VILLACH. Ein Europäisches Forscherteam entwickelte kompakte, kostengünstige Energiesparchips aus dem Halbleitermaterial Galliumnitrid. Das eröffnet eine neue Dimension der Energieeffizienz beim kabellosen Laden von Elektroautos, bei der Einspeisung erneuerbarer Energien ins Stromnetz und ermöglicht einen nachhaltigen 5G-Rollout. Die drängende Energiewende, die Reduktion von CO2-Emissionen und der steigende Energiebedarf sind fordernde Themen unserer Zeit. Die Effizienz ist dabei so wichtig wie noch nie. Energie effizient zu erzeugen, zu steuern und zu nutzen, ist ein entscheidender Hebel für die Digitalisierung und Dekarbonisierung. Intelligente Technologien und neue Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN) spielen hier eine Schlüsselrolle. GaN-Leistungshalbleiter bringen mehr Leistung auf kleinem Raum, sparen Energie und minimieren so den CO2-Fußabdruck.
Neue Energiesparchips
Im Forschungsprojekt „UltimateGaN“ hat sich ein Team aus Wissenschaft und Wirtschaft der Aufgabe gestellt, die Vorteile der GaN-Technologie für viele Anwendungen nutzbar zu machen. Die Ergebnisse sind wegweisend. Durch material- und prozesstechnische Weiterentwicklungen gelang es, effiziente und kompakte GaN-Energiesparchips auch in Zukunft zu global wettbewerbsfähigen Kosten bereitzustellen. Profitieren können davon viele Anwendungen – vom kabellosen Laden des E-Autos über die verlustarme, reibungslose Anbindung von Solarenergie ins Netz bis hin zum schnellen, kostengünstigen Ausbau von 5G-Netzen.
So konnte in puncto Energieeffizienz der entwickelte Prototyp für das kabellose Laden von E-Autos die Energie mit einem Effizienzgrad von 96% übertragen. Zum Vergleich: Am Markt verfügbare Systeme liefern aktuell Wirkungsgrade von maximal 93%. Eine Drei-Prozent-Verbesserung der Energieeffizienz bietet das Potenzial, bis 2030 eine Verringerung von circa 1,7 Megatonnen CO2 pro Jahr zu erreichen, das sind etwa so viel wie rund eine Mio. Autos mit Verbrennungsmotor ausstoßen.
Sabine Herlitschka, Vorstandsvorsitzende Infineon Technologies Austria AG: „Energieeffizienz ist weltweit eine der größten Ressourcen, um Energie zu sparen und CO2-Emissionen zu reduzieren. Leistungshalbleiter aus Galliumnitrid sind dabei echte Schrittmacher der Nachhaltigkeit. Die Ergebnisse zeigen, wie Forschung aus Europa die Energieeffizienz entscheidend voranbringt. Jeder Prozentpunkt zählt und ist ein Beitrag zum europäischen Green Deal. Infineon hat als globales Kompetenzzentrum für neue Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid dieses Projekt koordiniert und gemeinsam mit den Partnern entscheidende Weiterentwicklungen erreicht. Das ist die beste Basis für nachhaltige Innovationen ‘developed and made in Europe‘.“
GaN revolutioniert Energienutzung
In der Halbleitertechnologie kann der Rohstoff GaN, der als Nebenprodukt bei der Aluminiumherstellung anfällt, sein volles physikalisches Potenzial entfalten. GaN-Halbleiter sind hitzebeständiger, bringen mehr Leistung, wandeln Energie viel schneller und haben damit weniger Energieverluste. Durch die Energieeinsparungen kommt GaN auch der Umwelt zugute, da weniger Emissionen anfallen. Die Vorteile kommen bereits bei LED-Leuchten und bei Netzteilen in der Unterhaltungselektronik zum Tragen. Verglichen mit anderen Ladelösungen reduziert GaN hier die Energieverluste um 21%. Durch die Forschungen im Projekt „UltimateGaN“ werden leistungsstarke GaN-Chips jetzt auch für weitere Anwendungen nutzbar.
Forschung bringt mehr Effizienz im Design und Prozess
Im „UltimateGaN“ Projekt wurden leistungsstarke GaN-Schichten auf 200-Millimeter Silizium-Wafern realisiert und in verschiedenen Anwendungen getestet. In Kombination mit fortschrittlichen Metallisierungsverfahren, optimierten Aufbau- und Verbindungstechnologien sowie Designanpassungen gelang es, den gesamten GaN-Systemaufbau des GaN-Mikrochips zu verbessern und die Größe weiter zu verkleinern. Die technologischen Vorteile von GaN werden mit prozesstechnischen Verbesserungen im Fertigungsverfahren verknüpft.
Unterm Strich bedeutet das: Kleinere Bauformen bringen kleinere Gehäuse, weniger Material- und Ressourcenverbrauch, eine bessere Produktivität in der Herstellung und damit geringere Fertigungskosten. Am Ende profitieren davon viele Anwendungen weltweit, um Energie zu sparen und den CO2-Fußabdruck zu minimieren. Im Projekt wurden konkret drei Anwendungen adressiert: Smart Mobility, Smart Grid und 5G-Kommunikationsnetze.
Smart Mobility: Kabelloses Laden von E-Autos
GaN-Bauelemente sind gerade bei effizienzgetriebenen Anwendungen wie etwa beim Laden von E-Autos von großem Nutzen. Wenn dies dabei auch kabellos erfolgt, steigt gleichzeitig auch der Bedienkomfort. Das Forscherteam entwickelte dazu ein bidirektionales 3,6-kW-Batterieladegerät mit GaN-Leistungswandlern. Der Prototyp erzielte einen Effizienzgrad von bis zu 96%, was bisherige Wirkungsgrade von 90 bis 93% klar übertrifft. Die zugrundeliegende induktive Ladetechnik funktioniert auch bei Schnee und Eis und ist beispielsweise auch dort praktisch, wo sich Fahrzeuge oft aufhalten, z. B. beim Supermarkt oder bei Stadtparkplätzen.
Smart Grid: Integration erneuerbarer Energien
Großes Potenzial liegt auch bei Energien aus Sonne und Wind und deren Integration ins Stromnetz. Intelligente Leistungselektronik minimiert Energiewandlungsverluste und holt sozusagen mehr Strom heraus. Im Projekt wurde dazu ein modulares GaN-Wandlungskonzept für die Integration von Microgrids – also lokalen Teilnetzen aus Photovoltaik, Wind und Speichertechnologien – in das Smart Grid umgesetzt. Mehr als 3.000 Stunden Feldtests belegen, dass die GaN-Bauelemente beste Zuverlässigkeit bei gleichzeitig höchsten Wirkungsgraden von bis zu 98,4% aufweisen und damit die Energiewende entscheidend voranbringen. (hk)
