国外先进半导体在新能源领域的应用
江洪 王予典
半导体材料是对导电性介于电介质和导体材料导电性能之间的材料概括[1]。由于半导体材料的性能优势及产业带动作用，其发展异常迅猛，至今已更迭至第3代。第1代半導体材料诞生于20世纪50年代，主要是指以硅（Si）、锗（Ge）元素为代表的半导体材料，是一切逻辑器件的基础，主要用于各类分立器件，并且在极为普遍应用的集成电路、电子信息网络工程、电子产品、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用。第2代半导体材料实用于20世纪80年代，主要是指化合物半导体材料、三元化合物半导体、部分固溶体半导体、玻璃半导体（又称“非晶态半导体”）、有机半导体等。第2代半导体材料主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。同时还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和全球定位系统（GPS）导航等领域[2]。所谓第3代半导体材料主要指碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料，与硅基半导体相比，具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，且提升空间较大。第3代半导体材料禁带宽度明显高于前2代，被广泛应用于高温、高功率、高压、高频等大功率领域。其中新能源汽车是SiC最重要的下游应用领域[3]。
为摆脱对传统化石燃料的依赖、减少环境污染，世界各国政府都开始大力发展可再生能源产业。对半导体材料的研究探索和开发为新能源的转化提供了重要支撑。目前，半导体材料在新能源领域的应用主要集中在太阳能分解水制氢、光伏发电、风力发电系统、电动汽车和混合动力汽车领域。
1 半导体材料在太阳能制氢领域的应用
在当前能源与环境问题日益突出的大背景下，氢能以其完全清洁燃烧的优势在新能源开发中占据着重要地位。因此，将太阳能转化为可储存和运输的氢能，是实现“液态阳光”能源计划最为理想的方法之一。目前，利用太阳能分解水制氢的途径主要有光催化、光电催化以及光伏—光电耦合等途径。
1.1 太阳能光催化分解水制氢
利用太阳能光催化分解水制氢是发展能源供应、解决人类能源问题的重要途径之一，可以为未来的可持续社会提供清洁能源系统。半导体光催化剂可以通过减少氧化（氧化）反应促进太阳能转换，在光催化水分解过程中实现吸收和转化太阳能的同步进行。
其中，超薄二维（2D）半导体介导的光催化剂具有优异的物理、化学、机械和光学性能，在光催化领域受到极大关注。迄今为止，通过各种化学和/或物理方法已合成了大量二维纳米片，主要分为层状和非层状结构材料2类。代表性的层状材料是石墨晶体、氮化物（如g—C3N4、h—BN、GaN、Ca2N）、黑磷（BP）、Xenes、过渡金属二硫属化物（TMDs）、过渡金属氧化物等[4]。
BP和二硫化钼（MoS2）等二维材料因其优异的电荷载流子分离能力和易于组装到器件材料中而被广泛研究用于光催化水分解反应，BP基材料提供了有趣的特性，如高空穴迁移率、可调带隙和强光吸收，这使它们在水分解反应中的应用在最近几年建立起来。BP的高载流子迁移率和各向异性有助于分离光生载流子，可调谐的直接带隙可以增强其对太阳光谱的广泛吸收，并且BP 具有环境友好和低毒的优良特性，在设计大型光催化水分解装置方面的广泛实际应用是可行的[5]。值得一提的是，尽管到目前为止已经积累了许多关于二维半导体光催化剂的理解，但成本效率低、降解、电荷转移动力学以及回收利用仍然是实现二维半导体基光催化广泛应用的一大挑战。
此外，Garcia—Esparza等人[6]还通过使用DFT来对实验可用的氮氧化钽镧（LaTaON2）和氮氧化钛镧（LaTiO2N）氮氧化物进行合成，其得到的未知 氮氧化钽钇（YTaON2）和氧化钛钇（YTiO2）是间接带隙分别为2.7eV和2.9eV的半导体，并提出了它们是将太阳能有效吸收和转化为存储燃料的最有潜力的候选者。
1.2 太阳能光电化学分解水制氢
太阳能辅助光电化学（PEC）水分解产生氢能被认为是清洁、绿色和可再生能源最有前途的解决方案。典型的光电化学分解太阳池由光阳极和阴极构成，许多半导体材料如p型、n型、氮化物、碳点和单原子已成功开发为PEC器件的光电阴极和光电阳极。光阳极通常为光半导体材料，受光激发可以产生电子空穴对，光阳极和对极（阴极）组成光电化学池，在电解质存在下光阳极吸光后在半导体带上产生的电子通过外电路流向阴极，水中的氢离子从阴极上接受电子产生氢气。为了大规模生产氢气和氧气，需要高活性、坚固且具有成本效益的PEC电极。然而，大多数可用的半导体作为 PEC电极，其光吸收、材料降解、电荷分离和可传输性较差，导致光水分解效率非常低。通常，当用合适的助催化剂修饰半导体表面时，其增加了光吸收光谱并防止了光电极反应过程中的电子—空穴复合，因此可以获得有前途的光电极。在这方面，许多p和d区元素、单原子和基于石墨烯的PEC电极已被广泛用作半导体/助催化剂结，以提高PEC整体水分解的性能[7]。
Digdaya等人[8]在碳化硅/二氧化钛（SiC/TiO2）异质结光电阴极上引入了地球丰富的 Ni—Mococatalyst。这个p—i—n异质结光电阴极是通过原子层沉积（ALD）在p型/本征（p/i）上沉积n型无定形TiO2来制造的无氟掺杂氧化锡衬底上的非晶SiC（a—SiC）。在涂覆无定形TiO2层后，a—SiC 基光电阴极在PEC测量中显示出高稳定性，可运行12h。a—SiC/TiO2/镍（Ni）—Mo光阴极的这种增强的水分解性能表明p—n异质结结构和地球丰富的助催化剂可以有效地提高SiC光电极的光电压和催化活性，这为形成高效偏置的多结太阳能水分解装置系统提供了一条有效的途径。
Jian等人[9]已经证明，通过在3C—SiC光阳极上沉积廉价且地球含量丰富的水氧化助催化剂镍—铁羟基氧化物（Ni：FeOOH）可以显着提高3C—SiC光阳极的PEC性能。此外，纳米结构的NiO/3C—SiC p—n异质结的形成被证明可以显著提高PEC水氧化性能。带有水还原助催化剂涂层的p型3C—SiC也显示出非常有希望的PEC水还原性能。从未来的角度来看，大规模高质量3C—SiC（n型和 p型）的生长、廉价高效助催化剂的集成以及异质结光电极的形成可以成为制造高效和可持续的太阳能水分解电池的有效策略。
2 半导体材料在发电系统中的应用
结合电池储能的光伏（PV）和风能转换系统正在迅速发展并被用于清洁能源技术。
2.1 光伏发电系统
光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器3大部分组成，主要部件由电子元器件构成。
Fluieraru等人[10]通过FESEM—FIB奥里加工作站进行光伏太阳能电池的晶体测量，对P+PNN 单晶硅晶片进行了细致的研究，确定了单晶硅P+PNN 制成的太阳能光伏电池的技术特征。
Caponet等人[11]展示了在用于光伏（PV）应用的单相1kW直流到交流转换器中优越的宽带隙（WBG）功率半导体性能的实验演示。选择3种不同的功率半导体超级结（SJ） MOSFET、SiC MOSFET和氮化镓（GaN）HEMT来构建3个相同的转换器原型，评估和比较它们在功率损耗、效率和所需的功率半导体数量方面的性能。所提出的电源转换器使用直流到直流降压转换器从光伏直流电源生成网络频率下的正弦輸出电压波形，然后使用以网络频率运行的H桥转换器。结果表明，与使用SJ MOSFET的解决方案相比，SiC MOSFET和GaNHEMT在此应用中的卓越性能以及减少所需功率半导体数量的可能性方面更具有优势。
基于p型氧化亚铜（p—Cu2O）的太阳能电池因其材料的无毒、适用于可持续半导体材料的使用以及其具有成本效益的制造潜力，Miyata等人[12]提出在对其制备方面，在室温（RT）下使用脉冲激光沉积（PLD）方法和磁控溅射（MSD）方法在太阳能电池制备方面各具优缺点，为提高基于Cu2O的异质太阳能电池的光伏性能，其使用由溅射装置与新开发的多室系统制备n型氧化物半导体薄膜（AZO）。并且利用其新开发的多室溅射系统，在采用优化的预溅射条件制备的AZO/ p—Cu2O异质太阳能电池中获得了最高效率（3.21%）。此值具有与AZO/Cu2O太阳能电池相同或更高的特性，其结构与脉冲激光沉积方法所准备的结构相似。
2.2 风能发电系统
风能发电系统中，非隔离式DC—DC双向降压/升压转换器被广泛用于连接电池和直流链路/总线。宽带隙（WBG）功率器件，尤其是GaN，表现出优异的材料特性和高操作能力，为功率转换系统带来巨大潜力。Alharbi等人[13]对使用新型共源共栅GaNFET器件对转换器开关性能和能效的影响进行了研究。它涉及设计基于硅和基于氮化镓的转换器，以比较它们在相同工作条件下的性能。通过双脉冲测试（DPT） 检查Si和GaN器件的开关行为和能量损失。分析2个转换器的总功率损耗以确定它们的效率。结果表明，在双向降压/升压转换器中使用新兴的共源共栅GaN FET具有相当大的好处，这在开关性能和能效方面得到了显着改善。
Abbasi等人[14]提出了一种具有磁集成零电流开关倍压器的全软开关SiC模块化升压谐振转换器，用于风能系统中的中压（MV）直流转换。与传统的升压谐振DC/DC转换器采用高匝数比升压变压器或升压谐振电路来实现升压电压转换不同，所提出的转换器配置利用模块化升压谐振电路和磁集成倍压器来实现升压电压转换功能。解决了由于高压电气隔离要求或高电压增益敏感升压谐振电路带来的变压器结构复杂且昂贵的不足。DC/DC升压转换器的每个模块的输出电压通过变频控制进行调节，而不对称脉宽调制（APWM）控制用于平衡每个转换器模块中所有谐振电路模块中的所有谐振电流。由于使用了APWM控制，每个转换器模块中都包含一个简单的无源辅助电路，以在各种工作条件下扩展软开关操作。给出了在SiC实现的模块化300V/4.8kV、5.6kW概念验证原型上的实验结果。其结果证实，在满载条件下，硬件原型中的每个模块都获得了至少99%的效率。转换器原型的动态性能也被赋予以突出控制方案的有效性，以及不同负载条件下的软开关操作。
SiC半导体由于其卓越的传导和开关能力被认为可用于优化基于双馈感应发电机（DFIG）的风能系统（WES）中的电力电子设备。Arrizabalaga等人[15]通过仿真研究了由于使用SiC半导体而导致的潜在效率增益和体积减小，并详细解释了模型。评估商业产品以计算冷却系统（CS）和输出过滤器体积。在不同的风速和开关频率下，分析了SiC转换器的性能和体积，并将其与其对应的Si转换器进行了比较。实现了最大效率和最小CS体积的设计，以及另一个没有效率损失的最小输出过滤器体积的设计。执行开关频率优化以获得CS和输出滤波器之间的最小组合体积，在标称风速条件下仍然提高Si转换器的效率。结论是SiC半导体可以提高DFIG WES中的功率转换器效率和整体尺寸。
3 半导体材料在新能源汽车领域的应用
按照功能划分，汽车中使用最多的半导体产品可大致分为功率半导体（IGBT和MOSFET等）、MCU、传感器及其他等元器件。
在电动汽车（EV）动力总成中应用SiC装置的好处在各种研究中被广泛报道。包括平面MOSFET、沟槽MOSFET以及最近的共源共栅JFET在内的新一代SiC器件已由各个制造商发布。SiC共源共栅器件包括用于栅极驱动的低压硅MOSFET和用于电压阻断的高压耗尽模式SiC JFET。这些设备避免了导致阈值电压漂移的SiC栅极氧化物陷阱的已知可靠性问题。Wu等人[16]使用各种SiC器件（包括650V沟槽、900V平面和650 V共源共栅JFET）的传导和开关能量的实验测量来模拟EV动力系统。与之前使用基于数据表参数的模型计算损耗的文章不同，这里使用对不同电流和温度下的功率器件的静态和动态测量来计算模拟驾驶循环中的损耗，同时还评估了场截止IGBT。3相、2级逆变器模型通过计算损失的测量温度依赖性，并使用从数据表中提取的准确热网络来计算电热。在比较了每种器件技术的转换器效率和热性能后，结果表明，碳化硅共源共栅JFET在电动汽车动力系统应用中具有巨大潜力。
Tsuruta等人[17]提出了新的高效能源轉换系统，用于汽车应用和可再生能源发电。它提供了部分提升开关技术，实现了电池电压波动的极高效率斩波器。首台采用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管的双活动桥转换器原型单元通过系统测试制造和评估。实验结果表明，在20kW的频率下，最高验证为8.1kW，最高为99.19%。
Ngwashi等人[18]概述了4H—SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）的一些最先进的定性方法。硅基器件采用许多不同的工具来研究失效机制，这些工具可用于SiC器件。与Si相比，SiC半导体为电力电子应用提供了非常有趣的电气和热性能，但表现出不同的故障机制。与硅基设备相比，SiC—MOSFET具有更好的能量转换效率，在电动汽车和微电网转换器中具有潜在的应用。SiC技术可以大大改善电能管理，因此故障机制研究将用于生产坚固和高性能的设备。
Ohta等人[19]旨在为EV提出一种新的牵引电机控制系统。由于电动汽车在行驶距离较远的电机控制系统中必须具有更高的能效，W但电机控制系统通常配备Si—IGBT逆变器能效有限。因此，使用GaN等宽带隙（WBG）半导体器件的新型逆变器有望成为提高能源效率的解决方案。与Si—IGBT逆变器相比，GaN逆变器在导通和开关操作中的能量损失较小，可提高开关频率。此外，电机谐波损耗的降低将提高整个电机控制系统的能源效率。该研究目的是挑战增加GaN逆变器的功率并实现其在紧凑型电动汽车中的实际应用。在这项研究中，GaN逆变器的开关频率被动态改变，以验证电机控制系统的更高能效。实验结果表明，总能效可提高1.5%左右，总损失可降低10%左右。
4 结语
半导体材料作为新能源领域发展的基石，在节能减排、保护环境方面市场需求迫切。目前，随着技术的进步半导体材料的潜力不断被发掘，在新能源产业上的应用也逐步扩大、深入，但距离真正实现半导体产业化的目标还有很长的一段路要走。因此除了促进半导体材料的研发外，更要多结合市场应用需求，加强产业链建设，不断开拓产品量产范围，加快产品更新迭代。目前，半导体材料在科技支撑下其优势显而易见，在未来也将有足够的展望与提升空间。
10.19599/j.issn.1008-892x.2021.05.009
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