Kiselkarbid öppnar för energibesparingar

Kiselkarbid är hårt som diamant och har jämfört med vanligt kisel mindre strömförluster och klarar mycket höga temperaturer och spänningar.

Redan idag tillverkas kiselkarbid av några få företag, men produktionssättet har hittills inneburit att materialet dragits med ojämn kvalitet, stora delar av produktionen har inte klarat kraven och fått gå till spillo, vilket också gjort materialet dyrt att köpa.

Gas istället för fast

Forskare vid Linköpings universitet har tillsammans med ABB och finska materialkoncernen Okmetic forskat fram en ny tillverkningsmetod, High Temperature Chemical Vapor Deposition, HTCVD. Metoden bygger på att man använder gas istället för fast material vid produktion av kristallerna, något som ska leda till att materialets kvalitet bli jämnare och till att det därmed kan börja användas i helt nya komponenter, främst inom kraftelektronik.

– Vårt genombrott kan leda till ett paradigmskifte inom elektronikområdet. Nu kan kiselkarbid på allvar bli ett basmaterial inom elektronik, säger Erik Janzén, som lett forskningsarbetet vid Linköpings universitet.

Materialets potential

Halvkedarkomponenter av kiselkarbid tål höga spänningar, frekvenser och temperaturer och kan därför med fördel användas i elektriska applikationer som mobilbasstationer, dcd-konverterare och högtemperatursensorer. Ett av materialets främsta fördelar är att det är energieffektivt. Energiteknik som är beroende av en effektiv omvandling mellan lik- och växelström blir effektivare när kiselkarbid används i halvledarkomponenterna, vilket innebär att energiförlusterna vid omvandling och överföringar i eldistributionsnätet minskar. Exempelvis gäller det vindkraftverk och solceller där man inte alltid kan räkna med en jämn produktion av ström då vinden kan mojna eller solen gå i moln.

– Att använda kiselkarbid i kraftelektronik skulle leda till stora energivinster och till att behovet av energi minskade rejält, säger Asko Vehanen. Han är vd för det nybildade företaget Norstel i Norrköping som ska ha metoden i fullskalig produktion om cirka ett år och hänvisar bland annat till franska företaget Areva som menar att kiselkarbiden skulle kunna ge energieffektiviseringar för motsvarande 40 miljarder kronor per år i ett globalt perspektiv.

Även förbränningseffektiviteten i elmotorer och hybridbilar skulle kunna öka genom att kiselkarbid användes i dcd-konverteraren för att styra spänningen i elmotorn.

Inte ensam

Men Norstel är inte ensamma på marknaden, största konkurrenten är amerikanska Cree som har cirka 90 procent av världsmarknaden. Däremot använder Cree själva en mycket stor del av sin produktion till egen tillverkning av lysdioder. Sedan finns det ytterligare cirka tio mindre grupper och forskningsinstitut som försöker utveckla kiselkarbid, men bara få av dem har fattat beslut om att industrialisera, enligt Asko Vehanen.

– Alla, inklusive Cree använder sublimationsmetoden, det vill säga fast material istället för gas vilket ger en ojämnare kvalitet. Jag tror att vi kommer ha en konkurrensfördel på grund av vår industriella kontroll, konstaterar han.

Om detta kommer att leda till att Norstel pressar priserna på materialet vill Asko Vehanen inte uttala sig om i dagsläget. Ett sådant beslut måste vänta till volymerna gått upp.

– Men flaskhalsen är inte priset utan tillgängligheten av material med hög kvalitet, konstaterar Asko Vehanen.

Fakta//: Om tekniken

Sublimationsmetoden är den metod som idag används för att tillverka kristaller av kiselkarbid. Genom metoden förångas ett pulver som innehåller kol och kisel vid en temperatur som är högre än 2000 grader celsius. Ångan kristalliseras sedan till kiselkarbid på en frökristall. Dilemmat är främst att tillväxtprocessen är svår att kontrollera, vilket gör att kvaliteten på materialet varierar. Det innebär också att materialet är kostsamt att tillverka.

HTCVD-metoden som forskarna i Linköping tagit fram använder gas istället för pulver som råmaterial för att tillverka kiselkarbid. Man pumpar in ett kontinuerligt flöde av kisel- och kolhaltiga gaser i en kristallugn som är ca 2 000 grader varm och kislet och kolet kristalliseras när gasflödet når frökristallen. Genom att öka gasflödet kan man få kristallerna att växa snabbt. Den växande kristallen roterar i ugnen och tas ut kontinuerligt med samma hastighet som den växer. Det viktiga är dock att gasflödet är konstant under tillväxtprocessen för att kvaliteten ska bli jämn.