Forschung -

Studie über die Energiegewinnung mit Silizium

"Nanoblades" könnten Schaltkreise effizienter als bisher kühlen und damit die Umwandlung von Abwärme in Energie verbessern. Ein Physiker der University of Texas at Dallas hat sich mit Texas Instruments zusammengetan, um dieses Ziel zu erreichen.

Das gemeinsame Projekt zeigt, dass die Fähigkeit von Silizium, Energie aus Wärme zu gewinnen, deutlich erhöht werden kann, auch wenn es sich in Serie produzieren lässt.

Dr. Mark Lee, Professor und Leiter des Fachbereichs Physik an der "School of Natural Sciences and Mathematics", ist der korrespondierende Autor einer in "Nature Electronics" veröffentlichten Studie, die die Ergebnisse beschreibt.

Diese Ergebnisse könnten die Kühlung von Schaltungen in der Elektronik stark beeinflussen und eine Methode zur Energieversorgung der Sensoren im wachsenden "Internet der Dinge" bieten.

"Sensoren gibt es praktisch überall. Sie können aber nicht ständig mit externer Energie versorgt werden, also müssen sie auf jeden Fall sehr wenig Leistung verbrauchen", sagte Lee. "Ohne eine zuverlässige Lichtquelle für fotovoltaische Energie braucht man eine Art Batterie - eine, die nicht ersetzt werden sollte."

Die thermoelektrische Erzeugung ist eine hochgradig grüne Energiequelle, die eine Temperaturdifferenz in elektrische Energie umwandelt.

"Im Allgemeinen ist Abwärme überall vorhanden, wie zum Beispiel die Wärme, die ein Automotor erzeugt", sagte Lee. "Diese Wärme wird normalerweise abgeführt. Wenn man eine konstante Temperaturdifferenz hat - auch eine kleine - dann kann man etwas Wärme in Strom umwandeln, um eine Elektronik mit Energie zu versorgen."

Sensoren, die unter einer Verkehrskreuzung eingebettet sind, sind ein Beispiel für komfortable thermoelektrische Energie.

"Die Wärme aus der Reibung der Reifen und dem Sonnenlicht kann gewonnen werden, weil das Material unter der Straße kälter ist", sagte Lee. "Also muss niemand dort ausgraben, um eine Batterie zu wechseln."

Die Haupthindernisse für eine weitverbreitete thermoelektrische "Ernte" waren Effizienz und Kosten, so Lee.

"Die thermoelektrische Erzeugung war teuer, sowohl in Bezug auf die Kosten pro Gerät als auch hinsichtlich der Kosten pro Watt erzeugter Energie", sagte Lee. "Die besten Materialien sind ziemlich exotisch - sie sind entweder selten oder giftig - und sie sind nicht ohne Weiteres mit der grundlegenden Halbleitertechnologie kompatibel."

Silizium, auf dem sehr viel Technologie basiert, ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Seit den 1950er Jahren ist bekannt, dass es sich um ein schlechtes thermoelektrisches Material in seiner kristallinen Form handelt.

Aber in 2008 zeigten neue Forschungen, dass Silizium viel besser abschneidet als ein Nanodraht - eine Art Faden, dessen zwei seiner drei Dimensionen weniger als 100 nm messen. Zum Vergleich: Ein Blatt Papier ist etwa 100.000 nm dick.

"In dem Jahrzehnt seit diesen Experimenten sind die Bemühungen, einen nützlichen thermoelektrischen Siliziumgenerator herzustellen, jedoch nicht erfolgreich gewesen", sagte Lee.

Eine Hürde ist, dass der Nanodraht zu klein ist, um mit der Chipherstellung kompatibel zu sein. Um dies zu überwinden, setzten Lee und sein Team auf "Nanoblades" - sie sind nur 80 nm dick, aber mehr als achtmal so breit. Das ist zwar immer noch viel dünner als ein Blatt Papier, aber es ist kompatibel mit den Regeln der Chipherstellung.

Studien-Co-Autor Hal Edwards, TI Fellow bei Texas Instruments, entwarf und überwachte die Herstellung des Prototyps. Er wandte sich dann an Lee und UT Dallas, damit die Eigenschaften des Elementes weiter untersucht werden konnten.

"Ein Art 'Tieftauchen' für diese neuartigen Messungen, Detailanalysen und Literaturvergleiche erfordert eine Universitätsgruppe", sagte Edwards. "Die Analyse von Professor Lee identifizierte Schlüsselkennzahlen, mit denen unsere kostengünstige Siliziumtechnologie im Wettbewerb mit exotischeren Verbindungshalbleitern vorteilhaft steht."

Lee erklärte, dass die Form der Nanoblades im Vergleich zum Nanodraht einen gewissen Teil der thermoelektrischen Fähigkeit verliert. "Allerdings kann die Verwendung von vielen auf einmal etwa so viel Leistung erzeugen wie die besten exotischen Materialien - bei gleicher Fläche und Temperaturdifferenz", sagte er.

Die Schaltungsdesignlösung des Teams war eine Kombination aus Verständnis der Nanophysik mit technischen Prinzipien. Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass einige frühere Versuche fehlschlugen, weil man zu viel Material verwendete.

"Wenn man zu viel Silizium verwendet, sinkt der Temperaturunterschied, der die Erzeugung speist," sagte Lee. "Wird zu viel Abwärme genutzt, und wenn dann das Heiß-zu-Kalt-Verhältnis sinkt, kann man nicht so viel thermoelektrische Energie erzeugen."

"Es gibt einen 'Sweet-Spot', dem wir mit den Nanoblades viel näher kommen als mit jedem anderen Verfahren. Die Änderung in Form von Silizium hat die Situation verändert", fügte er hinzu.

Lee ist der Meinung, dass die fortschrittliche Siliziumfertigungstechnologie von Texas Instruments eine effiziente und kostengünstige Herstellung einer großen Anzahl von Elementen ermöglicht.

"Man kann mit einer 40 %-igen Reduzierung der thermoelektrischen Fähigkeit im Vergleich zu exotischen Materialien leben, weil die Kosten pro Watt erheblich sinken. Die Marginalkosten sind um den Faktor 100 niedriger."

Gangyi Hu, der an der UT Dallas in Physik promovierte, ist der Hauptautor der Studie. Er erstellte die Computermodellierung, um die Anzahl der Nanoblades pro Flächeneinheit zu bestimmen, die die meiste Energie produziert, ohne dass sich die Temperaturdifferenz senkt.

"Wir haben die Konfiguration unserer Elemente optimiert, um sie zu den effizientesten thermoelektrischen Generatoren der Welt zu zählen", sagte Hu. "Weil es aus Silizium ist, bleibt es kostengünstig, ist einfach zu installieren, ist wartungsfrei, langlebig und möglicherweise biologisch abbaubar."

"Wir wollen diese Technologie mit einem Mikroprozessor, mit einem Sensor auf dem gleichen Chip, mit einem Verstärker oder Radio und so weiter integrieren. Unsere Arbeit wurde im Rahmen eines vollständigen Regelwerks geleistet, das alles regelt, was die Serienproduktion von Chips betrifft", sagte Lee.

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