Semiconduttore supremo: diamante industriale

Sep 12, 2023

Il diamante industriale è considerato il semiconduttore supremo per ridurre le perdite durante la trasmissione di potenza su lunghe distanze. Se oggi il silicio è il protagonista dei semiconduttori, nei decenni successivi il diamante potrebbe sostituirlo. Con capacità elettroniche e termiche superiori, questa sostituzione offre molte possibilità nella trasmissione di potenza, nella bionica o nell'aeronautica, se il suo costo diminuisce.

Una delle maggiori difficoltà delle tecnologie di transizione energetica è il loro costo elevato, soprattutto a causa dell’utilizzo di materiali e metalli rari. In questo contesto, l’utilizzo dei diamanti, materiale eccessivamente costoso, potrebbe essere considerato proibitivo. Questa però è l'opinione di Étienne Gheeraert, coordinatore del progetto europeo GreenDiamond.

Scopo del progetto: sostituire i semiconduttori a base di silicio di un convertitore, con un diamante, per ridurre le perdite di energia nella trasmissione di potenza dai parchi eolici offshore.

"L'idea del progetto europeo GreenDiamond è ridurre il più possibile le perdite energetiche", afferma Étienne Gheeraert. Per le applicazioni elettroniche di potenza, uno dei fattori più importanti è il campo di rottura del materiale. Nel caso del silicio equivale a 300.000 V/cm, che è piuttosto basso. Nel caso del diamante, invece, il campo di scarica è di 10 MV/cm.

Per resistere a una tensione di 1.000 V, un convertitore richiederebbe uno strato di 100 micron, il che comporta una resistenza significativa, rispetto a 1 micron del diamante. Con questo cambiamento, si stima che le perdite energetiche possano essere ridotte di quattro volte.

Elettromobilità

A una potenza equivalente, ma con dimensioni ridotte, il diamante apre nuove strade per applicazioni nella bionica e nei trasporti. Poiché il peso del materiale è il nemico numero 1 nella progettazione dei veicoli, questa sostituzione diventa molto interessante.

Se la riduzione del peso è coinvolta in volumi più piccoli di materiali, anche la resistenza alle alte temperature è un argomento importante in queste applicazioni. Oltre i 150°C le proprietà del silicio cambiano e non sono più ottimali. Il diamante può facilmente raggiungere i 300°C. Di conseguenza, laddove un convertitore di silicio richiede un sistema di raffreddamento complesso, il diamante offre soluzioni più semplici e facili. "Nel caso dell'elettrificazione degli aerei, possiamo immaginare il passaggio da un convertitore da 400 kg a 50 kg, il che rappresenterebbe un enorme guadagno", spiega Étienne Gheeraert.

In generale, i semiconduttori sono materiali, inorganici o organici, che hanno la capacità di controllare la propria funzionalità in relazione alla struttura chimica, alla temperatura, all'illuminazione e alla presenza di droganti. Il nome di semiconduttore deriva dal fatto che questi materiali hanno una conduttività elettrica intermedia tra quella di un metallo, come il rame, l'oro ecc. e un isolante, come il vetro. Hanno un gap energetico inferiore a 4eV (circa 1eV). Nella fisica dello stato solido esiste un divario energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione in cui gli stati elettronici sono proibiti. A differenza dei conduttori, gli elettroni in un semiconduttore devono ottenere energia (ad esempio dalle radiazioni ionizzanti) per attraversare la banda proibita e raggiungere la banda di conduzione. Le proprietà dei semiconduttori sono determinate dal divario energetico tra le bande di valenza e le bande di conduzione.

Il diamante è una forma solida dell'elemento carbonio con i suoi atomi disposti in una struttura cristallina chiamata diamante cubico. I diamanti sono anche ottimi isolanti elettrici, il che stranamente è allo stesso tempo utile e problematico per i dispositivi elettrici. Il diamante è un semiconduttore a banda larga (Egap = 5,47 eV) con un alto potenziale come materiale in molti dispositivi, compresi quelli elettronici. I rilevatori a diamante sono molto simili ai rilevatori al silicio, ma offrono vantaggi significativi, in particolare elevata durezza delle radiazioni e correnti di deriva molto basse.

Caratteristiche essenziali del diamante come materiale semiconduttore avanzato

Applicazioni dei convertitori di diamanti

Se l'efficienza di un buon convertitore al silicio è intorno al 97%, è possibile raggiungere il 99% con un convertitore al diamante. Questa differenza può sembrare piccola. Tuttavia, i vantaggi sono notevoli per alcune applicazioni specifiche, come la trasmissione di energia HVDC (corrente continua ad alta tensione) a lunga distanza, come nel caso dei parchi eolici offshore. Per portare 1 GW di potenza nel continente si risparmiano 20 MW!