Energiatehokkaampia muuntajia atomi kerrallaan

Millennium-teknologiapalkinto on tänä vuonna myönnetty IGBT-tehopuolijohdekomponentin kehittäjälle professori Bantval Jayant Baligalle. Hänen kehittämänsä komponentti on tehostanut sähköenergian käyttöä ja vähentänyt fossiilisten polttoaineiden tarvetta muun muassa tuotannon hintaa alentamalla niin paljon, että Forbes Magazine nimesi Baligan vuonna 2016 mieheksi, jolla on maailman suurin negatiivinen hiilijalanjälki.

Kun sähköä muutetaan suurilta jännitteiltä pienemmille, väliin tarvitaan kytkimiä ja muuntajia. Muunnettaessa sähkön tehosta saattaa hävitä kymmeniä prosentteja. Tilanne toistuu joka puolella yhteiskuntaa sähkölinjoista sähkölaitteisiin.

Kokeellisen materiaalifysiikan professori Filip Tuomisto kertoo, että uusilla puolijohdemateriaaleilla hävikin voisi puristaa vieläkin paljon pienemmäksi.

– Hävikki riippuu kytkimen materiaalin ominaisuuksista, ja usein hyvin pienistä epäpuhtauksista. Puhutaan materiaalin miljoonasosan pitoisuuksista, Tuomisto kertoo.

Toivottujen ja ei-toivottujen epäpuhtauksien vaikutuksia

Tuomiston tutkimusryhmä Helsingin yliopistossa on kehittänyt jo useamman vuoden äärimmäisen pienen hävikin puolijohdemateriaaleja vihreän elektroniikan tarpeisiin. Komponenttien materiaalista yritetään käytännössä tehdä mahdollisimman huonosti sähköä johtavaa, sillä kun komponentin sähkönjohtavuus vaikeutuu, myös hävikkiä syntyy vähemmän.

Erityisen lupaavilta vaikuttavat alumiinigalliumnitridi ja alumiinigalliumoksidi, joilla voisi korvata suurtehomuuntajissa ja -kytkimissä nykyisin käytettävän piin ja hiilen yhdisteen, piikarbidin.

Sähkönjohtavuuttakin muuntajissa ja kytkimissä tarvitaan, tietysti, mutta mahdollisimman vähän. Äärimmäisen pienikin määrä toivottua epäpuhtautta puolijohteen seassa aktivoi sen johtamaan sähköä. Oksidi- ja nitridiyhdisteiden seassa toivottu epäpuhtaus on pii.

Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratoriossa Tuomiston ryhmä selvittää, mikä olisi optimaalinen jakauma piitä näiden yhdisteiden sisällä. He pystyvät tutkimaan toivottujen ja ei-toivottujen epäpuhtauksien vaikutuksia atomi kerrallaan, esimerkiksi ampumalla piitä ja positroneja yhdisteen sekaan.

Lisätietoja

Professori Filip Tuomisto
Helsingin yliopisto, Kiihdytinlaboratorio
filip.tuomisto@helsinki.fi
p. 050 3841 799