当半导体纳米颗粒的尺寸小到一定范围，同一材料的带隙随着颗粒的尺寸变化，相应的吸收和发光颜色也发生变化；这类材料被称为量子点。胶态量子点因其合成简单、成本低廉、尺寸及发光颜色精确可调、发光效率高等优点，在光电器件领域有广阔的应用前景。
目前，基于光致发光量子点薄膜的“量子点电视”已经进入了市场；基于电致发光的量子点发光二极管显示技术也正在走向成熟和商业化。然而，在经历了过去十几年的广泛研究之后，量子点在两大重要领域-激光器和太阳能转换中的应用离实用化尚且存在距离。
有鉴于此，中国科学院大连化学物理所光电材料动力学研究组（11T6）吴凯丰研究员（第一作者）与洛斯阿拉莫斯国家实验室Victor Klimov（通讯作者）团队合作，在胶态量子点发光器件及机理领域中取得一系列重要进展。
在量子点激光器应用中，通过对量子点进行电荷掺杂，首次观测到了“零阈值光增益”这一奇异的现象，为超低阈值量子点激光器的实现提供了可能（
Nature Nanotechnology
2017, DOI:10.1038/nnano.2017.189
）。
在量子点太阳能聚光板应用中，通过采用特殊设计的杂质掺杂量子点有效抑制了量子点的发光自吸收问题，并模拟叠层太阳能电池的原理设计了叠层太阳能聚光板，在230 cm
2
的装置中可获得3.8%的光电转换效率（
Nature Photonics
2017, DOI:10.1038/s41566-017-0070-7）。
同时，采用电荷掺杂量子点作为模型体系，合作团队研究了量子限域材料体系内多体俄歇复合随电荷数量变化的标定律（
ACS Nano
2017, DOI:10.1021/acsnano.7b04079）。
在激光器应用领域，量子点被认为具有潜力来替代沉积法生长的量子阱材料，进而应用于各种小型激光器件，如激光扫描和激光打印等。然而，由于量子点的带边简并度，一般需要很高功率的泵浦源才能使其实现布居反转，而高功率激发出来的多激子状态会通过俄歇复合在皮秒尺度快速衰退，消除了实现激光行为所需要的光增益状态。这一点尤其使得在用连续波泵浦的情况下，量子点激光行为很难实现。
合作团队在理论上提出，采用电荷掺杂的办法可以从根本上打破带边简并度的难题；当电荷掺杂的数量足以完全阻挡带边吸收的时候，极其微弱的激发即可以实现布居反转，从而实现“零阈值光增益”。
同时，合作团队在实验上采用光掺杂的方法得到了高质量的电荷掺杂量子点样品，并采用瞬态吸收技术观测到了近乎零阈值的光增益现象。这一工作为超低阈值量子点激光器的实现奠定了理论和实验基础。
图1. 基于电荷掺杂量子点的零阈值光增益现象
Wu K, Park Y S, Lim J, et al. Towardszero-threshold optical gain using charged semiconductor quantum dots. Nature nanotechnology, 2017, 12(12): 1140.
在太阳能转换领域，量子点最初被认为是极具前景的第三代太阳能电池材料。然而，以量子点作为组成单元构筑出来的量子点活性层在电荷分离和传输方面存在很多至今尚未解决的难题。
考虑到量子点的发光性能已经被优化至近乎完美，近几年国际上开始关注采用太阳能聚光板这样一种装置将量子点的发光性能应用于太阳能转换领域。
在这一装置中，量子点吸收太阳光之后发出的荧光光子在聚光板和空气界面处发生全反射，进入到波导模式被输送至板的边缘，用于激发贴在板边缘处的太阳能电池。
如果对荧光波导的效率足够高，则一块聚光板加上边缘处少量的太阳能电池在功能上几乎等同于一块大面积的太阳能电池，这将可能显著降低太阳能转换的成本；同时，半透明的聚光板还可以直接集成在建筑物的玻璃窗户中，为实现“零能耗”的新型建筑物提供了可能。
研究团队针对目前量子点太阳能聚光板中荧光自吸收损失严重和吸光范围有限这两大难题，采用杂质掺杂量子点来有效抑制自吸收损失，并且设计出叠层聚光板装置以拓展吸光范围。优化后的大面积（230 cm
2
）叠层聚光板在与商品化电池结合使用时，表现出3.8%的光电转换效率。这一成果有望将量子点聚光板研究推进到接近实用化的水平。
图2. 基于杂质掺杂量子点的叠层太阳能聚光板
Wu K, Li H, Klimov V I. Tandemluminescent solar concentrators based on engineered quantum dots. Nature Photonics, DOI: 10.1038/s41566-017-0070-7
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