استخدام كربيد السيليكون في صناعة الطاقة الكهروضوئية

مع تزايد الطلب العالمي على الطاقة، فإن الطاقة الأحفورية، وخاصة النفط والفحم والغاز الطبيعي، سوف تنفد في نهاية المطاف. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة الأحفورية سوف تتسبب أيضًا في تلوث بيئي خطير أثناء الاستخدام. ومن أجل حل المشاكل المذكورة أعلاه، جذبت الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والطاقة الكهرومائية والطاقة النووية انتباه الناس.

الطريقة الرئيسية لاستخدام الطاقة الشمسية هي توليد الطاقة الكهروضوئية. وبالمقارنة مع تقنيات توليد الطاقة الأخرى، فإن توليد الطاقة الكهروضوئية يتمتع بمزايا كونها صديقة للبيئة وصديقة للبيئة، ولديها موارد طاقة شمسية كافية، وأنها آمنة وموثوقة في عملية توليد الطاقة، وسهلة التركيب ونقل معدات توليد الطاقة. ومن المتوقع أن يكون للترويج الواسع النطاق لتوليد الطاقة الكهروضوئية تأثير إيجابي على حوكمة أزمات الطاقة والبيئة.

وفقًا لمبدأ توليد الطاقة الكهروضوئية، عندما يشرق ضوء الشمس على المكونات الكهروضوئية (مثل الألواح الشمسية)، تتفاعل الفوتونات مع الإلكترونات في المواد الكهروضوئية، مما يتسبب في هروب الإلكترونات من المواد وتكوين تيار ضوئي، وهو تيار مستمر. نظرًا لأن معظم المعدات الكهربائية تعمل بالتيار المتردد، فلا يمكن استخدام التيار المستمر الناتج عن مجموعة الخلايا الكهروضوئية بشكل مباشر، ومن الضروري تحويل التيار المستمر إلى تيار متناوب لتحقيق توليد الطاقة المتصلة بالشبكة الكهروضوئية.

الجهاز الرئيسي لتحقيق الغرض المذكور أعلاه هو العاكس، لذا فإن العاكس المتصل بالشبكة الكهروضوئية هو جوهر تكنولوجيا توليد الطاقة الكهروضوئية، وكفاءة عمل العاكس تحدد إلى حد كبير كفاءة استخدام الطاقة الشمسية.

أجهزة الطاقة هي المكونات الأساسية للعاكسات المتصلة بالشبكة الكهروضوئية. في الوقت الحاضر، تعتمد أجهزة أشباه الموصلات المختلفة المستخدمة في الصناعة الكهربائية في الغالب على مواد السيليكون (Si) وقد تطورت بشكل ناضج تمامًا. السيليكون هو مادة أشباه الموصلات التي تستخدم على نطاق واسع في مختلف الأنابيب الإلكترونية والدوائر المتكاملة. مع تنوع استخدام أجهزة أشباه الموصلات للطاقة بشكل متزايد، فإن استخدام أجهزة السيليكون مقيد في بعض التطبيقات ذات متطلبات الأداء العالي وبيئات العمل القاسية. وهذا يتطلب من الناس تطوير أجهزة أشباه الموصلات ذات الأداء الأفضل. نتيجة لذلك، ظهرت أجهزة أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق العريض مثل كربيد السيليكون (SiC).

بالمقارنة مع الأجهزة القائمة على السيليكون، تظهر أجهزة كربيد السيليكون سلسلة من الخصائص الممتازة الرائعة:

(1) قوة المجال الكهربائي العالي للانهيار: تبلغ قوة المجال الكهربائي للانهيار لـ SiC حوالي 10 أضعاف تلك الموجودة في Si، مما يجعل أجهزة SiC تتمتع بجهد حجب أعلى ويمكنها العمل في ظل ظروف مجال كهربائي أعلى، مما يساعد على تحسين كثافة الطاقة.

(2) فجوة النطاق العريض: يتمتع SiC بتركيز حامل داخلي أقل في درجة حرارة الغرفة، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة التشغيل في حالة التشغيل.

(3) سرعة انجراف تشبع عالية: يتمتع SiC بسرعة انجراف تشبع الإلكترون أعلى، مما يساعده على الوصول إلى حالة مستقرة بشكل أسرع أثناء عملية التبديل ويقلل من فقدان الطاقة أثناء عملية التبديل.

(4) الموصلية الحرارية العالية: يتمتع SiC بموصلية حرارية أعلى، مما سيحسن بشكل كبير كثافة الطاقة، ويبسط تصميم نظام تبديد الحرارة بشكل أكبر، ويطيل عمر الجهاز بشكل فعال.

باختصار، توفر أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون خصائص الاسترداد العكسي المنخفضة والتبديل السريع المطلوبة لتحقيق “كفاءة تحويل عالية” و”استهلاك منخفض للطاقة” للمحولات الكهروضوئية، وهو أمر بالغ الأهمية لتحسين كثافة الطاقة للمحولات الكهروضوئية وتقليل التكلفة لكل كيلووات في الساعة بشكل أكبر.