Forschung -

Wie packt man mehr Energie in ein Elektroauto?

Die Antwort können Transistoren aus Galliumoxid sein, mit denen die Automobilhersteller die Energieausbeute erhöhen und gleichzeitig die Fahrzeuge leichter und stromlinienförmiger gestalten könnten.

Ein neuer Fortschritt - berichtet in der Zeitschrift 'IEEE Electron Device Letters' - zeigt, wie diese sich entwickelnde Technologie eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung von Elektrofahrzeugen, der Solarenergie und anderen erneuerbaren Energien spielen könnte.

"Um diese Technologien voranzubringen, brauchen wir neue elektrische Komponenten mit höherer und effizienterer Belastbarkeit", sagte der Hauptautor der Studie, Dr. Uttam Singisetti, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik an der 'School of Engineering and Applied Sciences' der University at Buffalo. "Galliumoxid eröffnet neue Möglichkeiten, die wir mit bestehenden Halbleitern nicht erreichen können."

Das am weitesten verbreitete Halbleitermaterial ist Silizium. Seit Jahren verlassen sich Wissenschaftler darauf, dass sie immer größere Energiemengen in elektronischen Geräten manipulieren können. Doch den Wissenschaftlern gehen die Möglichkeiten zur Maximierung von Silizium als Halbleiter aus, weshalb sie auch andere Materialien wie Siliziumkarbid, Galliumnitrid und Galliumoxid erforschen.

Während Galliumoxid eine schlechte Wärmeleitfähigkeit hat, übertrifft seine Bandlücke (etwa 4,8 Elektronenvolt) die von Siliziumkarbid (etwa 3,4 Elektronenvolt), von Galliumnitrid (etwa 3,3 Elektronenvolt) und von Silizium (1,1 Elektronenvolt).

Die Bandlücke weist darauf hin, wie viel Energie benötigt wird, um ein Elektron in einen leitenden Zustand zu bringen. Systeme mit großer Bandlücke können dünner, leichter und leistungsfähiger sein als Systeme, die aus Materialien mit geringerem Bandabstand bestehen.

Die hohe Bandlücke ermöglicht auch den Betrieb dieser Systeme bei höheren Temperaturen, wodurch der Bedarf an sperrigen Kühlsystemen reduziert wird.

Singisetti und seine Studenten (Ke Zeng und Abhishek Vaidya) fertigten einen 5 µm breiten MOSFET aus Galliumoxid. Ein Blatt Papier ist etwa 100 µm Mikrometer dick.

Nach Angaben der Forscher hat der Transistor eine Durchbruchspannung von 1,85 V, was den Rekord von einen Galliumoxid-Halbleiter mehr als verdoppelt.

Die Durchbruchsspannung ist die Elektrizitätsmenge, die benötigt wird, um ein Material (in diesem Fall Galliumoxid) von einem Isolator in einen Leiter umzuwandeln. Je höher die Durchbruchspannung, desto mehr Leistung kann das Bauelement verarbeiten.

Wegen der relativ großen Größe des Transistors ist er für Smartphones und andere kleine Gadgets nicht ideal, sagt Singisetti. Aber der Transistor könnte dort nützlich sein, wo größere Energiemengen, wie zum Beispiel in Kraftwerken und Sonnen- und Windenergiesystemen, sowie in Elektrofahrzeugen wie Autos, Zügen und Flugzeugen, geregelt werden müssen.

"Wir haben die Belastbarkeit von Transistoren erhöht, indem wir mehr Silizium hinzugefügt haben. Das bringt leider mehr Gewicht mit sich, was die Effizienz dieser Komponenten verringert", sagte Singisetti.

"Galliumoxid kann es uns ermöglichen, mit siliziumbasierten Bauelementen gleichzuziehen und sie letztendlich zu übertreffen, während wir weniger Materialien verwenden. Das könnte zum Beispiel zu leichteren und sparsameren Elektrofahrzeugen führen."

Dazu müssen jedoch einige Herausforderungen angegangen werden, sagte er. Speziell müssen Systeme auf Galliumoxidbasis so ausgelegt sein, dass die geringe Wärmeleitfähigkeit dieses Materials überwunden wird.

Unterstützt wurde dieses Forschungsprojekt von der "National Science Foundation", dem "State University of New York's Materials and Advanced Manufacturing Network of Excellence" und dem "Institute for Research and Education in eNergy, Environment and Water" (RENEW) der University at Buffalo.

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