April: Null-Kohlenstoff-Emissionstechnologie der nächsten Generation

Das Bild zeigt das Herzstück des Reaktors in der MOCVD-Maschine (Metal Organic Chemical Vapour Deposition). Hier wird das erhitzte Substrat platziert und bildet die Basis, auf der Galliumoxid wächst. Cohen Rautenkranz, Agnitron-Technologie

Das Bild zeigt die Außenseite der MOCVD-Maschine. Die Prozesse werden computergesteuert überwacht; Temperaturen und Gasströme werden kontrolliert. Prof. Martin Kuball

Pressemitteilung vom 27. April 2022

Leistungstransformatoren, die derzeit die Größe von Schiffscontainern haben und Haushalte und Unternehmen in ganz Großbritannien mit Energie versorgen, könnten dank eines bahnbrechenden Verfahrens, bei dem ein neues aufgeladenes Material mit beispielloser Effizienz zum Einsatz kommt, auf die Größe eines Koffers geschrumpft werden.

Die branchenverändernde Technik wird an der Universität Bristol zu einer Zeit entwickelt, in der die Notwendigkeit, den Energieverbrauch zu senken, noch nie so groß war, da das Streben nach Reduzierung der CO2-Emissionen zunimmt und die Kraftstoffkosten in die Höhe schießen.

Ein Team führender Wissenschaftler hat gerade die erste Maschine Großbritanniens zur Herstellung von Schichten aus Galliumoxid installiert, dem Wunderhalbleiter, der die entscheidende Komponente zukünftiger revolutionärer Stromversorgungsgeräte bildet und das Potenzial hat, den Gesamtenergieverbrauch sowohl im Haushalt als auch im Haushalt um etwa 20 % zu senken Industrieumgebungen.

Die meisten Stromrichter und Stromversorgungen funktionieren durch die Umwandlung einer Wechselspannung in eine andere Wechselspannung oder einer Wechselspannung in eine Gleichspannung oder umgekehrt. Dies ist bei größeren Energieverteilungsnetzen wie Stromleitungen sowie beim Anschließen elektrischer Geräte der Fall. Herkömmliche Transformatoren können schwer, metallbasiert und aufgrund der dabei entstehenden überschüssigen Wärme ineffizient sein, während modernere Energieumwandlungsschaltkreise meist aus gängigeren Halbleiterkomponenten aus Silizium (Si) bestehen.

In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte gemacht, um die siliziumbasierte Leistungselektronik durch neue Geräte aus sogenannten Wide-Bandgap-Halbleitern zu ersetzen. Dadurch sind sie deutlich kleiner und effizienter, beispielsweise nutzen Elektroautos und Laptop-Ladegeräte Bauteile aus den verlustarmen Halbleitern Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC).

Es bleibt jedoch eine Herausforderung, Hochspannungen erfolgreich und kostengünstig mit minimalem Energieverlust umzuwandeln. Dazu gehört der Austausch alter und sperriger Metalltransformatoren in der Nachbarschaft bis hin zur üblichen Netzspannung aus den Steckdosen zu Hause. Auch bei modernen halbleiterbasierten Umrichtern mit Siliziumbauteilen, die beispielsweise Energie aus Solaranlagen in das öffentliche Stromnetz einspeisen, gibt es noch erhebliche Ineffizienzen.

Die neue MOCVD-Maschine (Metal Organic Chemical Vapour Deposition) der Universität, mit der Halbleiter-Galliumoxid der nächsten Generation hergestellt werden kann, bietet eine überzeugende Lösung für dieses Problem.

Projektleiter Martin Kuball, Professor für Physik und Lehrstuhl für neue Technologien an der Royal Academy of Engineering, sagte: „Dies ist eine äußerst spannende und dringend benötigte Gelegenheit. Mit dem Vorstoß zur Einführung effizienterer Leistungselektronik und fortschrittlicher erneuerbarer Technologien inmitten der drängenden Klimakrise stellt dies einen Wendepunkt für eine nachhaltigere und erschwinglichere Energieversorgung der Zukunft dar.

„Derzeit werden fast drei Viertel (72 %) des weltweiten Primärenergieverbrauchs verschwendet. Während die meisten kohlenstoffarmen Technologien immer noch auf elektronischen Geräten auf Siliziumbasis basieren, beginnen wir langsam, diese durch Halbleiter aus Galliumnitrid und Siliziumkarbid zu ersetzen. Da die Maßnahmen zur Reduzierung unseres CO2-Fußabdrucks immer schneller voranschreiten, muss ein stärkerer Fokus auf die Entwicklung von Geräten auf Galliumoxidbasis gelegt werden, und wir sind bestrebt, dies in großem Umfang und schnell voranzutreiben.“

Das 20-köpfige Forscherteam arbeitet mit anderen Gruppen auf der ganzen Welt zusammen, darunter in Japan, den Vereinigten Staaten und Deutschland, sowie mit Industriepartnern wie Dynex Semiconductors. Das teilweise von der Royal Academy of Engineering finanzierte Galliumoxid-MOCVD-System von Agnitron Technology in den USA ist das erste seiner Art in Europa.

„Das MOCVD-System wird verwendet, um dünne Schichten aus Galliumoxid und Aluminiumgalliumoxid, viel dünner als ein menschliches Haar, in einer Kammer mit hochreinen Gasen wachsen zu lassen. Diese Schichten gelangen dann in unseren Reinraum, einen nahezu staubfreien Bereich, wo Metalle und andere Schichten hinzugefügt werden, die effektiv elektrischen Kontakt herstellen, um das fertige leistungselektronische Bauteil herzustellen, das einsatzbereit ist. Diese sind sogar energieeffizienter als aktuelle GaN- und SiC-Komponenten“, erklärte Professor Kuball.

„Wir werden die Maschine diesen Monat in Betrieb nehmen und wollen in den nächsten Monaten über unsere ersten Galliumoxid-basierten Komponenten verfügen, was uns an die Spitze der Herstellung energieeffizienter Stromversorgungsgeräte der Zukunft bringen wird.“

Die Technologie bedeutet nicht nur, dass Stromverteilungsnetze viel weniger Energie verschwenden, sondern sie könnten auch ganz anders aussehen.

Professor Kuball sagte: „Vorhandene Stromumwandlungseinheiten, die oft auf unseren Straßen zu finden sind, haben Containergröße. Wenn man diese Technologie auf die nächste Stufe bringt, könnten sie auf die Größe eines Koffers reduziert werden. Sie könnten dann verteilte Stromnetze oder Smart Grids aufbauen, da die kompakten Ausmaße eine weiträumigere Verteilung dieser Netze ermöglichen. Dies würde das Risiko von Stromausfällen in weiten Teilen der Stadt verringern, wie sie derzeit bei einem Stromausfall auftreten. Die Vorteile der Galliumoxid-basierten Technologie sind enorm. Jetzt müssen wir mehr denn je die Prozesse weiterentwickeln und verfeinern, um dies vollständig zu realisieren.“