超硬材料网

       金刚石可能是美国电网所需的超级半导体，可以帮助电网和电动汽车更有效地管理大量电力。

       电力中断每年给美国造成超过1500亿美元的损失，电网也面临着基础设施老化和日益严重的天气事件等挑战。美国的目标是到2050年实现碳中和，因此增加电网容量和整合更多可再生能源至关重要。金刚石半导体可以大大提高人工智能数据中心、电动汽车以及小型消费电子产品的能源效率。因此，美国政府加大投入，以开发基于金刚石的新型电力电子技术。

       去年11月，美国能源部宣布向15个项目资助4200万美元，旨在开发下一代半导体技术，以提高电网可靠性、弹性和灵活性。其中部分包括：开发金刚石半导体晶体管，用于电网控制基础设施，以适应更多分布式发电和波动性负荷；开发超宽带隙光触发器件，可满足固态变压器快速保护的需求；利用先进的超宽带隙材料开发光电导半导体开关器件，以改善对电网的控制；开发超宽带隙开关器件，其电压和速度超过当前最先进技术，从而为电网提供更复杂的控制方法；开发光触发金刚石半导体开关器件，以实现电网保护技术的变革性突破等。

美国能源部资助的15个项目（部分），图源：ARPA-E

       此外，伊利诺伊大学也获得能源部数百万美元的资助，用于开发光触发金刚石半导体开关设备、打造高功率金刚石光电设备等项目。

       为什么是金刚石？

       首先，实验室培育钻石可以在数周时间内制造出来（甚至在今年4月的研究中，科学家在常压下，15分钟内就制造出了金刚石——戳此回顾：在标准大气压下生长金刚石）。相较天然钻石，便宜且可持续的特点使其成为一种可行且重要的半导体替代品。

培育钻石，图源：网络

       与硅等传统半导体材料相比，金刚石具有许多优势。它是一种超宽带隙材料，具有非常高的击穿强度、更好的载流子迁移率和高热导率；可以实现更快的开关和更高的额定功率的设备和电源模块技术，从而改变电源管理；可以在更高的电压和电流下工作，保持散热的同时不导致电气性能下降。

       2023年8月，伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发出一种金刚石半导体器件。该器件具有最高击穿电压和最低漏电流，凸显了金刚石半导体在电网及其他高压应用领域的潜力。随着世界向可再生能源转型，这种器件将使更高效的技术成为可能。

       此外，科研人员还在重点研究掺杂技术和制造工艺，使其更加实用且更具成本效益，并努力开发将金刚石与其他宽带隙材料相结合的混合设备，以充分利用每种材料的优势。

       重新构想50年前的技术：金刚石光电导半导体开关

       1970年，具有革命性意义的光电导半导体开关（PCSS）被发明出来。在此基础上，伊利诺伊大学的研究人员更新了设计和材料——除了使用金刚石作为关键组件材料外，还改变了设备本身的结构，加入了一个埋藏的金属导电通道，可实现更高的电流。通过新的光触发和电流传导方式，解决了受传统光电导开关技术限制的影响。他们的目标是制造一种设备，该设备可以成为高温、高效和可靠的电力电子设备的关键组件。

图源：网络

       创新：光控半导体晶体管

       科研人员目前正在开发一种光控半导体晶体管，使未来的电网控制系统能够适应更高的电压和电流。

       该项目将开发和优化金刚石光控结型场效应晶体管技术，将改善未来电网架构的控制、弹性和效率，这些架构需要更高电压和更高电流的设备以更高的速度运行。该设备在以前的光控晶体管版本上进行了创新，例如使用光来调制而不是控制电导率。

       与目前最先进的解决方案相比，金刚石光控结型场效应晶体管技术有望提供10倍更好的性能。

       在电网中的潜在应用

       美国电网目前正在进行转型。在整合可再生能源，如太阳能和风能时需要高效可靠的电力转换和配电系统，以此管理可再生能源的多变性。金刚石半导体可以通过使电力设备能够以更高的效率处理更高的电压和电流，从而在这一转型中发挥至关重要的作用。

图源：网络

       例如，基于金刚石的电力设备可以提高逆变器的性能，逆变器将太阳能电池板和风力涡轮机的直流电转换为家庭和企业使用的交流电。金刚石的高导热性使这些设备能够在更高的温度下运行而不会退化，对于保持电力转换系统的效率和可靠性至关重要。

       此外，金刚石半导体可以提高固态变压器的性能，这种变压器比传统变压器更紧凑、更高效。固态变压器对于将可再生能源整合到电网并更有效地管理电力流至关重要。通过使用金刚石半导体，固态变压器可以在更高的频率和电压下运行，从而实现更高效的能量传输并减少能量损失。

       尽管在生产成本和制造技术方面仍存在重大挑战，但持续的研究和开发工作正在为更广泛地采用金刚石半导体铺平道路。随着这些技术的成熟，金刚石可能在未来的半导体技术中发挥关键作用，推动能源效率、可靠性和性能的进步。