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Chalmers University of Technology

Mikro-Superkondensatoren CMOS-kompatibel fertigen

11. März 2022, 14:55 Uhr | Ralf Higgelke

50 mm breiter Silizium-Wafer mit integrierten Mikro-Superkondensatoren, der mit dem von den Forschern von Chalmers entwickelten CMOS-kompatiblen Prozess hergestellt wurde. Der Wafer kann auf einen Durchmesser von 8 Zoll vergrößert werden, um noch mehr Superkondensatoreinheiten unterzubringen.

Superkondensatoren sind oft so groß wie die Batterien, die sie puffern sollen. Für Hersteller von Smartphones bis hin zu Elektroautos ist das viel zu groß. Forscher der Chalmers University haben eine Methode entwickelt, Mikro-Superkondensatoren CMOS-kompatibel als System-on-Chip zu fertigen.

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Superkondensatoren können elektrische Energie speichern und haben im Vergleich zu normalen Batterien einige Vorteile. Dazu gehören eine viel schnellere Auf- und Entladung, eine effizientere Energieverteilung und eine viel längere Lebensdauer. Kombiniert man einen Superkondensator mit einer Batterie in einem elektrisch betriebenen Produkt, verlängert sich die Lebensdauer der Batterie um ein Vielfaches - bei gewerblich genutzten Elektrofahrzeugen bis zum Vierfachen. Ob bei elektronischen Geräten für den Privatgebrauch oder bei industriellen Technologien – die Vorteile für den Endverbraucher könnten enorm sein.

In der Praxis sind heutige Superkondensatoren jedoch zu groß für zahlreiche sinnvolle Anwendungen. Sie müssen etwa so groß sein wie die Batterie, an die sie angeschlossen sind. Dies ist ein Hindernis für ihre Integration in Mobiltelefone oder Elektroautos. Ein großer Teil der heutigen Forschung und Entwicklung von Superkondensatoren zielt daher darauf ab, sie erheblich zu verkleinern.

Agin Vyas, Doktorand am Fachbereich Mikrotechnik und Nanowissenschaften der Chalmers University of Technology und Hauptautor der Studie, hat mit seinen Kollegen Mikro-Superkondensatoren entwickelt. Diese sind so klein, dass sie auf die Systemschaltungen passen, die verschiedene Funktionen in Mobiltelefonen, Computern, Elektromotoren und fast allen elektronischen Geräten, die wir heute benutzen, steuern. Diese Lösung wird auch als SoC (System on Chip) bezeichnet.

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Eine der wichtigsten Herausforderungen bestand darin, die kleinsten Einheiten so herzustellen, dass sie mit anderen Komponenten in einem Systemschaltkreis kompatibel sind und sich leicht für verschiedene Anwendungsbereiche anpassen lassen. In der neuen Arbeit wird ein Fertigungsprozess vorgestellt, bei dem Mikro-Superkondensatoren in die gängigste Art der Herstellung von Systemschaltungen – bekannt als CMOS – integriert werden.

»Wir haben ein Verfahren verwendet, das als Spin-Coating bekannt ist, eine Basistechnologie in vielen Herstellungsprozessen«, erklärt Agin Vyas. »Dadurch können wir verschiedene Materialien für die Elektroden nutzen. Wir verwenden auch Alkylaminketten in reduziertem Graphenoxid, um zu zeigen, wie dies zu einer höheren Lade- und Speicherkapazität führt.«

Das Verfahren ist nach Aussage der Forscher skalierbar und würde zu niedrigeren Kosten für den Fertigungsprozess führen. Sie könnte einen Meilenstein auf dem Weg zur praktischen Anwendung von Mikro-Superkondensatoren sowohl in der Unterhaltungselektronik als auch in industriellen Anwendungen markieren.

Darüber hinaus wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Mikro-Superkondensatoren aus bis zu zehn verschiedenen Materialien in einem einheitlichen Prozess fertigen lassen. Dadurch lassen sich die Eigenschaften mühelos auf mehrere verschiedene Endanwendungen zuschneiden.

Originalpublikation

Vyas, A., et al., Alkyl-Amino Functionalized Reduced-Graphene-Oxide–heptadecan-9-amine-Based Spin-Coated Microsupercapacitors for On-Chip Low Power Electronics, Phys. Status Solidi B, 259: 2100304. https://doi.org/10.1002/pssb.202100304 (Abgerufen am 11.03.2022)