Hoe stop je meer vermogen in een elektrische auto?

Het antwoord kan zijn elektronische transistors gemaakt van galliumoxide, waardoor autofabrikanten de energie-output kunnen verhogen terwijl voertuigen lichtgewicht en gestroomlijnd in ontwerp blijven.

Een recente vooruitgang - gerapporteerd in het septembernummer van het tijdschrift IEEE Electron Device Letters — illustreert hoe deze evoluerende technologie een sleutelrol zou kunnen spelen bij het verbeteren van elektrische voertuigen; zonne-energie en andere vormen van duurzame energie.

"Om deze technologieën vooruit te helpen, we hebben nieuwe elektrische componenten nodig met grotere en efficiëntere vermogensverwerkingscapaciteiten, ", zegt de hoofdauteur van de studie, Uttam Singisetti, doctoraat, universitair hoofddocent elektrotechniek aan de UB's School of Engineering and Applied Sciences. "Galliumoxide opent nieuwe mogelijkheden die we met bestaande halfgeleiders niet kunnen bereiken."

Het meest gebruikte halfgeleidende materiaal is silicium. Voor jaren, wetenschappers hebben erop vertrouwd om grotere hoeveelheden stroom in elektronische apparaten te manipuleren. Maar wetenschappers hebben bijna geen manieren meer om silicium als halfgeleider te maximaliseren, daarom onderzoeken ze andere materialen zoals siliciumcarbide, galliumnitride en galliumoxide.

Hoewel galliumoxide een slechte thermische geleidbaarheid heeft, de bandgap (ongeveer 4,8 elektronvolt) overschrijdt die van siliciumcarbide (ongeveer 3,4 elektronvolt), galliumnitride (ongeveer 3,3 elektronvolt) en silicium (1,1 elektronvolt).

Bandgap meet hoeveel energie er nodig is om een ​​elektron in een geleidende toestand te brengen. Systemen gemaakt van materiaal met een hoge bandgap kunnen dunner zijn, lichter en kunnen meer vermogen aan dan systemen die bestaan ​​uit materialen met lagere bandgaps. Ook, hoge bandgap maakt het mogelijk om deze systemen bij hogere temperaturen te laten werken, vermindering van de behoefte aan omvangrijke koelsystemen.

Singisetti en zijn studenten (Ke Zeng en Abhishek Vaidya) maakten een metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistor (MOSFET) van galliumoxide van 5 micrometer breed. Een vel papier is ongeveer 100 micrometer breed.

De transistor heeft een doorslagspanning van 1, 850 volt, wat het record voor een galliumoxide-halfgeleider meer dan verdubbelt, zeggen de onderzoekers. Doorslagspanning is de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om een ​​materiaal te transformeren (in dit geval galliumoxide) van een isolator naar een geleider. Hoe hoger de doorslagspanning, hoe meer vermogen het apparaat aankan.

Vanwege de relatief grote omvang van de transistor, het is niet ideaal voor smartphones en andere kleine gadgets, zegt Singisetti. Maar het kan nuttig zijn voor het reguleren van de energiestroom in grootschalige operaties zoals elektriciteitscentrales die zonne- en windenergie oogsten, evenals elektrische voertuigen, waaronder auto's, treinen en vliegtuigen.

"We hebben de vermogensverwerking van transistors verbeterd door meer silicium toe te voegen. Helaas, dat voegt meer gewicht toe, waardoor de efficiëntie van deze apparaten afneemt, "zegt Singisetti. "Galliumoxide kan ons in staat stellen om te bereiken, en uiteindelijk overtreffen, op silicium gebaseerde apparaten terwijl er minder materialen worden gebruikt. Dat zou kunnen leiden tot lichtere en zuinigere elektrische voertuigen."

Om dat te laten gebeuren, echter, een paar uitdagingen moeten worden aangepakt, hij zegt. Vooral, Op galliumoxide gebaseerde systemen moeten zo worden ontworpen dat ze de lage thermische geleidbaarheid van de materialen overwinnen.