子點背光技術的手機或者平板顯示器等小尺寸顯示器出現，主要原因還是歸結于OLED顯示技術的飛速發(fā)展，在小尺寸屏幕中，OLED顯示技術日漸成熟，雖然從色域這一參數上看OLED沒有量子點背光技術有優(yōu)勢，但是OLED顯示技術相比于基于液晶顯示器的量子點背光技術要更加輕薄與節(jié)能，完全符合小尺寸顯示器件的設計要求和發(fā)展趨勢。

因此，基于量子點背光技術的顯示器要想真正得到普及和推廣應用，需要降低功耗和成本。目前量子點光學膜的高成本與量子點材料的用量大以及制備工藝繁瑣緊密相關，因此，量子點背光技術應用的關鍵還要歸結到量子點發(fā)光材料上，可以從提升量子點發(fā)光材料的穩(wěn)定性出發(fā)，開發(fā)能夠滿足“芯片封裝型（On-chip）”結構應用的量子點材料。

量子點的其它應用

量子點的應用不局限于顯示，還有豐富多彩的其它應用，例如照明、傳感器、光伏等。

照明是一種極具吸引力的應用，尤其是因為照明是LED的最大應用。量子點材料將取代熒光粉應用到LED照明產品中。量子點技術采用“芯片封裝型（On-chip）”結構的趨勢愈發(fā)顯著，Lumileds（亮銳）和Pacific Light Technology公司展示了首款基于量子點的商業(yè)級、高顯色指數（CRI）中功率LED。不過，量子點技術在降低鎘含量方面還有很多工作要做，以滿足國際法規(guī)對重金屬含量的管控要求。滿足要求的技術或將在2019年成熟，但LED制造商是否愿意采用含有鎘的下變頻器解決方案，將取決于這些基于量子點的LED與傳統(tǒng)熒光粉相比的性能差距。

傳感器也是一種很有前景的量子點應用，本報告將量子點在傳感器方面的應用分為兩大類：（1）可見光圖像傳感器；（2）紅外/近紅外圖像傳感器。量子點和可見光成像技術的融合（將量子點沉積在成像讀出電路的硅基CMOS芯片上），可以實現具有全局快門、高分辨率（小像素）、高靈敏度的圖像傳感器。因為量子點層的高靈敏度（如果適當融合）及其分離光敏和處理電路的能力，是有可能實現這種混合QD-Si傳感器的。量子點技術也可以制備寬光譜范圍圖像傳感器，比如將吸收光譜調整為對近紅外/紅外敏感。量子點紅外圖像傳感器由于具有低暗電流、高光電導增益、高吸收率、高探測率和工作溫度更高等優(yōu)越特性，近年來已引起了越來越多研究者的關注。

光伏是另一項有趣的量子點應用。量子點作為光伏器件的優(yōu)勢就在于其在紅外區(qū)具有較高的吸收效率，這與以硅為代表的傳統(tǒng)器件和有機半導體器件是不同的。光伏器件需要具有高的載流子遷移率，而量子點器件恰好滿足要求。另外，基于PbS量子點的光伏器件可以直接在空氣氛圍中制備，在不用封裝的情況下，其器件在空氣氛圍放置半年，效率幾乎沒有變化，表現出優(yōu)異的穩(wěn)定性。新型光伏技術（如鈣鈦礦）也進入了以中國和硅光伏技術為主導的激烈競爭格局中。