Ứng dụng của Silicon Carbide trong ngành công nghiệp quang điện
Với nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, năng lượng hóa thạch, chủ yếu là dầu mỏ, than đá và khí đốt tự nhiên, cuối cùng sẽ cạn kiệt. Ngoài ra, năng lượng hóa thạch cũng sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trong quá trình sử dụng. Để giải quyết các vấn đề trên, năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện và năng lượng hạt nhân đã thu hút sự chú ý của mọi người.
Cách chính để sử dụng năng lượng mặt trời là sản xuất điện quang điện. So với các công nghệ sản xuất điện khác, sản xuất điện quang điện có ưu điểm là xanh và thân thiện với môi trường, có đủ nguồn năng lượng mặt trời, an toàn và đáng tin cậy trong quá trình sản xuất điện, dễ lắp đặt và vận chuyển thiết bị sản xuất điện. Có thể thấy trước rằng việc thúc đẩy sản xuất điện quang điện trên diện rộng sẽ có tác động tích cực đến việc quản lý các cuộc khủng hoảng năng lượng và môi trường.
Theo nguyên lý sản xuất điện quang điện, khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các thành phần quang điện (như tấm pin mặt trời), các photon sẽ tương tác với các electron trong vật liệu quang điện, khiến các electron thoát ra khỏi vật liệu và tạo thành dòng điện quang, đây là dòng điện một chiều. Vì hầu hết các thiết bị điện đều được cấp nguồn bằng AC nên dòng điện một chiều do mảng quang điện tạo ra không thể sử dụng trực tiếp và cần phải chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều để đạt được mục đích phát điện lưới quang điện.
Thiết bị chính để đạt được mục đích trên là bộ biến tần, do đó bộ biến tần lưới quang điện là cốt lõi của công nghệ phát điện quang điện và hiệu suất làm việc của bộ biến tần phần lớn quyết định hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.
Thiết bị điện là thành phần cốt lõi của bộ biến tần lưới quang điện. Ngày nay, nhiều thiết bị bán dẫn được sử dụng trong ngành điện chủ yếu dựa trên vật liệu silicon (Si) và đã phát triển khá hoàn thiện. Si là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại ống điện tử và mạch tích hợp. Khi việc sử dụng các thiết bị bán dẫn điện ngày càng đa dạng, việc sử dụng các thiết bị silicon bị hạn chế trong một số ứng dụng có yêu cầu hiệu suất cao và môi trường làm việc khắc nghiệt. Điều này đòi hỏi mọi người phải phát triển các thiết bị bán dẫn có hiệu suất tốt hơn. Do đó, các thiết bị bán dẫn có khoảng cách băng thông rộng như silicon carbide (SiC) đã ra đời.
So với các thiết bị dựa trên silicon, các thiết bị silicon carbide thể hiện một loạt các đặc tính tuyệt vời đáng chú ý:
(1) Cường độ điện trường đánh thủng cao: Cường độ điện trường đánh thủng của SiC gấp khoảng 10 lần so với Si, giúp các thiết bị SiC có điện áp chặn cao hơn và có thể hoạt động trong điều kiện điện trường cao hơn, giúp cải thiện mật độ công suất.
(2) Khoảng cách băng thông rộng: SiC có nồng độ hạt mang nội tại thấp hơn ở nhiệt độ phòng, điều này sẽ dẫn đến điện trở bật thấp hơn ở trạng thái bật.
(3) Tốc độ trôi bão hòa cao: SiC có tốc độ trôi bão hòa electron cao hơn, giúp nó đạt trạng thái ổn định nhanh hơn trong quá trình chuyển mạch và giảm tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển mạch.
(4) Độ dẫn nhiệt cao: SiC có độ dẫn nhiệt cao hơn, điều này sẽ cải thiện đáng kể mật độ công suất, đơn giản hóa hơn nữa thiết kế hệ thống tản nhiệt và kéo dài hiệu quả tuổi thọ của thiết bị.
Nói tóm lại, các thiết bị điện silicon carbide cung cấp khả năng phục hồi ngược thấp và đặc tính chuyển mạch nhanh cần thiết để đạt được “hiệu suất chuyển đổi cao” và “mức tiêu thụ năng lượng thấp” của bộ biến tần quang điện, điều này rất quan trọng để cải thiện mật độ công suất của bộ biến tần quang điện và giảm thêm chi phí cho mỗi kilowatt-giờ.