Halbleiter Galliumnitrid spart Energie in Elektro-Autos und Photovoltaik-Anlagen

Die elektronischen Bauteile seien effizienter, kleiner und benötigten weniger Kühlung als die vorherrschenden Silizium-Komponenten. Forscher des IAF haben nun einen Transistor auf Galliumnitrid-Basis entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern halbiere.

„Bei herkömmlichen Energiewandlern mit Silizium verursachen Kühlung und passive Bauelemente rund 40 Prozent der Systemkosten. Mit Galliumnitrid kann etwa die Hälfte der Kosten bei Herstellung der Bauteile sowie Energie im Betrieb eingespart werden“, erklärt Dr. Michael Schlechtweg, der das Forschungsprojekt koordiniert.

Mit moderner Leistungselektronik können 20 -35 Prozent Energie gespart werden
Bis 2035 wird der weltweite Bedarf an elektrischer Energie laut Prognosen der Internationalen Energieagentur (IAE) um 75 Prozent steigen. Um den wachsenden Verbrauch zu decken und gleichzeitig das Klima zu schützen, sind effiziente Systeme zur Erzeugung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie notwendig. Durch den Einsatz von moderner Leistungselektronik können Schätzungen zufolge zwischen 20 bis 35 Prozent Energie gespart werden.
Auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid haben Forscher des Fraunhofer IAF einen Transistor entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern um die Hälfte reduziere. Das elektronische Bauteil leite schneller und könne bei höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden. Dadurch benötige der Spannungswandler weniger Kühlung und sei kleiner und leichter als das weit verbreitete Pendant aus Silizium.

Gute Zukunftsaussichten für Galliumnitrid
Das Fraunhofer IAF arbeitet bei der Entwicklung der Spannungswandler unter anderem mit der Robert Bosch GmbH (Stuttgart) und der KACO new energy GmbH (Neckarsulm) zusammen. Momentan testen die beiden Industriepartner die neuen Bauteile für den Einsatz in Elektroautos und Solarstromanlagen. Sie sollen dem Markt der Elektro- und Hybridfahrzeuge neuen Antrieb geben, werden jedoch auch in fast allen elektronischen Geräten im Haushalt oder auch in Handys benötigt.
Noch befindet sich die Galliumnitrid-Technologie im Forschungsstadium. In einem Spannungswandler für PV-Anlagen habe der Transistor mit dem Halbleitermaterial bereits einen Wirkungsgrad von 97 Prozent erzielt. „Damit haben wir bewiesen, dass Galliumnitrid praxistauglich ist und einen wichtigen Beitrag zur Marktreife der Technologie geleistet“, so Projektleiter Dr. Patrick Waltereit. „Zukünftig werden wir bestimmt Wirkungsgrade von 99 Prozent und mehr erreichen“.

Silizium-Technologie stößt an ihre Grenzen
Mit Silizium-Technologie könne die Effizienz in der Leistungselektronik hingegen kaum mehr gesteigert werden. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften stoße das klassische Halbleitermaterial an seine Grenzen. Galliumnitrid hat einen größeren Bandabstand und ist härter als Silizium. Daher könnten die elektronischen Bauelemente bei höheren Spannungen und Temperaturen betrieben werden: Die Leistung der Spannungswandler steigt, der Kühlaufwand sinkt. Da die Elektronen in Galliumnitrid sehr beweglich sind, könne der Transistor schneller schalten. Volumen und Gewicht der Spannungswandler seien deutlich geringer als bei Silizium-Komponenten.
Das Projekt „PowerGaNPlus“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit knapp 2,8 Millionen Euro gefördert.

12.09.2012 | Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, idw | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH