Deutscher Zukunftspreis - Power für die Energiewende

Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Energiewende ist, dass die elektrische Energie auf Basis erneuerbarer Energien wie Sonne oder Wind erzeugt wird und möglichst effizient geregelt und gesteuert werden kann. Dazu werden leistungsstarke und zuverlässige Schalteinheiten benötigt, sogenannte Stromrichter, die aus vielen elektronischen Bauteilen bestehen. Das Herzstück eines Stromrichters bildet ein Modul mit Chips aus einem Halbleitermaterial – der sogenannte Leistungshalbleiter, der den Strom schaltet.

Leistungshalbleiter werden üblicherweise aus Silizium gefertigt. Doch dieses Material hat seine Grenzen. Diese zu überwinden, hat sich das Team Dr. rer. nat. Konrad Schraml, Prof. Dr.-Ing. Thomas Basler und Dr. rer. nat. Casper Leendertz zur Aufgabe gemacht und ein völlig neues Halbleitermodul auf Siliziumkarbid-Basis entwickelt.

Die Hürden Zeit und Wärme überwinden

Die Steuerung von elektrischer Energie bedeutet nicht nur das einfache Ein- und Ausschalten, so wie wir einen Lichtschalter bedienen. Es geht vielmehr darum, dass die Stromstärke, die Spannung oder auch die Frequenz zielgerichtet variiert werden muss. Fahrzeuge zum Beispiel, ob auf der Straße oder der Schiene, müssen ihre Geschwindigkeit regulieren können, müssen beschleunigen und abbremsen können. Ein simples Ein- und Ausschalten des Energieflusses reicht nicht, hier wird eine Regelung benötigt.

Hierzu dienen die Leistungshalbleiter in den Stromrichtern, doch dazu müssen sie sehr häufig pro Zeiteinheit schalten, teilweise viele Tausend Mal in der Sekunde. Doch bei jedem dieser Schaltvorgänge kommt es zu Verlusten von elektrischer Energie, die dann als Wärme das Modul aufheizen. Die Folgen sind: Energie geht verloren und es wird eine aufwändige Kühlung benötigt, damit das Modul nicht zerstört wird.

Neues Material, andere Kühlung

Das Team konnte mit einem neuen Material für den Leistungshalbleiter Abhilfe schaffen: Siliziumkarbid statt Silizium. Elektrisch bietet dieses Material sehr viele Vorteile gegenüber reinem Silizium. So kann ein Modul aus diesem Material bei gleicher Baugröße deutlich höhere Stromflüsse verarbeiten.

Außerdem sind die Verluste, die bei jedem Schaltvorgang auftreten, wesentlich kleiner. Bei der Entwicklung zeigte sich, dass die Schaltverluste um 90 Prozent gesenkt werden konnten. Die Kühlung des Moduls wird dadurch leichter und billiger. Oft reicht schon eine einfache Luftkühlung statt einer aufwändigen Wasserkühlung.

Innovationen in Design und Prozessing

Allerdings hat das neue Material auch einen Haken. Siliziumkarbid ist sehr hart und spröde, und dehnt sich bei Aufwärmung stark aus. Aus dieser physikalischen Tatsache resultiert eine enorme Herausforderung: Im Modul muss der Strom zunächst zum Halbleiter hingeführt und auch wieder abgeführt werden.

Dieses Problem und die Frage der hohen Kosten von Siliziumkarbid konnte das Team aus dem Weg räumen. Es zahlreiche Innovationen beim Chipdesign und der Prozessierung hervorgebracht, sodass im Modul nur noch ein Bruchteil der bisher üblichen Chipfläche verbaut wird.