自2015年起，195個國家簽署了《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年實現(xiàn)碳中和的目標。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、交通運輸、工業(yè)制造，以及建筑物的制冷與供暖。實現(xiàn)碳中和的能源系統(tǒng)將主要依賴以下三個關(guān)鍵途徑：將可再生能源作為主要電力來源、推動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。而這些目標的實現(xiàn)，離不開電力電子學和半導體技術(shù)領(lǐng)域的根本性突破和進展。
1月22日，香港大學先進半導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電力電子研究中心（CPES）東棟教授、酈強教授、Richard Zhang教授、以及英國劍橋大學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（第三代半導體和電力電子 – 實現(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體技術(shù)入手，沿著第三代半導體材料、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，使用第三代半導體器件替代傳統(tǒng)硅基器件所能實現(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體功率器件、變換電路和電力電子學應(yīng)用的發(fā)展進展，特別聚焦于寬禁帶半導體在推動從元件到系統(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)，引入了一個簡化模型，計算了在光伏、電動汽車、數(shù)據(jù)中心和熱泵這四個關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域中，使用寬禁帶器件所能實現(xiàn)的年度碳排放減排量。此外，基于國際主流功率半導體廠商公布的碳排放數(shù)據(jù)，文章估算了寬禁帶半導體制造相較于硅半導體制造所涉及的額外碳排放量。研究結(jié)果表明，第三代半導體在應(yīng)用端實現(xiàn)的碳減排量遠遠超過其生產(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會。
圖1. 第三代半導體、功率器件、轉(zhuǎn)換電路和電力電子應(yīng)用對實現(xiàn)碳中和的重要作用。
圖5. 第三代半導體以及電力電子在發(fā)電、電動汽車、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體和電力電子的發(fā)展提供了全新的視角，為量化其在實現(xiàn)碳中和目標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，具有重要的指導意義和實踐價值。
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doi: https://doi.org/10.1038/s44287-024-00135-5
