超硬材料網

       金剛石可能是美國電網所需的超級半導體，可以幫助電網和電動汽車更有效地管理大量電力。

       電力中斷每年給美國造成超過1500億美元的損失，電網也面臨著基礎設施老化和日益嚴重的天氣事件等挑戰。美國的目標是到2050年實現碳中和，因此增加電網容量和整合更多可再生能源至關重要。金剛石半導體可以大大提高人工智能數據中心、電動汽車以及小型消費電子產品的能源效率。因此，美國政府加大投入，以開發基于金剛石的新型電力電子技術。

       去年11月，美國能源部宣布向15個項目資助4200萬美元，旨在開發下一代半導體技術，以提高電網可靠性、彈性和靈活性。其中部分包括：開發金剛石半導體晶體管，用于電網控制基礎設施，以適應更多分布式發電和波動性負荷；開發超寬帶隙光觸發器件，可滿足固態變壓器快速保護的需求；利用先進的超寬帶隙材料開發光電導半導體開關器件，以改善對電網的控制；開發超寬帶隙開關器件，其電壓和速度超過當前最先進技術，從而為電網提供更復雜的控制方法；開發光觸發金剛石半導體開關器件，以實現電網保護技術的變革性突破等。

美國能源部資助的15個項目（部分），圖源：ARPA-E

       此外，伊利諾伊大學也獲得能源部數百萬美元的資助，用于開發光觸發金剛石半導體開關設備、打造高功率金剛石光電設備等項目。

       為什么是金剛石？

       首先，實驗室培育鉆石可以在數周時間內制造出來（甚至在今年4月的研究中，科學家在常壓下，15分鐘內就制造出了金剛石——戳此回顧：在標準大氣壓下生長金剛石）。相較天然鉆石，便宜且可持續的特點使其成為一種可行且重要的半導體替代品。

培育鉆石，圖源：網絡

       與硅等傳統半導體材料相比，金剛石具有許多優勢。它是一種超寬帶隙材料，具有非常高的擊穿強度、更好的載流子遷移率和高熱導率；可以實現更快的開關和更高的額定功率的設備和電源模塊技術，從而改變電源管理；可以在更高的電壓和電流下工作，保持散熱的同時不導致電氣性能下降。

       2023年8月，伊利諾伊大學香檳分校的研究人員開發出一種金剛石半導體器件。該器件具有最高擊穿電壓和最低漏電流，凸顯了金剛石半導體在電網及其他高壓應用領域的潛力。隨著世界向可再生能源轉型，這種器件將使更高效的技術成為可能。

       此外，科研人員還在重點研究摻雜技術和制造工藝，使其更加實用且更具成本效益，并努力開發將金剛石與其他寬帶隙材料相結合的混合設備，以充分利用每種材料的優勢。

       重新構想50年前的技術：金剛石光電導半導體開關

       1970年，具有革命性意義的光電導半導體開關（PCSS）被發明出來。在此基礎上，伊利諾伊大學的研究人員更新了設計和材料——除了使用金剛石作為關鍵組件材料外，還改變了設備本身的結構，加入了一個埋藏的金屬導電通道，可實現更高的電流。通過新的光觸發和電流傳導方式，解決了受傳統光電導開關技術限制的影響。他們的目標是制造一種設備，該設備可以成為高溫、高效和可靠的電力電子設備的關鍵組件。

圖源：網絡

       創新：光控半導體晶體管

       科研人員目前正在開發一種光控半導體晶體管，使未來的電網控制系統能夠適應更高的電壓和電流。

       該項目將開發和優化金剛石光控結型場效應晶體管技術，將改善未來電網架構的控制、彈性和效率，這些架構需要更高電壓和更高電流的設備以更高的速度運行。該設備在以前的光控晶體管版本上進行了創新，例如使用光來調制而不是控制電導率。

       與目前最先進的解決方案相比，金剛石光控結型場效應晶體管技術有望提供10倍更好的性能。

       在電網中的潛在應用

       美國電網目前正在進行轉型。在整合可再生能源，如太陽能和風能時需要高效可靠的電力轉換和配電系統，以此管理可再生能源的多變性。金剛石半導體可以通過使電力設備能夠以更高的效率處理更高的電壓和電流，從而在這一轉型中發揮至關重要的作用。

圖源：網絡

       例如，基于金剛石的電力設備可以提高逆變器的性能，逆變器將太陽能電池板和風力渦輪機的直流電轉換為家庭和企業使用的交流電。金剛石的高導熱性使這些設備能夠在更高的溫度下運行而不會退化，對于保持電力轉換系統的效率和可靠性至關重要。

       此外，金剛石半導體可以提高固態變壓器的性能，這種變壓器比傳統變壓器更緊湊、更高效。固態變壓器對于將可再生能源整合到電網并更有效地管理電力流至關重要。通過使用金剛石半導體，固態變壓器可以在更高的頻率和電壓下運行，從而實現更高效的能量傳輸并減少能量損失。

       盡管在生產成本和制造技術方面仍存在重大挑戰，但持續的研究和開發工作正在為更廣泛地采用金剛石半導體鋪平道路。隨著這些技術的成熟，金剛石可能在未來的半導體技術中發揮關鍵作用，推動能源效率、可靠性和性能的進步。