澳大研究成果为澳门实现“碳中和”提出技术路径

澳大研究成果为澳门实现“碳中和”提出技术路径 #澳门大学 澳门大学校长、智慧城市物联网国家重点实验室主任宋永华所带领的研究团队发表研究成果，提出促进澳门能源系统碳中和实现的技术路径。有关研究《智慧城市能源系统迈向碳中和的典型路径研究：以澳门为例》获国家科学思想库的核心媒体期刊《中国科学院院刊》“预出版”。 考虑到城市属于能源系统需求侧、用地资源紧张、外购电力占比高的特点，并结合澳门的实际情况...

澳大于全国电力AI应用大赛夺冠

澳大于全国电力AI应用大赛夺冠 #澳门大学 澳门大学智慧城市物联网国家重点实验室智慧能源研究室研究团队参加2021年电力调度AI应用大赛暨“南网创新杯”创新创业大赛，于演算法类赛道中荣获一等奖和唯一创新奖。 全国共有45支队伍入围初赛，包括清华大学、武汉大学、中国科学院等多所高水准大学，以及南网数字电网研究院、南网能源院、广东电网电力调度控制中心、海南电网电力调度控制中心、国电南瑞等知名电力企业。最后有6支队伍进入决赛...

热电池系统的效率创下电网规模储能的最高纪录

热电池系统的效率创下电网规模储能的最高纪录 新型热光电池的小型实验室测试 布伦达-阿赫恩，密歇根工程学院随着可再生能源价格的快速下降，现在的障碍在于它们的间歇性任何可再生能源怀疑论者都会向我们抛出的第一个问题是："但晚上或没有风的时候怎么办？"一个叫做"电池"的东西可以在这方面提供帮助，电网规模的储能系统并不缺乏，它们可以为雨天（字面意义上的）节约能源。这包括锂离子电池等经典产品的升级，也包括铁-空气、盐水、液流电池或各种基于重力的系统等更具实验性的设计。最有前途的途径之一是将能量储存为热能。介质本身可以很广泛，如沙子、熔盐、火山灰、碳块、粘土砖等，但不幸的是，从热量中获取能量并将其转化为电能可能是最棘手的部分。这就是新系统的用武之地。该设备由密歇根大学的研究人员开发，其工作原理是热光电效应。它类似于太阳能电池，后者是光生伏打，通过光（光子）产生电（伏特）。热光电效应显然会在其中加入热量（thermo）。实际上，这意味着它们吸收的是光谱中红外线部分的光子，而不是太阳能电池捕捉的高能可见光光子。这种新型热光电池在测试中使用碳化硅作为蓄热材料，但也可以换成其他任何有效的材料。碳化硅的周围有一种由铟、镓和砷制成的半导体材料，这种材料经过精心设计，可以捕捉到最广泛的光子，特别是由加热材料产生的光子。当研究小组将这种材料加热到1435 °C（2615 °F）时，它开始辐射出不同能量水平的热光子，其中20%到30%的光子能被半导体捕获。为了利用其中一些能量较高或较低的光子，该电池在半导体之后有一层薄薄的空气层，然后是金反射层。这样，一些光子会被弹回半导体，转换成电能，而另一些光子则会被弹回蓄热材料，使它们有机会作为合适的光子被发射出来。新型热光电池的示意图及其与其他同类产品的性能对比图 Roy-Layinde 等人这种设计使总功率转换效率达到 44%。这使得它比其他在相同温度下工作的设计效率要高得多，其他设计的最高效率为 37%。其他设计的效率也曾超过 40%，但它们的工作温度要高得多，在很多情况下都不太可行。其原理是利用风能或太阳能发电场产生的电能，或直接吸收工业生产过程或太阳能热能系统产生的多余热量来加热存储材料。它的效率可能只有锂离子电池的一半，但它的安全性更高，制造和运行成本更低，这意味着无论如何，扔掉一半的电力仍然是划算的，尤其是电力不再是有限的资源。研究小组表示，这种技术还有一定的发展空间。这项研究的特约作者斯蒂芬-福雷斯特说："我们还没有达到这项技术的效率极限。我相信，在不远的将来，我们的效率将超过 44%，并突破 50%。"这项研究发表在《焦耳》杂志上。 ... PC版： 手机版：

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度

伯克利实验室开发的新型微型电容器显示出创纪录的能量和功率密度 访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长 另有NordPass密码管理器 微型电容器技术的突破劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的科学家们在克服这些挑战方面迈出了重要一步，最近在微型电容器中实现了创纪录的高能量和高功率密度。这些电容器由氧化铪和氧化锆的工程薄膜制成，采用了芯片制造中常见的材料和制造技术。他们的研究成果发表在《自然》（Nature）杂志上，可彻底改变下一代电子产品的片上能量存储和电力传输。伯克利实验室资深科学家、加州大学伯克利分校教授兼项目负责人赛义夫-萨拉赫丁（Sayeef Salahuddin）表示："我们已经证明，在由工程薄膜制成的微型电容器中存储大量能量是可能的，比普通电介质存储的能量要多得多。更重要的是，我们使用的材料可以直接在微处理器上进行加工。"这项研究是伯克利实验室为开发更高效的微电子学新材料和新技术所做的更广泛努力的一部分。在三维沟槽电容器结构中使用工程氧化铪/氧化锆薄膜制成的微型电容器与现代微电子中使用的结构相同实现了创纪录的高能量存储和功率密度，为片上能量存储铺平了道路。图片来源：Nirmaan Shanker/Suraj Cheema电容器基础知识与挑战电容器是电路的基本元件之一，但也可用于储存能量。与通过电化学反应储存能量的电池不同，电容器通过在两块被绝缘材料隔开的金属板之间建立的电场储存能量。在需要时，电容器可以快速放电，从而可以快速供电。此外，电容器不会因反复充放电循环而老化，因此寿命比电池长很多。不过，电容器的能量密度通常比电池低得多，这意味着它们在单位体积或重量上可存储的能量更少，而当试图将它们缩小到微型电容器大小用于片上能量存储时，这个问题只会变得更糟。Sayeef Salahuddin（左）和 Nirmaan Shanker 在实验室。图片来源：Marilyn Sargent/伯克利实验室研究方法和结果研究人员通过精心设计HfO2-ZrO2薄膜来实现负电容效应，从而制造出革命性的微型电容器。通常情况下，将一种介电材料层叠在另一种介电材料之上会导致整体电容降低。但是，如果其中一层是负电容材料，那么整体电容实际上会增加。在早先的研究中，萨拉赫丁及其同事展示了利用负电容材料生产晶体管的方法，这种晶体管的工作电压大大低于传统的 MOSFET 晶体管。在这里，他们利用负电容生产出了能够存储更多电荷的电容器，因此也存储了更多能量。这些薄膜由HfO2和ZrO2混合制成，采用工业芯片制造的标准材料和技术进行原子层沉积。根据这两种成分的比例，薄膜可以是铁电性的，即晶体结构具有内置的电极化；也可以是反铁电性的，即通过施加电场可以使晶体结构进入极化状态。当成分调整得恰到好处时，给电容器充电产生的电场会使薄膜在铁电和反铁电秩序之间的临界点达到平衡，这种不稳定性会产生负电容效应，即使很小的电场也能轻易地使材料极化。萨拉赫丁课题组的博士后、论文的主要作者之一苏拉杰-切马（Suraj Cheema）说："在相变过程中，单元格确实希望被极化，这有助于在电场作用下产生额外的电荷。这种现象是负电容效应的一个例子，但可以把它看作是一种捕获比正常情况下更多电荷的方法。"为了提高薄膜的储能能力，研究小组需要增加薄膜厚度，同时又不使其松弛出受挫反铁电-铁电状态。他们发现，通过在每隔几层HfO2-ZrO2 后穿插原子级氧化铝薄层，可以将薄膜厚度增加到 100 纳米，同时保持所需的特性。最后，研究人员与麻省理工学院林肯实验室的合作者合作，将薄膜集成到三维微型电容器结构中，在硅片上切割的深沟中生长精确分层的薄膜，长宽比高达 100:1。这些三维沟槽电容器结构可用于当今的 DRAM 电容器，与平面电容器相比，其单位面积电容要高得多，从而实现了更大的微型化和设计灵活性。由此产生的器件具有破纪录的特性：与当今最好的静电电容器相比，这些微型电容器的能量密度高出 9 倍，功率密度高出 170 倍（分别为 80 mJ-cm-2 和 300 kW-cm-2）。萨拉赫丁说："我们获得的能量和功率密度远远高于我们的预期。多年来，我们一直在开发负电容材料，但这些结果令人十分惊讶。"未来发展方向这些高性能微电容器有助于满足物联网传感器、边缘计算系统和人工智能处理器等微型设备对高效、微型化能源存储日益增长的需求。研究人员目前正在努力扩大技术规模，将其集成到全尺寸微芯片中，并推动基础材料科学的发展，以进一步提高这些薄膜的负电容。"有了这项技术，我们终于可以开始实现在芯片上无缝集成极小尺寸的能量存储和电力传输，"Cheema 说。"它可以开辟微电子能源技术的新领域。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

金刚石芯片商用在即 性能优秀成本却高出上万倍

金刚石芯片商用在即 性能优秀成本却高出上万倍 而在氮化镓和碳化硅之后，金刚石也就是钻石，作为一种新半导体材料闯入了大家的视线当中，并引发了研究人员和行业专家的关注。金刚石以其无与伦比的硬度和亮度而闻名，半个多世纪以来，珠宝首饰是它最广泛也是最有价值的用途，如今它又因自己的特性，在半导体材料中开辟了一番广阔的前景。金刚石芯片，有何优势与现有的半导体材料相比，金刚石主要具有三大优势：热管理、成本/效率优化和二氧化碳减排。在所有传统的功率转换器中，冷却系统都是一个必要的累赘。与大多数半导体材料不同，金刚石的电阻率随温度升高而降低。因此，用这种材料制成的设备在 150 摄氏度（功率设备的典型工作温度）下比在室温下性能更好。虽然必须花费大量精力来冷却暴露在高温下的硅或碳化硅器件，但只需让金刚石在运行过程中找到一个稳定的状态即可。金刚石还是一种良好的散热器。由于散热损耗少、散热能力强且能在高温下工作，用金刚石有源器件制成的转换器可以比基于硅的解决方案轻 5 倍、小 5 倍，比基于碳化硅的解决方案轻 3 倍、小 3 倍。在设计设备和转换器时，必须在系统的能效与成本、尺寸和重量之间做出权衡。金刚石也不例外，但金刚石能在关键参数上为更节能的电动汽车带来价值。如果重点是降低设备成本，那么可以设计出比碳化硅芯片成本低 30% 的金刚石芯片，因为在电气性能和效率相同的情况下，金刚石芯片比同等的碳化硅芯片少消耗 50 倍的金刚石面积，而且热管理更好。如果注重效率，金刚石与碳化硅相比，可将能量损耗降低三倍，芯片体积最多可缩小 4 倍，从而直接节省能耗。如果侧重于系统体积和重量，通过提高开关频率，金刚石器件可将无源元件的体积比基于碳化硅的转换器减少四倍。除了体积上的减少之外，还可以通过缩小散热器来实现。值得一提的是，金刚石还具备极高的绝缘性。衡量不同材料绝缘性好坏的一大重要指标是击穿电场强度，表示材料能承受的最大电压不造成电击穿。作为对比，硅材料的击穿电场强度为0.3 MV/cm左右，SiC为3 MV/cm，GaN为5 MV/cm，而钻石则为10 MV/cm，而且即使是非常薄的钻石切片也具有非常高的电绝缘性，能够抵抗非常高的电压。从具体用途来看，金刚石基板具有优异的导热性，可为高功率 5G 元件（基站、放大器）实现高效散热，确保运行稳定性并防止过热。5G 基础设施的不断推出和对更快数据速度的无限需求，推动了各种 5G 相关设备对金刚石基板的采用。5G 数据流量的指数级增长意味着需要设备能够管理在极高频率下产生的大功率密度。金刚石衬底为这些问题提供了答案。此外，与传统的硅基解决方案相比，金刚石衬底与氮化镓或碳化硅配对，可制造出工作电压更高、频率更高、能效更高的功率器件，电动汽车、用于可再生能源的电源逆变器、工业电机驱动器、大功率激光器和先进电源都是金刚石衬底应用日益广泛的领域。金刚石衬底作为出色的散热器，可以延长这些设备的使用寿命和可靠性。而随着向更清洁能源的过渡和汽车电气化进程的加快，金刚石衬底也将发挥至关重要的作用。尽量减少功率转换过程中的能量损耗可以提高整体效率，这是电动汽车和可持续电网的一个重要方面。金刚石基底能够设计出更紧凑、重量更轻的电力电子器件，这对电动汽车等空间受限的应用至关重要。国外的Virtuemarket的数据指出，2023年全球金刚石半导体基材市场价值为1.51亿美元，预计到2030年底市场规模将达到3.42亿美元。在2024-2030年的预测期内，该市场预计将以复合年增长率增长12.3%。其认为，在中国、日本和韩国等国家电子和半导体行业不断增长的需求的推动下，亚太地区预计将主导金刚石半导体衬底市场，到 2023 年将占全球收入份额的 40% 以上。金刚石芯片，面临挑战当然，性能如此优秀的半导体材料，在其他方面不免受到一些限制。首先就是成本。与硅相比，碳化硅的成本是其 30 到 40 倍，而氮化镓的成本是其 650 到 1300 倍。用于半导体研究的合成金刚石材料的价格约为硅的 10000 倍。另一个问题是金刚石晶片尺寸太小，市场上最大的金刚石晶片尺寸还不到 10 平方毫米。使用离子注入法掺杂这种材料很困难，而且这种材料的电荷载流子活化效率在室温下会降低。为了解决生产应用方面的问题，不少公司都在努力攻关金刚石量产的相关技术。2023年初，日本佐贺大学与日本Orbray共同合作开发了金刚石制成的功率半导体，他们在蓝宝石衬底上制成2英寸的单晶圆，2023年10月，美国的Diamond Foundry于成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆，直径约4英寸。除了上述两家公司外，位于法国格勒诺布尔的半导体金刚石初创公司Diamfab也在为了金刚石芯片的技术而不断努力。今年3月，该公司宣布获得870万欧元的首轮融资。这笔资金来自Asterion Ventures、法国政府代表法国政府管理的法国科技种子基金（法国2030的一部分）、Kreaxi与Avenir Industrie Auvergne-Rhône-Alpes地区基金、Better Angle、Hello Tomorrow和格勒诺布尔阿尔卑斯大区。Diamfab 是法国国家科学研究中心（CNRS）实验室奈尔研究所（Institut Néel）的衍生产品，也是 30 年来合成金刚石生长研发的成果。Diamfab 项目最初在格勒诺布尔阿尔卑斯 SATT Linksium 进行孵化，该公司于 2019 年 3 月成立，由两位纳米电子学博士和半导体金刚石领域公认的研究人员 Gauthier Chicot 和 Khaled Driche 创办。Diamfab表示，为了满足汽车、可再生能源和量子产业的半导体和功率元件市场需求，公司在合成金刚石的外延和掺杂领域开发出了突破性技术。其在合成金刚石的外延和掺杂领域开发出了突破性技术，并拥有四项专利，其专长在于薄金刚石层的生长和掺杂，以及金刚石电子元件的设计。第一轮融资将使 Diamfab 能够建立一条试验生产线，对其技术进行工业化前处理，加速其发展，从而满足对金刚石半导体日益增长的需求。Diamfab此前已经申请了全金刚石电容器的专利，并正在与该领域的领先企业合作， Diamfab 首席执行官 Gauthier Chicot 说道：“在其他参数中，我们已经实现了我们的目标：超过 1000A/cm2 的高电流密度和大于 7.7MV/cm 的击穿电场。这些是未来设备性能的关键参数，并且已经优于 SiC 等现有材料为电力电子设备提供的参数。此外，我们有一个明确的路线图，到 2025 年实现 4 英寸晶圆，作为大规模生产的关键推动因素。”“在过去的两年中，我们在与研发团队合作加工高附加值金刚石晶片方面取得了重大进展。现在，我们基于双重业务模式的应用导向方法将使我们能够与更广泛的工业合作伙伴合作，开发和销售高附加值金刚石晶片和我们的专利金刚石设备制造工艺，同时还能以轻型工厂模式直接向最终用户销售产品，”Chicot 说。“在像我们这样的尖端产业的发展过程中，每个阶段都至关重要。试点项目将促进我们与合作伙伴的许多讨论，并加强我们之间的关系。与致力于该行业和气候的投资者合作，最重要的是他们了解该行业的制约因素和联系，这一点至关重要，” Chicot表示。“我们开发的技术可以大大减少半导体的历史碳足迹，并通过转移欧洲的关键产业来实现这一目标，这也是我们与 Asterion 合作的投资重点之一，”负责此次交易的 Asterion Ventures 合伙人 Charles-Henry Choel 解释说，“工业深度技术公司需要冷静、长期的支持，而这正是我们所能提供的。”无独有偶，美国的Advent Diamond也是这样一家致力于将金刚... PC版： 手机版：