Więcej energii, mniejsze emisje: bardziej ekologiczne urządzenia energetyczne
Energoelektronika stoi za wieloma ważnymi innowacjami, które będą odgrywać kluczową rolę w ekologicznej transformacji Europy. Używane do przekształcania energii urządzenia energoelektroniczne znajdują wiele ekologicznych zastosowań – od pojazdów elektrycznych po systemy paneli słonecznych. Projektowanie nowych materiałów umożliwia poprawę wydajności i zrównoważonego charakteru tych technologii. Sześcienny węglik krzemu (3C-SiC) to półprzewodnik wykazujący wysoki potencjał w zakresie zwiększania energooszczędności urządzeń wykorzystujących napięcie rzędu 100 do 1 200 V. Zespół finansowanego przez UE projektu CHALLENGE (3C-SiC Hetero-epitaxiALLy grown on silicon compliancE substrates and 3C-SiC substrates for sustaiNable wide-band-Gap powEr devices) postanowił uczynić decydujący krok w stronę wprowadzenia tego rozwiązania na rynek. „Opracowaliśmy nową technologię wytwarzania dużych płytek 3C-SiC, która może być dalej rozwijana w przyszłości, by znaleźć zastosowanie w produkcji materiałów wykorzystywanych w urządzeniach elektroenergetycznych”, wyjaśnia Francesco La Via, dyrektor ds. badań w Instytucie Mikroelektroniki i Mikrosystemów Włoskiej Krajowej Rady ds. Badań Naukowych, będącym gospodarzem projektu.
Lepsza wydajność
Płytki powstają w procesie zwanym heteroepitaksją, który polega na wzroście jednego rodzaju kryształu na powierzchni innego rodzaju, w tym przypadku podłożu krzemowym. Zespół projektu zbadał techniki heteroepitaksjalne oraz ustalił przyczynę defektów pojawiających się na krystalicznej strukturze i ocenił ich wpływ na wydajność. Naukowcom udało się pokonać szereg przeszkód technologicznych, które wcześniej nie pozwalały na wzrost 3C-SiC na większą skalę, a także zmniejszyć liczbę defektów, znacznie poprawiając osiągi i podnosząc niezawodność i materiałów. Dzięki opracowaniu procesu redukcji stresu termicznego zespół projektu CHALLENGE był w stanie wytworzyć warstwy 3C-SiC o grubości do 300 mikronów. „Nigdy wcześniej nie udało się wytworzyć tak grubej warstwy tego materiału, ponieważ pękał on pod wpływem dużego stresu termicznego”, mówi La Via.
Ekologiczne zastosowania
Najważniejszą wartością dodaną tego nowego procesu jest połączenie niskich kosztów produkcji i wysokiej efektywności energetycznej. Wiele z rozwiązań opracowanych w ramach projektu CHALLENGE znalazło zastosowanie w pojazdach elektrycznych i inwerterach solarnych, które konwertują energię z paneli słonecznych, aby mogła zostać przesłana do sieci. „W obu przypadkach wprowadzenie technologii 3C-SiC przyczyni się do znacznej redukcji dyssypacji energii, przynosząc znaczące korzyści dla środowiska”, zauważa La Via. Samochody elektryczne zyskają także większą autonomię, ponieważ rozwiązanie to umożliwi wydłużenie zasięgu na jednym ładowaniu. Jak informuje La Via, wdrożenie tej technologii na wielką skalę może znacząco wspomóc wysiłki na rzecz przeciwdziałania zmianie klimatu. „Wprowadzenie 3C-SiC na rynek urządzeń energoelektronicznych może przyczynić się do redukcji emisji dwutlenku węgla nawet o 6 milionów ton rocznie”. Skuteczna komercjalizacja tego rozwiązania wymaga jednak przeprowadzenia dodatkowych badań, które powinny skupiać się na dalszej, wielopoziomowej poprawie jakości materiału, w tym gęstości defektów i tolerancji na stres termiczny, oraz określeniu wymagań dotyczących budowy wydajnych urządzeń. Zespół zaangażowany w realizację projektu CHALLENGE pracuje teraz nad dalszymi inicjatywami, aby przekuć wyniki swoich prac w namacalny postęp.
Słowa kluczowe
CHALLENGE, sześcienny węglik krzemu, 3C-SiC, heteroepitaksja, samochody elektryczne, inwertery solarne, urządzenia energoelektroniczne, transformacja ekologiczna
