國外先進半導體在新能源領域的應用

江洪 王予典

半導體材料是對導電性介于電介質和導體材料導電性能之間的材料概括[1]。由于半導體材料的性能優勢及產業帶動作用，其發展異常迅猛，至今已更迭至第3代。第1代半導體材料誕生于20世紀50年代，主要是指以硅（Si）、鍺（Ge）元素為代表的半導體材料，是一切邏輯器件的基礎，主要用于各類分立器件，并且在極為普遍應用的集成電路、電子信息網絡工程、電子產品、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、硅光伏產業中都得到了極為廣泛的應用。第2代半導體材料實用于20世紀80年代，主要是指化合物半導體材料、三元化合物半導體、部分固溶體半導體、玻璃半導體（又稱“非晶態半導體”）、有機半導體等。第2代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。同時還被廣泛應用于衛星通訊、移動通訊、光通信和全球定位系統（GPS）導航等領域[2]。所謂第3代半導體材料主要指碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶半導體材料，與硅基半導體相比，具備高頻、高效、高功率、耐高壓、耐高溫、抗輻射能力強等優越性能，且提升空間較大。第3代半導體材料禁帶寬度明顯高于前2代，被廣泛應用于高溫、高功率、高壓、高頻等大功率領域。其中新能源汽車是SiC最重要的下游應用領域[3]。

為擺脫對傳統化石燃料的依賴、減少環境污染，世界各國政府都開始大力發展可再生能源產業。對半導體材料的研究探索和開發為新能源的轉化提供了重要支撐。目前，半導體材料在新能源領域的應用主要集中在太陽能分解水制氫、光伏發電、風力發電系統、電動汽車和混合動力汽車領域。

1 半導體材料在太陽能制氫領域的應用

在當前能源與環境問題日益突出的大背景下，氫能以其完全清潔燃燒的優勢在新能源開發中占據著重要地位。因此，將太陽能轉化為可儲存和運輸的氫能，是實現“液態陽光”能源計劃最為理想的方法之一。目前，利用太陽能分解水制氫的途徑主要有光催化、光電催化以及光伏—光電耦合等途徑。

1.1 太陽能光催化分解水制氫

利用太陽能光催化分解水制氫是發展能源供應、解決人類能源問題的重要途徑之一，可以為未來的可持續社會提供清潔能源系統。半導體光催化劑可以通過減少氧化（氧化）反應促進太陽能轉換，在光催化水分解過程中實現吸收和轉化太陽能的同步進行。

其中，超薄二維（2D）半導體介導的光催化劑具有優異的物理、化學、機械和光學性能，在光催化領域受到極大關注。迄今為止，通過各種化學和/或物理方法已合成了大量二維納米片，主要分為層狀和非層狀結構材料2類。代表性的層狀材料是石墨晶體、氮化物（如g—C3N4、h—BN、GaN、Ca2N）、黑磷（BP）、Xenes、過渡金屬二硫屬化物（TMDs）、過渡金屬氧化物等[4]。

BP和二硫化鉬（MoS2）等二維材料因其優異的電荷載流子分離能力和易于組裝到器件材料中而被廣泛研究用于光催化水分解反應，BP基材料提供了有趣的特性，如高空穴遷移率、可調帶隙和強光吸收，這使它們在水分解反應中的應用在最近幾年建立起來。BP的高載流子遷移率和各向異性有助于分離光生載流子，可調諧的直接帶隙可以增強其對太陽光譜的廣泛吸收，并且BP 具有環境友好和低毒的優良特性，在設計大型光催化水分解裝置方面的廣泛實際應用是可行的[5]。值得一提的是，盡管到目前為止已經積累了許多關于二維半導體光催化劑的理解，但成本效率低、降解、電荷轉移動力學以及回收利用仍然是實現二維半導體基光催化廣泛應用的一大挑戰。

此外，Garcia—Esparza等人[6]還通過使用DFT來對實驗可用的氮氧化鉭鑭（LaTaON2）和氮氧化鈦鑭（LaTiO2N）氮氧化物進行合成，其得到的未知 氮氧化鉭釔（YTaON2）和氧化鈦釔（YTiO2）是間接帶隙分別為2.7eV和2.9eV的半導體，并提出了它們是將太陽能有效吸收和轉化為存儲燃料的最有潛力的候選者。

1.2 太陽能光電化學分解水制氫

太陽能輔助光電化學（PEC）水分解產生氫能被認為是清潔、綠色和可再生能源最有前途的解決方案。典型的光電化學分解太陽池由光陽極和陰極構成，許多半導體材料如p型、n型、氮化物、碳點和單原子已成功開發為PEC器件的光電陰極和光電陽極。光陽極通常為光半導體材料，受光激發可以產生電子空穴對，光陽極和對極（陰極）組成光電化學池，在電解質存在下光陽極吸光后在半導體帶上產生的電子通過外電路流向陰極，水中的氫離子從陰極上接受電子產生氫氣。為了大規模生產氫氣和氧氣，需要高活性、堅固且具有成本效益的PEC電極。然而，大多數可用的半導體作為 PEC電極，其光吸收、材料降解、電荷分離和可傳輸性較差，導致光水分解效率非常低。通常，當用合適的助催化劑修飾半導體表面時，其增加了光吸收光譜并防止了光電極反應過程中的電子—空穴復合，因此可以獲得有前途的光電極。在這方面，許多p和d區元素、單原子和基于石墨烯的PEC電極已被廣泛用作半導體/助催化劑結，以提高PEC整體水分解的性能[7]。

Digdaya等人[8]在碳化硅/二氧化鈦（SiC/TiO2）異質結光電陰極上引入了地球豐富的 Ni—Mococatalyst。這個p—i—n異質結光電陰極是通過原子層沉積（ALD）在p型/本征（p/i）上沉積n型無定形TiO2來制造的無氟摻雜氧化錫襯底上的非晶SiC（a—SiC）。在涂覆無定形TiO2層后，a—SiC 基光電陰極在PEC測量中顯示出高穩定性，可運行12h。a—SiC/TiO2/鎳（Ni）—Mo光陰極的這種增強的水分解性能表明p—n異質結結構和地球豐富的助催化劑可以有效地提高SiC光電極的光電壓和催化活性，這為形成高效偏置的多結太陽能水分解裝置系統提供了一條有效的途徑。

Jian等人[9]已經證明，通過在3C—SiC光陽極上沉積廉價且地球含量豐富的水氧化助催化劑鎳—鐵羥基氧化物（Ni：FeOOH）可以顯著提高3C—SiC光陽極的PEC性能。此外，納米結構的NiO/3C—SiC p—n異質結的形成被證明可以顯著提高PEC水氧化性能。帶有水還原助催化劑涂層的p型3C—SiC也顯示出非常有希望的PEC水還原性能。從未來的角度來看，大規模高質量3C—SiC（n型和 p型）的生長、廉價高效助催化劑的集成以及異質結光電極的形成可以成為制造高效和可持續的太陽能水分解電池的有效策略。

2 半導體材料在發電系統中的應用

結合電池儲能的光伏（PV）和風能轉換系統正在迅速發展并被用于清潔能源技術。

2.1 光伏發電系統

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術，主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器3大部分組成，主要部件由電子元器件構成。

Fluieraru等人[10]通過FESEM—FIB奧里加工作站進行光伏太陽能電池的晶體測量，對P+PNN 單晶硅晶片進行了細致的研究，確定了單晶硅P+PNN 制成的太陽能光伏電池的技術特征。

Caponet等人[11]展示了在用于光伏（PV）應用的單相1kW直流到交流轉換器中優越的寬帶隙（WBG）功率半導體性能的實驗演示。選擇3種不同的功率半導體超級結（SJ） MOSFET、SiC MOSFET和氮化鎵（GaN）HEMT來構建3個相同的轉換器原型，評估和比較它們在功率損耗、效率和所需的功率半導體數量方面的性能。所提出的電源轉換器使用直流到直流降壓轉換器從光伏直流電源生成網絡頻率下的正弦輸出電壓波形，然后使用以網絡頻率運行的H橋轉換器。結果表明，與使用SJ MOSFET的解決方案相比，SiC MOSFET和GaNHEMT在此應用中的卓越性能以及減少所需功率半導體數量的可能性方面更具有優勢。

基于p型氧化亞銅（p—Cu2O）的太陽能電池因其材料的無毒、適用于可持續半導體材料的使用以及其具有成本效益的制造潛力，Miyata等人[12]提出在對其制備方面，在室溫（RT）下使用脈沖激光沉積（PLD）方法和磁控濺射（MSD）方法在太陽能電池制備方面各具優缺點，為提高基于Cu2O的異質太陽能電池的光伏性能，其使用由濺射裝置與新開發的多室系統制備n型氧化物半導體薄膜（AZO）。并且利用其新開發的多室濺射系統，在采用優化的預濺射條件制備的AZO/ p—Cu2O異質太陽能電池中獲得了最高效率（3.21%）。此值具有與AZO/Cu2O太陽能電池相同或更高的特性，其結構與脈沖激光沉積方法所準備的結構相似。

2.2 風能發電系統

風能發電系統中，非隔離式DC—DC雙向降壓/升壓轉換器被廣泛用于連接電池和直流鏈路/總線。寬帶隙（WBG）功率器件，尤其是GaN，表現出優異的材料特性和高操作能力，為功率轉換系統帶來巨大潛力。Alharbi等人[13]對使用新型共源共柵GaNFET器件對轉換器開關性能和能效的影響進行了研究。它涉及設計基于硅和基于氮化鎵的轉換器，以比較它們在相同工作條件下的性能。通過雙脈沖測試（DPT） 檢查Si和GaN器件的開關行為和能量損失。分析2個轉換器的總功率損耗以確定它們的效率。結果表明，在雙向降壓/升壓轉換器中使用新興的共源共柵GaN FET具有相當大的好處，這在開關性能和能效方面得到了顯著改善。

Abbasi等人[14]提出了一種具有磁集成零電流開關倍壓器的全軟開關SiC模塊化升壓諧振轉換器，用于風能系統中的中壓（MV）直流轉換。與傳統的升壓諧振DC/DC轉換器采用高匝數比升壓變壓器或升壓諧振電路來實現升壓電壓轉換不同，所提出的轉換器配置利用模塊化升壓諧振電路和磁集成倍壓器來實現升壓電壓轉換功能。解決了由于高壓電氣隔離要求或高電壓增益敏感升壓諧振電路帶來的變壓器結構復雜且昂貴的不足。DC/DC升壓轉換器的每個模塊的輸出電壓通過變頻控制進行調節，而不對稱脈寬調制（APWM）控制用于平衡每個轉換器模塊中所有諧振電路模塊中的所有諧振電流。由于使用了APWM控制，每個轉換器模塊中都包含一個簡單的無源輔助電路，以在各種工作條件下擴展軟開關操作。給出了在SiC實現的模塊化300V/4.8kV、5.6kW概念驗證原型上的實驗結果。其結果證實，在滿載條件下，硬件原型中的每個模塊都獲得了至少99%的效率。轉換器原型的動態性能也被賦予以突出控制方案的有效性，以及不同負載條件下的軟開關操作。

SiC半導體由于其卓越的傳導和開關能力被認為可用于優化基于雙饋感應發電機（DFIG）的風能系統（WES）中的電力電子設備。Arrizabalaga等人[15]通過仿真研究了由于使用SiC半導體而導致的潛在效率增益和體積減小，并詳細解釋了模型。評估商業產品以計算冷卻系統（CS）和輸出過濾器體積。在不同的風速和開關頻率下，分析了SiC轉換器的性能和體積，并將其與其對應的Si轉換器進行了比較。實現了最大效率和最小CS體積的設計，以及另一個沒有效率損失的最小輸出過濾器體積的設計。執行開關頻率優化以獲得CS和輸出濾波器之間的最小組合體積，在標稱風速條件下仍然提高Si轉換器的效率。結論是SiC半導體可以提高DFIG WES中的功率轉換器效率和整體尺寸。

3 半導體材料在新能源汽車領域的應用

按照功能劃分，汽車中使用最多的半導體產品可大致分為功率半導體（IGBT和MOSFET等）、MCU、傳感器及其他等元器件。

在電動汽車（EV）動力總成中應用SiC裝置的好處在各種研究中被廣泛報道。包括平面MOSFET、溝槽MOSFET以及最近的共源共柵JFET在內的新一代SiC器件已由各個制造商發布。SiC共源共柵器件包括用于柵極驅動的低壓硅MOSFET和用于電壓阻斷的高壓耗盡模式SiC JFET。這些設備避免了導致閾值電壓漂移的SiC柵極氧化物陷阱的已知可靠性問題。Wu等人[16]使用各種SiC器件（包括650V溝槽、900V平面和650 V共源共柵JFET）的傳導和開關能量的實驗測量來模擬EV動力系統。與之前使用基于數據表參數的模型計算損耗的文章不同，這里使用對不同電流和溫度下的功率器件的靜態和動態測量來計算模擬駕駛循環中的損耗，同時還評估了場截止IGBT。3相、2級逆變器模型通過計算損失的測量溫度依賴性，并使用從數據表中提取的準確熱網絡來計算電熱。在比較了每種器件技術的轉換器效率和熱性能后，結果表明，碳化硅共源共柵JFET在電動汽車動力系統應用中具有巨大潛力。

Tsuruta等人[17]提出了新的高效能源轉換系統，用于汽車應用和可再生能源發電。它提供了部分提升開關技術，實現了電池電壓波動的極高效率斬波器。首臺采用碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管的雙活動橋轉換器原型單元通過系統測試制造和評估。實驗結果表明，在20kW的頻率下，最高驗證為8.1kW，最高為99.19%。

Ngwashi等人[18]概述了4H—SiC金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFETs）的一些最先進的定性方法。硅基器件采用許多不同的工具來研究失效機制，這些工具可用于SiC器件。與Si相比，SiC半導體為電力電子應用提供了非常有趣的電氣和熱性能，但表現出不同的故障機制。與硅基設備相比，SiC—MOSFET具有更好的能量轉換效率，在電動汽車和微電網轉換器中具有潛在的應用。SiC技術可以大大改善電能管理，因此故障機制研究將用于生產堅固和高性能的設備。

Ohta等人[19]旨在為EV提出一種新的牽引電機控制系統。由于電動汽車在行駛距離較遠的電機控制系統中必須具有更高的能效，W但電機控制系統通常配備Si—IGBT逆變器能效有限。因此，使用GaN等寬帶隙（WBG）半導體器件的新型逆變器有望成為提高能源效率的解決方案。與Si—IGBT逆變器相比，GaN逆變器在導通和開關操作中的能量損失較小，可提高開關頻率。此外，電機諧波損耗的降低將提高整個電機控制系統的能源效率。該研究目的是挑戰增加GaN逆變器的功率并實現其在緊湊型電動汽車中的實際應用。在這項研究中，GaN逆變器的開關頻率被動態改變，以驗證電機控制系統的更高能效。實驗結果表明，總能效可提高1.5%左右，總損失可降低10%左右。

4 結語

半導體材料作為新能源領域發展的基石，在節能減排、保護環境方面市場需求迫切。目前，隨著技術的進步半導體材料的潛力不斷被發掘，在新能源產業上的應用也逐步擴大、深入，但距離真正實現半導體產業化的目標還有很長的一段路要走。因此除了促進半導體材料的研發外，更要多結合市場應用需求，加強產業鏈建設，不斷開拓產品量產范圍，加快產品更新迭代。目前，半導體材料在科技支撐下其優勢顯而易見，在未來也將有足夠的展望與提升空間。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.009

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