有机半导体有望为太阳能应用带来革命性变化

有机半导体有望为太阳能应用带来革命性变化 太阳能在向清洁能源未来过渡的过程中发挥着至关重要的作用。通常，日常电子产品中常见的半导体硅被用来收集太阳能。然而，硅太阳能电池板有其局限性成本高昂，而且难以安装在曲面上。新研究部分解释了一类新型有机半导体非富勒烯受体（NFAs）的优异性能。研究人员已经开发出用于太阳能收集的替代材料，以解决这些缺陷。其中最有前途的是被称为"有机"半导体的碳基半导体，这种半导体在地球上资源丰富，成本较低，而且对环境友好。堪萨斯大学物理和天文学副教授Wai-Lun Chan说："它们有可能降低太阳能电池板的生产成本，因为这些材料可以使用基于溶液的方法涂覆在任意表面上就像我们粉刷墙壁一样。这些有机材料可以在选定的波长下吸收光线，可用于制造透明的太阳能电池板或不同颜色的电池板。这些特性使得有机太阳能电池板特别适合用于下一代绿色和可持续建筑。"虽然有机半导体已被用于手机、电视和VR头显等消费电子产品的显示面板，但尚未广泛用于商用太阳能电池板。有机太阳能电池的一个缺点是光电转换效率较低，约为 12%，而单晶硅太阳能电池的转换效率可达 25%。根据 Chan 的说法，有机半导体中的电子通常会与被称为"空穴"的正电子结合。这样，有机半导体吸收的光通常会产生电中性的准粒子，即"激子"。但是，最近一类被称为非富勒烯受体（NFAs）的新型有机半导体的开发改变了这一模式。使用非富勒烯受体（NFAs）制造的有机太阳能电池的效率可接近 20% 大关。尽管性能出众，但科学界仍不清楚这一类新型非氟烷烃为何明显优于其他有机半导体。在发表于《先进材料》（Advanced Materials）上的一项突破性研究中，陈和他的团队，包括物理和天文学系的研究生库沙尔-里贾尔（Kushal Rijal，第一作者）、内诺-富勒（Neno Fuller）和法蒂玛-鲁达尼（Fatimah Rudayni），与昆士兰大学化学教授辛迪-贝里（Cindy Berrie）合作，发现了一种微观机制，部分解决了无损检测器所取得的卓越性能。主要作者 Kushal Rijal（右）和 Neno Fuller（左）使用图中所示的超高真空光发射光谱系统进行了 TR-TPPE 测量。图片来源：Kushal 和 Fuller这一发现的关键在于领衔作者里贾尔利用一种被称为"时间分辨双光子光发射光谱"（TR-TPPE）的实验技术进行的测量。这种方法使研究小组能够以亚皮秒级的时间分辨率（小于一万亿分之一秒）跟踪激发电子的能量。"在这些测量中，Kushal [Rijal]观察到，NFA中的一些光激发电子可以从环境中获得能量，而不是向环境中损失能量，"Chan说。"这一观察结果与直觉相反，因为激发电子通常会向环境中损失能量，就像一杯热咖啡向周围环境中损失热量一样。"该研究小组的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持，他们认为，这种不寻常的过程之所以能在微观尺度上发生，是因为电子的量子行为允许一个激发电子同时出现在多个分子上。热力学第二定律认为，每个物理过程都会导致总熵（通常称为"无序"）的增加，这种量子怪异性与热力学第二定律相结合，产生了不寻常的能量增益过程。Rijal说："在大多数情况下，热物体会将热量传递给周围的冷物体，因为热量传递会导致总熵增加。但我们发现，对于以特定纳米级结构排列的有机分子来说，典型的热流方向是相反的，这样总熵才会增加。这种反向热流允许中性激子从环境中获得热量，并解离成一对正负电荷。这些自由电荷反过来又能产生电流"。根据他们的实验结果，研究小组提出，这种由熵驱动的电荷分离机制可使使用 NFA 制造的有机太阳能电池获得更高的效率。Rijal说："了解了电荷分离的基本机制，研究人员就能设计出新的纳米结构，利用熵的优势在纳米尺度上引导热量或能量流动。尽管熵是物理学和化学中一个众所周知的概念，但很少有人积极利用它来提高能量转换设备的性能。"不仅如此：科大团队认为，这项工作中发现的机制不仅可以用来生产更高效的太阳能电池，还可以帮助研究人员设计出更高效的光催化剂，用于太阳能燃料生产，这是一种利用阳光将二氧化碳转化为有机燃料的光化学过程。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

被“诅咒”的半导体龙头

被“诅咒”的半导体龙头 隔壁英特尔也没好到哪里去，英特尔2023年营收为542.3亿美元，较2022年的630.5亿美元下跌14%，净利润为16.89亿美元，相较2022年的80.14亿美元暴跌78.92%。要知道，三星和英特尔在进入最近几年，一直在半导体市场里争着第一和第二的位置，两位当了二十余年的霸主，如今却好像走在一条下坡路上。是半导体下行周期使然，还是挑战者在撼动它们曾经牢不可破的城墙呢？还是半导体龙头这个位置已经被“诅咒”了？AMD和英特尔对于AMD来说，21世纪的头十年表现得喜忧参半。在AMD第二任CEO鲁毅智的主导下，AMD选择了自研AMD64架构，并于2003年推出面向服务器和工作站的Opteron (皓龙) 处理器、面向台式电脑和笔记簿电脑的 AMD 速龙64 处理器以及提供影院级别计算性能的速龙64 FX处理器，由于英特尔在安腾(Itianium)架构的判断失误，AMD一度在和英特尔处理器的竞争中占得上风。但也是在鲁毅智的主导下，2006年，AMD宣布以54亿美元（以42亿美元现金和5700万股AMD普通股）并购显卡厂商ATI，AMD市值此时市值仅有88亿美元左右，为了凑够42亿美元现金，AMD还向摩根士丹利举债借了25亿美元，最终完成了这笔庞大的收购。CPU＋GPU的未来愿景看似美好，但势单力薄的AMD很快就遇到了大难题，一边是英特尔，一边是英伟达，两线作战的AMD根本无力招架来自这两家的迅猛攻势，变卖各种部门，出售晶圆厂， K10、推土机、打桩机、压路机，各类CPU架构层出不穷，但一直难有起色。AMD的衰落，让英特尔过上了好日子。2006年，AMD处理器在x86服务器市场的份额曾达25%，但到2014年，已缩减到不足3%，而英特尔此时几乎垄断了整个服务器市场。至于消费端，英特尔也占据了移动电脑芯片90%的市场份额，桌面电脑芯片83%的市场份额。从2007年到2016年这十年时间，是英特尔大把收钱的时期，不管是毛利率还是净利率都高于英伟达与AMD，这还是建立在它的营收规模远大于其他两家的基础之上的，虽然英特尔错过了手机芯片的风口，但它似乎光靠服务器和消费市场，就已经能高枕无忧。2009 年至 2012 年，英特尔在CPU方面大发神威，基本上将AMD赶出了服务器市场，英特尔也因此获得了巨大的定价权和利润权，OEM厂商们只能看英特尔的脸色过活。这种躺着数钱的生活固然美好，但也带来了新的问题，一旦有具备优势的竞争对手出现，被英特尔视为钱袋子的OEM就会转投另一家厂商，这一伏笔早已埋下，即使英特尔没有犯下10nm和7nm制程工艺上的失误，高达97%的服务器市场份额也不会保持更长时间。2017 年 2 月 22 日，AMD新任CEO苏姿丰在发布会上公布了自 K8 时代之后最令人印象深刻的处理器锐龙，其中包括 1800X、1700X 和 1700 三款处理器，在消费级市场打响了第一枪，虽然它们的性能没有完全赶上英特尔，但却有一个英特尔无法比拟的优点便宜，相同定位的锐龙只卖酷睿的一半价格，试问又有哪一位消费者不会心动呢？同样的情况出现在了服务器市场当中，AMD在2017年6月正式发布了面向服务器市场的第一代EPYC(霄龙)处理器，凭借多核设计、PCIe 扩展选项以及原始内存带宽等优势，一扫此前在服务器市场的阴霾。相较于纸面上的技术优势，主要 OEM 厂商在展会上对 AMD EPYC 的坚定支持，才让更多人意识到，服务器市场的风向变了。苏姿丰在发布会上与惠普执行副总裁兼总经理 Antonio Neri 共同展示了基于 EPYC 的新型惠普服务器以及与英特尔 Xeon 平台相比在云服务、软件定义存储和数据分析方面的具体优势。此外，戴尔/EMC服务器总裁兼总经理 Ashley Gorakhpurwalla 与 AMD 企业、嵌入式和半定制部门高级副总裁兼总经理 Forrest Norrod还共同推出了戴尔/EMC PowerEdge 服务器，并展示了 AMD 的一些新安全加密虚拟化技术，以及 EPYC 在戴尔/EMC 第 14代PowerEdge 服务器中具有更高核心数和更灵活扩展选项的单插槽服务器优势。不仅是惠普和戴尔，AMD还获得了独立硬件和软件供应商的支持，如 SuperMicro、Xilinx、VMWare、Red Hat 和 Microsoft 等也都纷纷加入其中，AMD从这场发布会开始，正式打响了服务器领域的反击战。对英特尔来说，这几乎是一个死局，在先进制程和移动市场上的失利虽然让它感觉有些不爽，但在服务器市场上的节节败退，才让这位霸主真正感受到了痛彻心扉。2021年2月，帕特·基辛格上任英特尔第八任CEO，经历了创始人戈登-摩尔（Gordon Moore）和安迪-格鲁夫（Andy Grove）的他是一位技术老兵，他曾在英特尔推动了关键行业技术（如 USB 和 Wi-Fi）的创造，还在酷睿和至强系列中发挥了关键作用。他提出了在四年内实现五个工艺节点的目标，未来将和台积电和三星在先进制程代工市场中展开竞争，甚至可能有机会占据较大份额，但对于英特尔来说，随着AMD和Arm的崛起，以及更多云服务厂商选择自研芯片，过去它在服务器市场里躺着赚钱的时光，注定只能成为一种美好回忆。现在的英特尔，想要恢复往日的辉煌，只能把希望寄托于AMD、英伟达和台积电等对手的集体衰落，但这显然是不可能的，即便是恢复该有的营收和盈利水平，也要付出更多的努力才行，就像数年前的AMD一样，英特尔也要走一条漫长而又痛苦的荆棘之路。三星和海力士对比英特尔，三星半导体的业务要显得更加驳杂，从手机处理器到代工厂，从影像传感器到DRAM和NAND，庞大的帝国让它一度超越英特尔，问鼎全球半导体市场。如今的它却节节败退，甚至在内存市场上险些被SK海力士所超越，这背后当然有很多因素影响，如5nm制程代工的萎靡，以及猎户座处理器设计的失败，但最致命的恐怕还是HBM。HBM的历史可以追溯到十多年前，AMD在收购ATI后，开始研究更先进的显存技术，当时的GDDR陷入到了内存带宽和功耗控制的瓶颈，而AMD就打算用先进的TSV技术打造立体堆栈式的显存颗粒，让“平房”进化为“楼房”，通过硅中介层让显存连接至GPU核心，最后封装到一起，实现显存位宽和传输速度的提升。当时AMD的合作伙伴就是SK海力士，经过多年研发后，两家厂商联合推出了初代HBM产品，这一产品也被定为了JESD235行业标准，初代HBM的工作频率约为1600 Mbps，漏极电源电压为1.2V，芯片密度为2Gb（4-hi），带宽达4096bit，远超GDDR5的512bit。新技术的诞生并非一帆风顺，AMD后续在消费端显卡里取消了HBM显存，而海力士也没有因为这一新内存标准而获利，此时三星却找到了机会，通过这一通用的行业标准，三星成为了英伟达Tesla P100显卡中HBM2显存的供应商，这也成了三星的高光时刻之一。但三星在HBM上的优势并未保持多久，2021 年 10 月，海力士率先量产HBM的第四代产品HBM3，截至目前，SK海力士几乎包揽了英伟达的HBM3的供应，曾经更快量产HBM2的三星，却还没有明显的HBM3的供应表现。问题出在了哪里呢？原来在HBM这项技术上，三星和SK海力士各自采用不同的封装方法。SK的选择是回流焊成型底部填充 (MR-MUF) 方法，在烤箱中同时烘烤所有层，而三星则采用了热压缩非导电膜 (TC NCF) 技术，在每层之间用薄膜堆叠芯片。SK海力士的 MR-MUF 技术可一次性封装多层 DRAM。在 DRAM 下方，有用于连接芯片的铅基“凸块”，MR 技术涉及加热并同时熔化所有这些凸块以进行焊接。连接所有 DRAM 后，将执行称为 MUF 的工艺来保护芯片，通过注入一种以出色的散热性而闻名的环氧密封化合物来填充芯片之间的间隙并将其封装起来，然后通过施加热量和压力使组件变硬，从而完成 HBM。SK海力士将此过程描述为“像在烤箱中烘烤一样均匀地施加热量并一次性粘合所有芯片，使... PC版： 手机版：