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Energieeffiziente Leistungshalbleiter
Forscherteam mit innovativen Energiesparchips für Deutschen Zukunftspreis 2024 nominiert
Unter dem Motto „Power für die Energiewende – Große Antriebe elektrifizieren mit revolutionären Energiesparchips“ können drei Forscher auf den Deutschen Zukunftspreis 2024 hoffen. Grundstein für die neuartigen Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter legte das Forschungsprojekt MUSiCel. Die Preisverleihung durch den Bundespräsidenten findet Ende November statt.
Mit der Energiewende will Deutschland weg von fossilen Energieträgern. In vielen Fällen ist das Ziel, möglichst viele Prozesse sowie Mobilität zu elektrifizieren und auf elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen umzusteigen. Wichtig ist dabei, dass die elektrische Energie effizient übertragen und geregelt werden kann. So müssen Schalteinheiten – mit einem darin enthaltenen Chip aus Halbleitermaterial – entsprechend leistungsstark und zuverlässig sein. Diese Chips, die sogenannten Leistungshalbleiter, werden bislang vor allem aus Silizium gefertigt. Doch bei der Übertragung großer Ströme kommt das Material an seine Grenzen: Es wärmt sich auf, Energieverluste sind die Folge und zusätzlich wird eine Kühlung benötigt.
Neues Halbleitermaterial aus Siliziumkarbid reduziert Energieverluste
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Im Forschungsprojekt MUSiCel wollten Forschende dieses Problem anhand von Halbleitern für elektrische, leistungsstarke Land- und Baumaschinen lösen. Sie entwickelten und erprobten einen mobilen und kompakten Hochleistungs-Gleichstrom-Wandler auf Basis von Siliziumkarbid. Bei gleicher Baugröße kann ein Modul aus Siliziumkarbid deutlich höhere Stromflüsse transportieren und die Verluste, die bei jedem Schaltvorgang entstehen, fallen deutlich geringer aus. Das schnelle, verlustarme Schalten ermöglicht es außerdem, mit deutlich höherer Frequenz zu schalten und damit gewünschte Strom-Spannungs-Verläufe viel präziser zu erzeugen. Eine Herausforderung war jedoch die Fertigung der neuen Halbleiter: Siliziumkarbid ist sehr hart, was die Bearbeitung schwermacht. Zudem muss das Zusammenspiel mit weiteren Materialien der Module stimmen. Daran hat das Forschungsteam stetig bis zum Erfolg gearbeitet.
Das Forschungsprojekt MUSiCel hat wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung hervorgebracht. Auch knapp eineinhalb Jahre nach Projektabschluss arbeiten beteiligte Projektpartner weiter an der Umsetzung in die Praxis. Die Nominierung beim Deutschen Zukunftspreis 2024 ist für Konrad Schraml (Infineon Technologies), Thomas Basler (TU Chemnitz) und Caspar Leendertz (ebenfalls Infineon Technologies) ein großer Erfolg. Zudem stärkt dies die öffentliche Wahrnehmung der Innovation sowohl in Politik, Wissenschaft und breiter Öffentlichkeit als auch bei potenziellen Anwendern.
Anwendungsgebiete für Siliziumkarbid-Halbleiter sind insbesondere große Maschinen und Anlagen
Die Entwicklung der neuen Halbleiter ist für den hohen Leistungsbereich ein wichtiger Schritt, da bislang benötigte sehr große Stromrichter damit zukünftig viel kleiner ausfallen können. Das ist insbesondere dort entscheidend, wo Platz und Gewicht ein Thema sind. Perspektivisch können die Halbleiter vor allem für große Anlagen interessant sein: So ist etwa die Anwendung in elektrischen Zügen, Landmaschinen, elektrisch betriebenen Flugzeugen oder Windkraftanlagen denkbar. Insbesondere bei Windkraftanlagen sowie anderen Erneuerbare-Energien-Anlagen besteht großes Interesse, Schaltverluste zu reduzieren und somit möglichst viel von der erzeugten Energie ins Netz einzuspeisen. Durch die höhere Energieeffizienz des neuen Moduls kann das erreicht werden. Für die Anlagenbauer und Anwender ist wichtig zu wissen: Zwar sind die Siliziumkarbid-Halbleiter in der Herstellung aktuell noch teurer als herkömmliche Systeme, doch Systemkosten, Stromverbrauch und Kosten für Wartungsarbeiten können damit zukünftig gesenkt werden. Nach einer bestimmten Betriebsdauer ergibt sich also sowohl ein finanzieller als auch ein ökologischer Vorteil – zwei Aspekte, die für das Gelingen der Energiewende eine entscheidende Rolle spielen. (ln)
