Электромобили, поезда и промышленные приводы потребляют меньше электроэнергии, а солнечные модули и ветряные турбины могут вырабатывать больше — благодаря одному веществу: карбиду кремния (SiC).
Пластины карбида кремния в процессе производства. Фото: Infineon Technologies AG
Полупроводник раскрывает свой потенциал везде, где происходит преобразование постоянного и переменного тока — между фотоэлектрическими модулями и электросетью, между аккумуляторами и электродвигателями или между сетью и домашними системами хранения энергии. При этом потребляется значительное количество электроэнергии. Энергия теряется с каждым изменением. SiC снижает эти потери преобразования. В зависимости от области применения эксперты ожидают снижения потерь до 30%. Это дает экономию в несколько мегаватт-часов.

Карбид кремния может выдерживать более высокие напряжения, чем кремний. Это свойство позволяет использовать более тонкие полупроводниковые слои с меньшим сопротивлением и, соответственно, меньшими потерями мощности. А благодаря своей жесткой кристаллической структуре он может выдерживать более высокие температуры и лучше рассеивать тепло.

Кроме того, карбид кремния обеспечивает более высокие частоты переключения. Преимущества можно увидеть в инверторах. Если в 2008 году инвертор мощностью 100 киловатт для фотоэлектрической системы весил более тонны, то современные блоки мощностью 125 кВт весят значительно меньше 100 килограммов. Подобные устройства с КПД 99% присутствуют на рынке уже несколько лет.

Исследователи из Института Фраунгофера по системам солнечной энергетики (ISE) разработали компактный инвертор мощностью 250 кВт, который подает электроэнергию непосредственно в сеть среднего напряжения, а не в сеть низкого напряжения. Обычно для этого требуется большой отдельный трансформатор. Более высокое напряжение приводит к меньшим токам. Устройства особенно подходят для применения в городских условиях, где необходимо модернизировать существующие системы в ограниченном пространстве. Преобразователи SiC также могут экономить энергию в транспортных средствах. Карбид кремния обеспечивает большую дальность передвижения, более легкие батареи и более быструю зарядку.

«В нашем новом поколении компактных электромобилей мы полагаемся на 800-вольтовую электрическую систему и силовую электронику на основе SiC», — говорит представитель Mercedes-Benz.

В изоляторах электроны прочно связаны с атомами кристаллической решетки. Они могут свободно перемещаться в металлических проводниках. Полупроводники занимают промежуточное положение: под воздействием внешней энергии, например, тепла, света или электрического напряжения, связанные электроны высвобождаются. Они переходят с низкого энергетического уровня (валентной зоны) на более высокий (зону проводимости).

Это преимущество для солнечных элементов, поскольку света видимого спектра достаточно для того, чтобы поднять носители заряда из валентной зоны в зону проводимости. 

Чипы SiC пользуются таким спросом, что производители полностью загружены до следующего года и наращивают свои мощности. Помимо Infineon, к ним относятся Bosch, STMicroelectronics и американская компания Wolfspeed. Например, Bosch сообщает о годовом росте рынка примерно на 30%.

На рынке полупроводников стоимостью $600 млрд SiC занимает нишу с годовым объемом продаж около $1 млрд, но у технологии есть потенциал: ожидается, что к 2027 году доля вырастет до $6,3 млрд, прогнозирует консалтинговое агентство Yole.

Однако производство компонентов из SiC весьма сложно. Хотя SiC встречается в природе в виде карборунда, он слишком загрязнен. Поэтому кристаллы необходимо выращивать, как и в случае с кремнием. В то время как кристаллы кремния вырастают до длины одного метра за два дня при температуре около 1500 градусов, карбиду кремния требуется до двух недель при температуре 2400 градусов для получения необработанного кристалла длиной не более десяти сантиметров. 

Исследователи уже работают над новым материалом: нитридом галлия (GaN). Пластины GaN проще и дешевле в производстве. 

«Потенциал нитрида галлия даже больше, чем у карбида кремния», — говорится в исследовании ISE.