Zonnecel en chip in één

Marianne Vincken

Een zonnecel aangebracht bovenop een chip kan voldoende energie leveren om die chip autonoom te laten functioneren. De productiestappen van de zonnecel brengen de werking van de onderliggende chip niet in gevaar.

Een zonnecel boven op een chip kan – ook binnenshuis – voldoende energie verzamelen om een zuinige chip te bekrachtigen. Tot nu toe was de vraag echter of zo’n chip normaal kan blijven functioneren; metaalionen van de zonnecelmaterialen die in de chip diffunderen en mechanische spanningen, ontstaan door de hogere procestemperaturen, zouden dat kunnen verhinderen. In een STW-project hebben halfgeleidertechnologen van het Mesa+ Instituut voor nanotechnologie van de Universiteit Twente samen met zonnecelonderzoekers van de universiteiten van Utrecht en Nankai (China) een succesvolle combinatie van beide technologieën laten zien.

 

De Twentse promovendus Jiwu Lu hield op 8 december tijdens de jaarlijkse IEDM (International Electron Devices Meeting) in San Francisco een voordracht over het onderwerp. ‘De efficiëntie van zonnecellen met als actieve laag amorf silicium of koperindiumgalliumselenide bovenop CMOS-chips – met kleinste details van 0,25 of 0,13 micrometer – is weliswaar wat lager dan wanneer ze op glas worden aangebracht, maar nog steeds voldoende, namelijk respectievelijk 5,2 procent en 7,1 procent’, zegt Lu. ‘Bovendien levert een dergelijke combinatie meer energie en is duurzamer dan bijvoorbeeld mems (Micro Electromechanical Systems), die energie uit trillingen halen. Een voordeel is ook dat er geen nieuwe technologie ontwikkeld hoeft te worden.’ Er waren meer voordrachten over het combineren van zonnecel- en halfgeleidertechnologie, maar Lu was de enige die resultaten van een werkende chip als bewijs kon laten zien.

 

De onderzoekers lieten zien dat het elektrische gedrag van transistoren en condensatoren op de chip niet significant verandert door op de boven- of de onderkant van de chip een zonnecel aan te brengen. De chips blijven normaal functioneren. Daarvoor moet de temperatuur van vooral het proces om de koperindiumgalliumselenide-cellen te maken wat lager zijn dan normaal. Dat veroorzaakt de geringere efficiëntie vergeleken met een zonnecel op glas. Een zonnecel op de bovenkant heeft het voordeel dat aansluitingen eenvoudiger zijn aan te brengen. De onderkant, die vlak is, levert een betere adhesie en minder mechanische spanningen op omdat de aangebrachte zonnecellagen uniformer zijn. Beide voordelen zijn te combineren door op de bovenkant van de chip een planarisatie- en adhesielaag aan te brengen.

 

Autonome chips kunnen zonder onderhoud jarenlang dienst doen bijvoorbeeld in sensornetwerken.