Come si carica più potenza in un'auto elettrica?

La risposta potrebbe essere transistor elettronici fatti di ossido di gallio, che potrebbe consentire alle case automobilistiche di aumentare la produzione di energia mantenendo i veicoli leggeri e dal design snello.

Un recente progresso—riportato nel numero di settembre della rivista Lettere del dispositivo elettronico IEEE —illustra come questa tecnologia in evoluzione potrebbe svolgere un ruolo chiave nel miglioramento dei veicoli elettrici, energia solare e altre forme di energia rinnovabile.

"Per far progredire queste tecnologie, abbiamo bisogno di nuovi componenti elettrici con capacità di gestione della potenza maggiori e più efficienti, " dice l'autore principale dello studio Uttam Singisetti, dottorato di ricerca, professore associato di ingegneria elettrica presso la School of Engineering and Applied Sciences di UB. "L'ossido di gallio apre nuove possibilità che non possiamo raggiungere con i semiconduttori esistenti".

Il materiale semiconduttore più utilizzato è il silicio. Per anni, gli scienziati hanno fatto affidamento su di esso per manipolare maggiori quantità di energia nei dispositivi elettronici. Ma gli scienziati stanno esaurendo i modi per massimizzare il silicio come semiconduttore, ecco perché stanno esplorando altri materiali come il carburo di silicio, nitruro di gallio e ossido di gallio.

Mentre l'ossido di gallio ha una scarsa conduttività termica, il suo bandgap (circa 4,8 elettronvolt) supera quello del carburo di silicio (circa 3,4 elettronvolt), nitruro di gallio (circa 3,3 elettronvolt) e silicio (1,1 elettronvolt).

Bandgap misura quanta energia è necessaria per portare un elettrone in uno stato di conduzione. I sistemi realizzati con materiale ad alto bandgap possono essere più sottili, più leggeri e gestiscono più potenza rispetto ai sistemi costituiti da materiali con bandgap inferiori. Anche, l'elevata banda proibita consente di far funzionare questi sistemi a temperature più elevate, riducendo la necessità di ingombranti sistemi di raffreddamento.

Singisetti ei suoi studenti (Ke Zeng e Abhishek Vaidya) hanno fabbricato un transistor a effetto di campo (MOSFET) a semiconduttore e ossido di metallo fatto di ossido di gallio largo 5 micrometri. Un foglio di carta è largo circa 100 micrometri.

Il transistor ha una tensione di rottura di 1, 850 volt, che più che raddoppia il record per un semiconduttore di ossido di gallio, dicono i ricercatori. La tensione di rottura è la quantità di elettricità necessaria per trasformare un materiale (in questo caso, ossido di gallio) da isolante a conduttore. Maggiore è la tensione di rottura, maggiore è la potenza che il dispositivo può gestire.

A causa delle dimensioni relativamente grandi del transistor, non è l'ideale per smartphone e altri piccoli gadget, dice Singisetti. Ma potrebbe essere utile per regolare il flusso di energia in operazioni su larga scala come le centrali elettriche che raccolgono energia solare ed eolica, così come i veicoli elettrici comprese le auto, treni e aerei.

"Abbiamo potenziato le capacità di gestione dell'energia dei transistor aggiungendo più silicio. Sfortunatamente, che aggiunge più peso, che diminuisce l'efficienza di questi dispositivi, " dice Singisetti. "L'ossido di gallio può permetterci di raggiungere, ed eventualmente superare, dispositivi a base di silicio utilizzando meno materiali. Ciò potrebbe portare a veicoli elettrici più leggeri e più efficienti dal punto di vista dei consumi".

Perché ciò accada, però, alcune sfide devono essere affrontate, lui dice. In particolare, i sistemi a base di ossido di gallio devono essere progettati in modo da superare la bassa conduttività termica dei materiali.