Leistungselektronik aus Diamant für grüne Energie

Leistungselektronik aus Diamant für grüne Energie
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Strom aus erneuerbaren Energien kann mit Hilfe von Diamant zukünftig noch effizienter genutzt werden.

Strom aus erneuerbaren Energien muss oft über weite Strecken hinweg transportiert werden – beispielsweise von Windkraftanlagen an der Küste bis zum Alpenvorland. Die derzeit dafür eingesetzte Leistungselektronik stößt bei der Übertragung hoher Frequenzen an ihre Grenzen und verursacht erhebliche Energieverluste. Das Fraunhofer IAF forscht daher an neuartigen elektronischen Bauteilen aus Diamant: Dieser könnte zukünftig aufgrund seiner überlegenen physikalischen Eigenschaften dazu beitragen, die Energieverluste zu reduzieren, elektronische Netzwerke intelligent und flexibel zu steuern und somit Smart-Grid-Technologien auf dem Markt zu etablieren.

Überall dort, wo elektrische Energie erzeugt, übertragen oder eingesetzt wird, spielen leistungselektronische Bauteile eine Rolle. Letztlich stecken sie in fast allen elektronischen Geräten, Netzteilen, Fahrzeugen und auch in unserem Stromnetz. Dort werden sie beispielsweise benötigt, um die Vernetzung der Leitungen zu steuern und so Energie über Hochspannungsleitungen zu verteilen. Die aktuell verwendeten Silizium-basierten Bauelemente können nur limitierte Spannungsamplituden schalten und sind durch eine hohe Verlustleistung gekennzeichnet, die zu einer starken Erwärmung der Bauteile führt. Am Fraunhofer IAF wird deshalb an der nächsten Generation von Leistungsbauelementen geforscht. Hierfür ist Diamant ein vielversprechendes neues Material.

Diamant-basierte Leistungselektronik reduziert Energieverluste

Die Bandlücke eines Materials spielt eine wichtige Rolle bei der Effizienz von Leistungsbauelementen. Diamant mit 5.47 eV ist anderen Halbleitermaterialien überlegen: Die Kombination aus großer Bandlücke mit höchster Wärmeleitfähigkeit, hohen Elektronen- und Löcherbeweglichkeiten, sowie hoher Durchbruchfeldstärke und Strahlungshärte verspricht besonders effiziente und robuste leistungselektronische Bauteile. Diamant kann sowohl mit Bor, als auch mit Phosphor dotiert werden, was die Herstellung von Dioden und Transistorstrukturen für Anwendungen unter anspruchsvollen und extremen Bedingungen ermöglicht. Diamant-basierte Bauteile werden daher zukünftig dort eingesetzt werden, wo bisherige Komponenten auf Basis von Silizium, Silizium-Carbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) an ihre Grenzen stoßen. Damit werden ganz neue Möglichkeiten für die Übertragung und Verteilung von Energie mit weniger Verlustleistung und gesteigerter Effizienz eröffnet.

Europaweite Zusammenarbeit im Projekt »Green Diamond«

Im kürzlich gestarteten Forschungs- und Entwicklungsprojekt »Green Electronics with Diamond Power Devices (Green Diamond)« der Europäische Union arbeiten 13 Partner aus Europa mit dem Fraunhofer IAF zusammen daran, Diamant für Leistungselektronik-Anwendungen nutzbar zu machen. Die Europäische Union finanziert die Forschung mit über drei Millionen Euro in den nächsten vier Jahren. Die Ziele des Projekts sind die Herstellung eines MOS-FET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) aus Diamant, der im Vergleich mit existierenden Halbleitertechnologien überzeugen kann und die Entwicklung des ersten Leistungswandlers auf Basis von Diamant erlauben wird. Am Fraunhofer IAF werden dazu defektreduzierte ultra-reine Diamantschichten abgeschieden, die Oberfläche der Diamanten optimiert und dreidimensionales Wachstum zur lokalen Phosphordotierung des Diamanten durchgeführt.