Blog

Aug 05, 2023

Entfesselte Quantenpunkte: Immer

von Dr. Xiaoxi He, Forschungsdirektor bei IDTechEx Quantenpunkte (QDs) sind Halbleiter-Nanokristalle im Bereich von 2–10 Nanometern (10–50 Atome) mit größenabstimmbaren Merkmalen. Sie weisen einen Quanteneinschluss auf

von Dr. Xiaoxi He, Forschungsdirektor bei IDTechEx

Quantenpunkte (QDs) sind Halbleiter-Nanokristalle mit einer Größe von 2–10 Nanometern (10–50 Atome) mit größenabstimmbaren Merkmalen. Aufgrund ihrer nanoskaligen Abmessungen weisen sie Quanteneinschlusseffekte auf, die zu bemerkenswerten optischen und elektrischen Eigenschaften führen. Die Quantenpunktmerkmale können je nach Partikelgröße, Material und Zusammensetzung angepasst werden. QD-Materialien wie Cd-basierte, In-basierte, PbS, Perowskite sowie neue CuInS2-, InAs- und ZnTeSe-QDs weisen unterschiedliche Bandlücken und damit Absorptions- und Emissionsspektren auf. Diese Feinabstimmungsfähigkeit hat zu einem erheblichen Anwendungspotenzial von Quantenpunkten geführt, insbesondere in Displays, Bildsensoren, Photovoltaik, Beleuchtung und verschiedenen anderen Anwendungsfällen.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 1980 haben QDs ein enormes Potenzial bei der Transformation von Display-, Bildsensor-, Photovoltaik-, Beleuchtungs- und Gewächshausfolientechnologien in kommerzielle Produkte bewiesen.

Der neue Bericht „Quantum Dot Materials and Technologies 2024-2034: Trends, Markets, Applications“ stellt die Technologie-Roadmap von IDTechEx dar und berücksichtigt, wie sich der Technologiemix in verschiedenen Anwendungen im Laufe der Zeit verändern wird.

In der Display-Technologie werden QDs häufig als farbverstärkende Komponente eingesetzt, die im Vergleich zu herkömmlichen Flüssigkristallanzeigen (LCD) einen größeren Farbraum, eine höhere Farbgenauigkeit und eine höhere Helligkeit bieten. Die einzigartige photolumineszierende Eigenschaft, bei Anregung Licht bestimmter Wellenlängen zu emittieren, ermöglicht es QDs, blaues Licht von LEDs in reines Rot und Grün umzuwandeln und so eine umfangreichere und präzisere Farbpalette zu erzielen.

In dem Bericht wird die Entwicklung von QD-Integrationsansätzen in Displays untersucht, wobei die Dominanz des Filmtyps gegenüber der veralteten Edge-Optik hervorgehoben wird. Nichtsdestotrotz gewinnen aufkommende Ansätze wie QD-Farbfilter für OLED und Mikro-LED (μLED) oder On-Chip-Typen an Dynamik, erleichtert durch Materialfortschritte und Verbesserungen der Herstellungstechnik, die letztendlich den Filmtyp übertreffen könnten. Darüber hinaus erkennt diese Analyse QDs als das ultimative Emissionsmaterial für Displays, Tracking-Effizienz und Lebensdauerverbesserungen an und befasst sich gleichzeitig mit anhaltenden Herausforderungen in Bezug auf Leistung, Lebensdauer, Abscheidung/Strukturierung und Gerätedesign.

Bleisulfid-QDs bieten den Vorteil der Abstimmbarkeit über ein umfangreiches Wellenlängenspektrum und eignen sich daher für Sensoranwendungen im nahen Infrarot (NIR) oder kurzwelligen Infrarot (SWIR). Eine interessante Möglichkeit ergibt sich, da sie mit einem Silizium-Read-Out-Integrated-Circuit (ROIC) kombiniert werden können, um einen hybriden QD-Si-NIR/SWIR-Bildsensor zu bilden. Diese innovative Integration stellt einen potenziellen Weg zur Entwicklung hochauflösender NIR/SWIR-Sensoren auf Siliziumbasis mit kleinen Pixeln dar, wodurch die Notwendigkeit einer heterogenen Hybridisierung von Indium-Gallium-Arsenid-Sensoren (InGaAs) mit Si-ROIC entfällt. Die kostengünstigen hybriden QD-basierten Bildsensoren können nicht nur auf Anwendungen abzielen, die traditionell mit InGaAs-SWIR-Bildsensoren realisiert werden, sondern auch dabei helfen, neue Anwendungen zu erreichen.

Da die erste Produktgeneration bereits auf dem Markt ist und sich auch Giganten in diesem Bereich engagieren, bleibt das Versprechen dieser Technologie groß. In diesem Bericht werden hybride QD-Si-Bildsensoren untersucht, die gleichzeitig eine hohe Auflösung, einen geringen Pixelabstand und einen Global Shutter zu potenziell geringen Kosten erreichen können. Der IDTechEx-Bericht enthält auch Technologieanalysen und Spielervorstellungen.

Bestehende kommerzielle Produkte basieren auf den photolumineszierenden Eigenschaften von QDs und haben ein bemerkenswertes Potenzial in der Beleuchtungstechnologie gezeigt. Sie können als Farbkonverter in LED-Beleuchtungssysteme integriert werden und ermöglichen so die Erzeugung von abstimmbarem und hochwertigem Weißlicht. QD-basierte LEDs können hervorragende Farbwiedergabeindizes (CRI) und Farbtemperaturen erreichen, wodurch sie für eine Vielzahl von Beleuchtungsanwendungen geeignet sind, einschließlich Innen- und Automobilbeleuchtung. Darüber hinaus reduzieren die schmalen Emissionsspektren von QDs den Bedarf an komplexer Filterung, verbessern die Energieeffizienz und reduzieren die Lichtverschmutzung.

QDs können möglicherweise in Photovoltaik (PV)-Geräte integriert werden, was zur Entstehung von Solarzellen der dritten Generation führen wird. Durch die Anpassung der Bandlücke von Quantenpunkten an bestimmte Bereiche des Sonnenspektrums können diese Zellen einen breiteren Bereich von Lichtwellenlängen effizient einfangen und den MEG-Effekt (Multiple Exciton Generation) ermöglichen, was eine verbesserte Lichtgewinnung und höhere Umwandlungseffizienzen ermöglicht. und bessere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. Sie können auch das Potenzial für flexible und transparente Photovoltaikanwendungen bieten. Der Bericht bewertete verschiedene PV-Technologien und untersuchte die kommerziellen und technischen Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt.

QDs können sowohl aufgrund ihrer photolumineszierenden als auch elektrolumineszierenden Eigenschaften einen Mehrwert für bestehende Technologien in verschiedenen Anwendungen bieten. Die Möglichkeit, die Lieferkette für verschiedene Fälle neu zu strukturieren, bringt auch neue Möglichkeiten für relevante Akteure mit sich.

Mit eingehender technologischer Forschung und Analyse zum QD-Thema bietet der IDTechEx-Bericht „Quantum Dot Materials and Technologies 2024-2034: Trends, Markets, Applications“ datengesteuerte Auswertungen und Erkenntnisse aus jahrelanger Sammlung zur QD-Themenforschung. Die Roadmap untersucht umfassend die Integration von QDs für verschiedene Anwendungen mit Ausblick. Herausforderungen wie Toxizitätsbedenken, Langzeitstabilität sowie großtechnische Herstellungstechniken und -kosten müssen angegangen werden. Forscher erforschen aktiv ungiftige und stabilere Materialien, um diese Hürden zu überwinden. Darüber hinaus dürften Fortschritte bei QD-Synthesetechniken und Herstellungsprozessen die Produktionskosten senken und eine breite Einführung in kommerziellen Anwendungen fördern.

Der IDTechEx-Bericht bietet außerdem 10-Jahres-Marktprognosen in Bezug auf Fläche (Quadratmeter), Gewicht (Tonne) und Wert sowie auf Materialebene für 11 Anwendungsbereiche, darunter LCD-TV, MiniLED-Hintergrundbeleuchtungsdisplays, QD-OLED-TVs, QD- μLED-Fernseher, On-Chip-Typ, emittierende QLED-Displays, Fotodetektoren, Beleuchtung, Agrarfilme, Forschung und andere.

Die Prognosen basieren weitgehend auf der Technologieanalyse von IDTechEx, die einen realistischen und fachmännischen Überblick darüber gibt, wann und wie verschiedene Technologien im Vergleich zu etablierten Unternehmen kommerziell rentabel werden können, sowie auf unseren detaillierten Interviews, tiefgreifenden Markteinblicken und einer genauen Trendverfolgung.

IDTechEx analysiert seit 2013 die Technologien und Märkte für Quantenpunkte. Seitdem ist das Unternehmen durch sein Interviewprogramm sowie Unternehmens- und Konferenzbesuche äußerst nah an den neuesten Forschungs- und Marktentwicklungen.

Darüber hinaus hat IDTechEx eng mit vielen seiner Kunden zusammengearbeitet, um ihnen dabei zu helfen, die Technologie- und Marktlandschaft besser zu verstehen und ihnen bei der Entwicklung ihrer Innovations- und Kommerzialisierungsstrategien zu helfen.

Bei der Analyse von Quantenpunkten bringt IDTechEx sein umfassendes Fachwissen in der Analyse fortschrittlicher elektronischer Materialien und Geräte ein. IDTechEx ist seit 20 Jahren in diesem Geschäft tätig und hat in dieser Zeit den Aufstieg und/oder Fall sowie den Erfolg und/oder die Enttäuschung vieler neuer Technologien genau beobachtet.

Dadurch verfügt er über ein einzigartig erfahrenes Auge, wenn es um die Analyse neuer elektronischer Materialtechnologien geht. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da es dazu beiträgt, eine realistische Markt- und Technologie-Roadmap zu erstellen, die das wahre Potenzial der Technologie auf der Grundlage ihrer intrinsischen Eigenschaften und des tatsächlichen Ausmaßes der technischen und kommerziellen Herausforderungen, denen sie gegenübersteht, widerspiegelt.