การประยุกต์ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ในอุตสาหกรรมโฟโตวอลตาอิค

ด้วยความต้องการพลังงานทั่วโลกที่เพิ่มขึ้น พลังงานฟอสซิล โดยเฉพาะน้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ จะหมดลงในที่สุด นอกจากนี้ พลังงานฟอสซิลยังก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างร้ายแรงระหว่างการใช้งาน เพื่อแก้ปัญหาข้างต้น พลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานน้ำ และพลังงานนิวเคลียร์ ได้ดึงดูดความสนใจของผู้คน

วิธีหลักในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์คือการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าอื่นๆ การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์มีข้อดีคือเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์เพียงพอ ปลอดภัยและเชื่อถือได้ในกระบวนการผลิตไฟฟ้า และติดตั้งและขนส่งอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าได้ง่าย คาดการณ์ได้ว่าการส่งเสริมการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ในวงกว้างจะมีผลดีต่อการกำกับดูแลวิกฤตพลังงานและสิ่งแวดล้อม

ตามหลักการของการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ เมื่อแสงแดดส่องลงบนส่วนประกอบของพลังงานแสงอาทิตย์ (เช่น แผงโซลาร์เซลล์) โฟตอนจะโต้ตอบกับอิเล็กตรอนในวัสดุของพลังงานแสงอาทิตย์ ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวัสดุและเกิดกระแสไฟฟ้าซึ่งเป็นไฟฟ้ากระแสตรง เนื่องจากอุปกรณ์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้พลังงานจากไฟฟ้ากระแสสลับ จึงไม่สามารถใช้กระแสตรงที่สร้างโดยแผงโซลาร์เซลล์ได้โดยตรง และจำเป็นต้องแปลงกระแสตรงเป็นกระแสสลับเพื่อผลิตไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ที่เชื่อมต่อกับกริด

อุปกรณ์สำคัญในการบรรลุวัตถุประสงค์ดังกล่าวคืออินเวอร์เตอร์ ดังนั้นอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับกริดโซลาร์เซลล์จึงเป็นแกนหลักของเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ และประสิทธิภาพการทำงานของอินเวอร์เตอร์จะกำหนดประสิทธิภาพการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เป็นส่วนใหญ่

อุปกรณ์ไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบหลักของอินเวอร์เตอร์ที่เชื่อมต่อกับกริดโซลาร์เซลล์ ปัจจุบัน อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ที่ใช้ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าส่วนใหญ่ทำจากวัสดุซิลิกอน (Si) และได้รับการพัฒนามาค่อนข้างสมบูรณ์ ซิลิกอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลอดอิเล็กทรอนิกส์และวงจรรวมต่างๆ เนื่องจากการใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้ามีความหลากหลายมากขึ้น การใช้อุปกรณ์ซิลิกอนจึงถูกจำกัดในบางแอปพลิเคชันที่มีความต้องการประสิทธิภาพสูงและสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรง ซึ่งต้องใช้ผู้คนในการพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น ด้วยเหตุนี้ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีแบนด์แก็ปกว้าง เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) จึงถือกำเนิดขึ้น

เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนแล้ว อุปกรณ์ซิลิกอนคาร์ไบด์จะแสดงให้เห็นคุณสมบัติที่โดดเด่นหลายประการ:

(1) ความเข้มของสนามไฟฟ้าพังทลายสูง: ความเข้มของสนามไฟฟ้าพังทลายของ SiC นั้นสูงกว่า Si ประมาณ 10 เท่า ซึ่งทำให้อุปกรณ์ SiC มีแรงดันไฟฟ้าในการบล็อกที่สูงขึ้น และสามารถทำงานภายใต้สภาวะสนามไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน

(2) แบนด์แก็ปกว้าง: SiC มีความเข้มข้นของตัวพาภายในที่ต่ำกว่าที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งจะนำไปสู่ความต้านทานการเปิดที่ต่ำกว่าในสถานะเปิด

(3) ความเร็วดริฟท์ความอิ่มตัวสูง: SiC มีความเร็วดริฟท์ความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยให้เข้าถึงสถานะคงที่ได้เร็วขึ้นในระหว่างกระบวนการสลับ และลดการสูญเสียพลังงานในระหว่างกระบวนการสลับ

(4) การนำความร้อนสูง: SiC มีค่าการนำความร้อนสูงกว่า ซึ่งจะปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้การออกแบบระบบระบายความร้อนง่ายขึ้น และยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
โดยสรุป อุปกรณ์พลังงานซิลิกอนคาร์ไบด์ให้การกู้คืนย้อนกลับต่ำที่จำเป็นและคุณลักษณะการสลับอย่างรวดเร็วเพื่อให้บรรลุ “ประสิทธิภาพการแปลงสูง” และ “การใช้พลังงานต่ำ” ของอินเวอร์เตอร์โฟโตวอลตาอิค ซึ่งมีความสำคัญต่อการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของอินเวอร์เตอร์โฟโตวอลตาอิคและลดต้นทุนต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงต่อไปอีก