自2015年起，195個(gè)國家簽署了《巴黎協(xié)定》，共同致力于減少溫室氣體排放，并設(shè)定了到2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。目前，能源使用約占全球溫室氣體排放總量的75%，主要涉及四大領(lǐng)域：發(fā)電、交通運(yùn)輸、工業(yè)制造，以及建筑物的制冷與供暖。實(shí)現(xiàn)碳中和的能源系統(tǒng)將主要依賴以下三個(gè)關(guān)鍵途徑：將可再生能源作為主要電力來源、推動(dòng)交通與建筑能源使用的電氣化、以及提升電力轉(zhuǎn)換的效率與功率密度。而這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開電力電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域的根本性突破和進(jìn)展。
1月22日，香港大學(xué)先進(jìn)半導(dǎo)體和集成電路中心張宇昊教授和汪涵教授、美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子研究中心（CPES）東棟教授、酈強(qiáng)教授、Richard Zhang教授、以及英國劍橋大學(xué)Florin Udrea教授（其中張宇昊教授與東棟教授為共同一作）共同在Nature Reviews Electrical Engineering發(fā)表題為“Wide-bandgap semiconductors and power electronics as pathways to carbon neutrality（第三代半導(dǎo)體和電力電子 – 實(shí)現(xiàn)碳中和的必經(jīng)之路）”的綜述文章。不同于傳統(tǒng)聚焦于電力應(yīng)用減少碳排放的視角，這篇文章從底層半導(dǎo)體技術(shù)入手，沿著第三代半導(dǎo)體材料、功率器件、變換電路以及電力電子應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈，深入探討它們在助力碳中和轉(zhuǎn)型中的巨大潛力。此外，文章首次定量評估了在光伏、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和熱泵這四大關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域，使用第三代半導(dǎo)體器件替代傳統(tǒng)硅基器件所能實(shí)現(xiàn)的年度碳排放減排效果。
這篇綜述首先梳理了第三代半導(dǎo)體功率器件、變換電路和電力電子學(xué)應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)展，特別聚焦于寬禁帶半導(dǎo)體在推動(dòng)從元件到系統(tǒng)性能提升中的關(guān)鍵作用。隨后，文章從電氣化和電力轉(zhuǎn)換效率的角度出發(fā)，引入了一個(gè)簡化模型，計(jì)算了在光伏、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和熱泵這四個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域中，使用寬禁帶器件所能實(shí)現(xiàn)的年度碳排放減排量。此外，基于國際主流功率半導(dǎo)體廠商公布的碳排放數(shù)據(jù)，文章估算了寬禁帶半導(dǎo)體制造相較于硅半導(dǎo)體制造所涉及的額外碳排放量。研究結(jié)果表明，第三代半導(dǎo)體在應(yīng)用端實(shí)現(xiàn)的碳減排量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其生產(chǎn)過程中可能產(chǎn)生的額外碳排放量。最后，文章探討了該領(lǐng)域的主要知識空白與未來研究的潛在機(jī)會(huì)。
圖1. 第三代半導(dǎo)體、功率器件、轉(zhuǎn)換電路和電力電子應(yīng)用對實(shí)現(xiàn)碳中和的重要作用。
圖5. 第三代半導(dǎo)體以及電力電子在發(fā)電、電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和建筑物的制冷與供暖等應(yīng)用中的年度碳排放減排效果（美國），以及主流功率半導(dǎo)體公司近年來的碳排放總量以及收入歸一化后的碳排放數(shù)據(jù)。
這篇文章為第三代半導(dǎo)體和電力電子的發(fā)展提供了全新的視角，為量化其在實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中的重要作用提供了初步理論基礎(chǔ)。這不僅為政策制定提供了科學(xué)依據(jù)，也為產(chǎn)業(yè)布局和科研方向的規(guī)劃提供了有力支持，具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。
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doi: https://doi.org/10.1038/s44287-024-00135-5
