引言：
所谓半导体，即介于电介质与导体之间的导电材料，因其特性优越及产业推动力而得以快速发展，现已进入第三阶段。第一阶段半导体起源于上世纪五十年代，主要包括硅和锗等元素，其是所有逻辑器件的基石，广泛应用于集成电路、电子产品、航空航天等领域。第二阶段则出现于上世纪八十年代，主要包括四类半导体，即化合物、固溶体、非晶态和有机等，适用于制造高速且高频、大功效及发光电子器件。同时，其在卫星及移动通讯，光通信乃至GPS等行业得到了广泛运用。第三阶段也就是当下，半导体以碳化硅、氮化镓、金刚石以及氮化铝为主，相较于硅基，其有着许多优点，如高频、高效、高功率、耐高温和抗辐射强等，应用前景广阔。特别是在高温、高压和高频等大功率领域，第三阶段的半导体表现出显著优势。值得注意的是，新能源车是碳化硅的主要应用领域之一。
为了摒弃对化石燃料的依赖，以降低环境污染，全球各国均开始全力研发可再生能源。研究先进半导体的应用，为新能源的转换给予了关键支持。下面，我们将进行探讨。
一、半导体应用于太阳能制氢领域
面对能源和环境挑战的日益严峻，氢能因其无污染性被视为新能源发展中的核心角色。而把太阳能转为易于存储及运输的氢能，更被视作实现“液态阳光”能源计划的最佳选择。现阶段，主要是通过如下的技术，实现太阳能制氢的目的。
（一）以太阳能辅助光催化技术分解水制氢
该技术是解决能源危机的有效手段，有助于构建可持续的清洁能源体系。半导体光催化剂能够透过降低氧化反应，加速太阳能的吸收与转化，尤其是超薄二维半导体光催化剂，因其出色的物理、化学、机械及光学特性，备受关注。目前，已经合成出多种二维纳米片，主要包括两大类别，即层状与非层状。例如，常见的层状结构包括了石墨晶体，氮化物（像g—C3N4和GaN），黑磷及过渡金属二硫属化物等。
其中，黑磷与二硫化钼作为二维半导体，因其优秀的电荷分离特性及易于集成于设备的优势，备受关注于光催化水分子裂解领域。前者的基材料具备优异的迁移率、宽广的可调带宽以及极高的光吸纳能力等特色，近年在水解反应上已得到充分认可。且其具有较优的高载流子迁移率与特殊的各向异性，有利于光生载流子的分离；同时，可调的直接带隙使其能更广泛地吸纳太阳能辐射光谱。此外，黑磷还具备环保、毒性小的优点，为构建大规模光催化水解设备提供了可能。然而，尽管我们对二维半导体光催化剂有了一定了解，但成本过高，降解困难以及电荷转移与回收机制不完善等因素，仍然制约着其大规模应用。
最后，有科研团队运用DFT技术，成功研发出两个适用于实验目的的化合物，即氮氧化钽镧及氮氧化钛镧。研究表明，二者的衍生品具备间接触配隙达2.7ev左右的半导体特性，被认为是最具潜力的太阳能高效吸收与储存燃料的材料[1]。
（二）采用太阳能辅助光电化学分解水制氢
该技术（PEC）被誉为未来清洁、环保、可再生能源的首选方式。其核心在于光电化学反应池的设计，该池主要由光阳极与阴极构成，各种半导体素材如p和n型、碳点及单原子均可作为光电阴极或阳极使用。其中，阳极为半导体材质，光照条件下能生成电子－空穴对，并与阴极形成完整的电能化学转换结构。在电解质的参与下，由光阳极获得的光电子将在外电路流动至阴极，氢离子则在阴极接收电子形成氢。
为了提升光电化学（PEC）水分解制氢氧的效率，开发高性能的PEC电极至关重要。但多数半导体电极在光吸收和电荷传输方面存在不足，导致效率低下。通过采用助催化剂对半导体表面进行改性，可以有效提高光吸收效率和减少电子-空穴对的复合，从而提升电极性能。目前，研究者们已经探索了多种元素和材料，如P区、D区元素、单原子催化剂以及石墨烯基材料，来促进半导体与助催化剂的结合，显著增强PEC水分解的整体效果。
在研究高效光电化学（PEC）水分解技术中，一种策略是在碳化硅/二氧化钛异质结光电阴极上引入地球丰富的镍-钼催化剂。该p-i-n结构光电阴极，采用原子层沉积技术在无氟掺杂氧化锡衬底上的非晶硅碳上沉积无定形TiO2，展现出了12小时的高稳定性PEC性能。这种结构不仅提升了光电压，还增强了催化活性，为构建高效的太阳能水分解系统提供了新途径。
另外，研究表明，在3C-SiC光阳极上沉积低成本且资源丰富的水氧化助催化剂，可显著提升其PEC性能。同样，纳米结构NiO/3C-SiC p-n异质结的构建也显著增强了水氧化效率。p型3C-SiC结合水还原助催化剂也展现了优异的水还原性能。展望未来，优化3C-SiC的生长、集成高效助催化剂以及形成异质结光电极，将是实现高效可持续太阳能水分解电池的关键[2]。
二、半导体应用于新能源汽车行业
在汽车半导体领域，功率器件如IGBT和MOSFET、微控制器（MCU）、传感器等元器件扮演着核心角色。电动汽车动力系统中，采用SiC器件的优势已被广泛研究认可。新型SiC器件，如平面和沟槽MOSFET、共源共栅JFET等，正由制造商推向市场。这些共源共栅器件结合了低压硅MOSFET与高压SiC JFET，有效克服了SiC栅极氧化物陷阱引起的可靠性问题。
其次，有研究通过实验测量不同SiC器件的能量传导和开关特性，模拟了电动汽车动力系统的性能。与以往基于数据表的损耗计算不同，其是利用对功率器件在多种条件下的静态与动态测试，全面评估了真实驾驶周期内的能量消耗情况，并对场截止IGBT进行了性能检测。借助三相两级逆变器模型，精确衡量了损失计算及电热模拟过程中温度变化所带来的影响。结果显示，碳化硅共源共栅JFET在电动汽车动力系统中的运用前景极为广阔。
有研究人员提出了一种创新能源转换系统，该系统专为汽车和可再生能源发电设计，显著提升了开关技术，以有效应对电池电压波动，实现了高效的电能转换。原型单元采用了碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管，并在系统测试中展现了高达99%的效率。另一方面，有专家们对4H-SiC金属氧化物半导体场效应晶体管进行了深入分析，揭示了其独特的故障机制。这些晶体管在电力电子领域展现出卓越的性能，尤其是在电动汽车和微电网转换器领域，其高能效和耐用性使其成为理想的候选技术。另外，有研究团队针对电动汽车的牵引电机控制系统提出了新颖的设计理念。利用宽带隙半导体器件，如GaN，来替代传统的Si-IGBT逆变器，以提升能源转换效率。实验数据显示，这种新型逆变器在降低能量损失和提高系统效率方面表现优异，为电动汽车的能源管理提供了显著的改进[3]。
结束语：
综上所述，半导体是新能源领域发展的关键支柱，对于减排环保具有重大意义。当下，随着科技不断进步，其潜能逐渐显现，新能源领域的应用正逐步拓展深化。然而，走向产业化仍需长期努力。因此，不仅要加大对半导体材料的研发力度，还应依据市场需求，强化产业链建设，拓宽产品生产领域，加速产品更新换代。这样，未来半导体发展的前景会更为广阔。
参考文献：
[1]江洪,王予典.国外先进半导体在新能源领域的应用[J].新材料产业,2021(5):36-40.
[2]杨志伟.钠离子电池在新能源汽车领域的应用趋势[J].汽车维修技师,2024(2):9-9.
[3]李旭方.新能源材料在电池领域的应用与发展[J].中文科技期刊数据库（引文版）工程技术,2024(5):0077-0080.
