Fraunhofer IMS Winzige Solarzellen direkt auf einem Siliziumchip

Die Solarzelle sitzt direkt auf dem Siliziumchip des Sensormoduls.
Die Solarzelle sitzt direkt auf dem Siliziumchip des Sensormoduls.

Geht es nach den Forschern des Fraunhofer IMS, könnten winzige Solarzellen, die direkt auf einen Siliziumchip aufgebracht werden, zukünftig drahtlose Sensornetze effizient und zuverlässig mit Strom versorgen. Doch das Integrieren einer Mini-Solarzelle auf einem ASIC ist alles andere als trivial.

Ein Knackpunkt bei drahtlosen Sensornetzwerken ist nach wie vor die Energieversorgung der einzelnen Sensormodule. Angesichts der aufwendigen Installation gilt eine Verkabelung heute kaum noch als Option. Zudem ist es bei vielen Anwendungen entscheidend, dass sich das Sensornetzwerk unauffällig in die Umgebung integrieren lässt und die Ästhetik nicht beeinträchtigt – etwa bei Systemen zur Regelung der Fensterstellung als Teil eines »intelligenten« Gebäudemanagements. Beim Betrieb mit Batterien stören zwar keine lästigen Kabel mehr – nicht zu unterschätzen ist hier allerdings der Wartungsaufwand durch die regelmäßig nötigen Batteriewechsel, gerade bei großen Netzwerken.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS haben jetzt gemeinsam mit der Firma Sol Chip eine Alternative entwickelt und nutzen Sonnenlicht für die Energieversorgung. »Wir bringen mittels spezieller Prozessschritte eine Mini-Solarzelle direkt auf den Siliziumchip eines Sensormoduls auf«, erklärt Dr. Andreas Goehlich, der das Projekt auf IMS-Seite leitet.

Das klingt einfacher, als es ist. Denn die ASICs (Application Specific Integrated Circuits) auf dem Siliziumchip dürfen durch nachfolgende Prozessschritte nicht beschädigt werden. ASICs sind anwendungsspezifische mikroelektronische Schaltkreise – quasi das »Gehirn« des Sensormoduls –und ermöglichen erst dessen spezifische Funktionen. Sie werden in mehreren Bearbeitungsschritten, etwa Ionenimplantationen, Oxidation oder Metallabscheidungen, auf einem Stück Silizium gefertigt. »Die Strukturen von ASICs sind sehr empfindlich, das macht die nachfolgende Bearbeitung so heikel«, erläutert Goehlich. »Wir nutzen daher eine speziell entwickelte ›sanfte‹ Prozesstechnologie, die sich bereits bei unterschiedlichsten ASICs bewährt hat«.

Derzeit steht bei den Entwicklungsarbeiten vor allem die Anwendung in der Landwirtschaft im Fokus. Als »Smart Dust« könnten drahtlose, energieautarke Sensornetzwerke beispielsweise großflächig auf Anbauflächen verteilt werden. »Bildlich gesprochen werden die Sensorknoten einfach auf dem Feld ausgestreut«, erläutert Goehlich. Die kleinen »intelligenten« Helfer messen etwa die Bodenfeuchtigkeit oder die Sonneneinstrahlung und senden die Daten an eine zentrale Schnittstelle. Der Landwirt kann dann anhand der Messergebnisse beispielsweise die Bewässerung anpassen oder sogar den zu erwartenden Ernteertrag ableiten. Die Technologie ist einsatzbereit – Sol Chip kümmert sich nun um die Vermarktung.