DE102012200989A1 - Dielektrisches Material zur Verwendung in elektrischen Energiespeichern - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem dielektrisches Material zur Verwendung in elektrischen Energiespeichern (10), das zumindest zwei Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) umfasst, die jeweils in einer elektrisch isolierenden Matrix (28) aus einem Material eingebettet sind, das eine größere Bandlücke aufweist als ein Material der Nanostrukturen (18, 20, 22, 24). Es wird vorgeschlagen, dass parallel zu einer Richtung (16) eines von außen anwendbaren elektrischen Feldes eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns von Ladungsträgern zwischen den zwei Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) eingestellt ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein dielektrisches Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen elektrischen Energiespeicher mit einem derartigen dielektrischen Material. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Die Speicherung von Energie ist ein zentrales technisches Problem, das für eine Vielfalt von Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, mobile Kommunikation, Laptops oder eine Zwischenspeicherung regenerativer Energien von hoher Bedeutung ist.
  • Die in einem elektrischen Feld eines Energiespeichers gespeicherte Energie Wel kann unter der Annahme eines linearen, isotropen Mediums mit einer relativen Permittivität εr in einem felderfüllten Volumen V des Energiespeichers durch folgenden Ausdruck (ε0: Permittivität des Vakuums) wiedergegeben werden: Wel = ½∫dVε0εr|E|2 wobei |E| den Betrag des elektrischen Feldes im Volumenelement dV darstellt.
  • Aktuelle Lösungen von elektrischen Energiespeichern weisen ein vergleichsweise hohes Verhältnis von Speicherdichte zu Eigengewicht (200–300 Wh/kg), allerdings auch geringe Lade- und Entladegeschwindigkeiten auf.
  • Dagegen zeichnen sich so genannte Super- oder Ultrakondensatoren („Supercaps”) durch sehr schnelle Lade- und Entladezeiten sowie eine deutlich höhere Lebensdauer aus. Die Speicherdichte liegt jedoch noch typischerweise eine Größenordnung unter jener von elektrochemischen Batterien.
  • Es wurde vorgeschlagen, Materialien mit einer hohen elektrischen Permittivität εr zur verbesserten Speicherung von elektrischer Energie zu verwenden. Ferner wurden Lösungen mit einer Vergrößerung einer effektiven Elektrodenfläche und einer Verwendung von Nanostrukturen, die in dielektrischen Schichten eingebettet sind, vorgeschlagen. Ein derartiger Energiespeicher ist beispielsweise in der Druckschrift US 2010/0183919 A1 beschrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein dielektrisches Material zur Verwendung in elektrischen Energiespeichern, das zumindest zwei Nanostrukturen umfasst, die jeweils in einer elektrisch isolierenden Matrix aus einem Material eingebettet sind, das eine größere Bandlücke aufweist als ein Material der Nanostrukturen.
  • Es wird vorgeschlagen, dass parallel zu einer Richtung eines von außen anwendbaren elektrischen Feldes eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns von Ladungsträgern zwischen den zwei Nanostrukturen eingestellt ist. In der Angabe einer ”parallelen Richtung” soll in diesem Zusammenhang insbesondere auch die entgegengesetzte, anti-parallele Richtung eingeschlossen sein.
  • Dadurch kann bei einer geeigneten Auslegung eine hohe Polarisierbarkeit des dielektrischen Materials bei einer gleichzeitig hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit; d. h. einer hohen maximalen elektrischen Feldstärke in einem elektrischen Energiespeicher, bereitgestellt werden. Beispielsweise können bei einem Einsatz des dielektrischen Materials in einem Kondensator die Vorteile einer Li-Ionenbatterie (hohe Energiespeicherdichte) mit denen eines Super- oder Ultrakondensators (schnelles Be- und Entladen, hohe Zyklisierbarkeit) vereint werden. Zusätzlich zeichnet sich das vorgeschlagene dielektrische Material durch eine niedrige Temperaturabhängigkeit aus.
  • Neben der Verwendung zur Energiespeicherung sind Kondensatoren mit dem vorgeschlagenen dielektrischem Material mit hoher elektrischer Durchschlagsfestigkeit auch gut geeignet für den Einsatz in Hochspannungsanwendungen, Anwendungen zur Spannungswandlung, insbesondere durch Gleichspannungswandler („Charge Pumps”), sowie weiteren Anwendungsfeldern wie Filteranwendungen, welche von hohen Spannungen bzw. Kapazitäten auf kleinem Raum profitieren.
  • Vorteilhaft können die Nanostrukturen von Quantentöpfen, Quantendrähten oder Quantenpunkten gebildet sein.
  • Zudem wird vorgeschlagen, dass das dielektrische Material eine Mehrzahl von Nanostrukturen aufweist, die in der Richtung des von außen anwendbaren elektrischen Feldes eine Nanostrukturkette bilden, wobei zwischen jeweils zwei in der Richtung des elektrischen Feldes benachbarten Nanostrukturen eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns der Ladungsträger zwischen den Nanostrukturen parallel zu der Richtung des elektrischen Feldes eingestellt ist. Da die angewandte Feldstärke auf eine Reihenschaltung der Mehrzahl der Nanostrukturen wirkt, kann bei einer geeigneten Auslegung eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit erzielt werden.
  • Wenn in der Richtung des von außen anlegbaren elektrischen Feldes zumindest drei in jeweils einer isolierenden Matrix eingebettete Nanostrukturen aufeinanderfolgend angeordnet sind, kann vorteilhaft eine besonders hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit erreicht werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Wahrscheinlichkeiten des Tunnelns der Ladungsträger zwischen den Nanostrukturen parallel zu der Richtung des elektrischen Feldes monoton ansteigend oder monoton abnehmend eingestellt sind. Dadurch kann ein vorzeitiges Sättigungsverhalten der Permittivität des dielektrischen Materials bei einer Erhöhung der von außen anwendbaren Feldstärke vermieden und eine erhöhte Speicherfähigkeit für elektrische Energie erzielt werden.
  • Dies ist in besonderem Maße dann der Fall, wenn die Wahrscheinlichkeiten eines Tunnelns der Ladungsträger zwischen den Nanostrukturen parallel zu der Richtung des elektrischen Feldes streng monoton ansteigend oder streng monoton abnehmend eingestellt sind. Unter ”streng monoton” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass eine erste Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns der Ladungsträger zwischen zwei in Richtung der anwendbaren Feldstärke benachbarten Nanostrukturen ungleich einer zweiten Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns der Ladungsträger zwischen zwei Nanostrukturen ist, von denen zumindest eine Nanostruktur von den erstgenannten Nanostrukturen unterscheidbar ist. Insbesondere kann durch ein streng monotones Ansteigen oder Abnehmen der Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns der Ladungsträger ein definiertes, reproduzierbares Tunneln der Ladungsträger erreicht werden.
  • Eine Einstellung der Wahrscheinlichkeiten des Tunnelns der Ladungsträger zwischen den Nanostrukturen parallel zu der Richtung des elektrischen Feldes kann erfolgen durch ein Anbringen von Trennschichten zwischen den Nanostrukturen mit unterschiedlicher Schichtdicke oder unterschiedlicher Materialzusammensetzung und/oder durch Nanostrukturen mit unterschiedlicher Ausdehnung oder unterschiedlicher Materialzusammensetzung. Die Einstellung der Wahrscheinlichkeiten kann auch aus einer Kombination dieser Parameter bestehen. Um zu einem makroskopischen dielektrischen Material zu gelangen, können Folgen von in einer elektrisch isolierenden Matrix eingebetteten Nanostrukturen wiederholt und ggf. von geeigneten Trennschichten separiert werden.
  • Zudem wird vorgeschlagen, dass zumindest eine der Nanostrukturen im Wesentlichen aus einem dotierten Halbleitermaterial besteht. Unter einer ”Dotierung” des Halbleitermaterials soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass das Halbleitermaterial in einer in der Halbleitertechnik üblichen Weise mit dem Fachmann als geeignet erscheinenden Dotierstoffatomen in einer Konzentration von weniger als 100 ppm versetzt wird. Als Halbleitermaterial kommen beispielsweise Silizium Si, Galliumarsenid GaAs, Germanium Ge, Siliziumkarbid SiC und Galliumnitrid GaN, aber auch andere, dem Fachmann sinnvoll erscheinende Materialein und Kombination davon, in Frage. Unter ”im Wesentlichen” soll in diesem Zusammenhang insbesondere verstanden werden, dass die Nanostruktur zu einem Anteil von vorteilhaft zumindest 70 atom-%, bevorzugt zumindest 80 atom-% und, besonders bevorzugt, zumindest 90 atom-% aus dem dotierten Halbleitermaterial besteht. Insbesondere kann die Nanostruktur aber auch vollständig aus dem dotierten Halbleitermaterial bestehen.
  • Der für eine hohe Permittivität notwendige, feldabhängige Dipol wird in diesem Fall von beweglichen Ladungsträgern der Dotierstoffatome und ionisierten Dotierstoffatomen gebildet und kann sich über verschiedene Nanostrukturen erstrecken, wodurch eine hohe Polarisierung erzielt werden kann. Beispielsweise können dies im Fall von dotierten Quantenpunkten Elektronen als Majoritätsladungsträger einer n-dotierten Nanostruktur und ionisierte, positiv geladene Dotierstoffatome sein. Im feldfreien Fall sind die frei beweglichen Elektronen und die ortsfesten Dotierstoffatome gleich verteilt, und das dielektrische Material ist dipolfrei. Bei einer Erhöhung der angewandten elektrischen Feldstärke beginnen Ladungsträger aus der Nanostruktur in eine benachbarte Struktur zu tunneln, wodurch in gewünschter Weise ein elektrischer Dipol ausgebildet ist.
  • Mit besonderem Vorteil besteht die isolierende Matrix im Wesentlichen aus einem Material, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliziumoxid SiO2, Aluminiumoxid Al2O3, Siliziumnitrid SiN, Siliziumkarbid SiC, Galliumnitrid GaN und einer beliebigen Kombination dieser Materialien gebildet, durch das sich in besonders einfacher und vielfältiger Weise eine isolierende Energiebarriere gegenüber dem Material der Nanostrukturen realisieren lässt. „Im Wesentlichen” soll in diesem Zusammenhang in gleicher Weise wie zuvor beschrieben verstanden werden.
  • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichers mit einem erfindungsgemäßen dielektrischen Material,
  • 2a–2c eine schematische Darstellung von energetischen Verhältnissen einer Nanostrukturkette aus vier Nanostrukturen, und
  • 3 eine theoretische Lade- und Entladekurve des Energiespeichers gemäß der 1.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichers 10 mit einem erfindungsgemäßen dielektrischen Material in einer seitlichen Schnittansicht. Das dielektrische Material ist zwischen zwei plattenförmigen, metallischen Elektroden 12, 14 angeordnet, die sich parallel zueinander und senkrecht zur Zeichenebene erstrecken. Zwischen den Elektroden 12, 14 ist durch Kontaktieren mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle eine Potentialdifferenz anlegbar, durch die im Wesentlichen zwischen den Elektroden 12, 14 ein von außen anwendbares elektrisches Feld erzeugbar ist, das eine Richtung 16 aufweist, die senkrecht zu parallelen Plattenebenen der Elektroden 12, 14 und gemäß üblicher Konvention von einem Ort höheren elektrischen Potentials auf einen Ort niedrigeren elektrischen Potentials gerichtet ist.
  • Das dielektrische Material umfasst eine Mehrzahl von Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 in acht Schichten 26, wobei die Schichten 26 jeweils eine von Quantenpunkten 30 aus Silizium-Clustern gebildete Nanostruktur 18, 20, 22, 24 aufweisen, die in einer elektrisch isolierenden Matrix 28 eingebettet ist. Die acht Schichten 26 sind in zwei identisch aufgebauten Stapeln 32, 34 zu je vier Schichten 26 in Richtung des von außen anlegbaren elektrischen Feldes übereinander angeordnet. Die Schichten 26 sind als rechteckförmige Platten ausgebildet und verlaufen parallel zu den Elektroden 12, 14. Die Quantenpunkte 30 sind in der Ebene der jeweiligen Schicht 26 in zwei nicht-parallelen Richtungen, die parallel zur Ebene ausgerichtet sind, in periodischen Abständen angeordnet (nicht dargestellt).
  • Die elektrisch isolierende Matrix 28 der acht Schichten 26 besteht im Wesentlichen, und zwar insbesondere vollständig, aus Siliziumoxid SiO2. Die Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 bestehen aus n-dotiertem Silizium. Die elektrisch isolierende Matrix 28 weist somit eine größere Bandlücke auf als das Material der Nanostrukturen 18, 20, 22, 24.
  • Zwischen den acht Schichten 26 sowie zwischen den Elektroden 12, 14 und der jeder Elektrode 12, 14 zugewandten Schicht 26 weist der elektrische Energiespeicher 10 jeweils eine als rechteckförmige Platte ausgebildete Trennschicht 40, 42, 44, 46, 48 auf, die aus Aluminiumoxid Al2O3 besteht. Dabei nimmt eine Schichtdicke der Trennschichten 42, 44, 46 in der Richtung des elektrischen Feldes ab. Zwischen zwei in der Richtung 16 des elektrischen Feldes aufeinanderfolgenden Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 ist eine Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns von Ladungsträgern, die von Elektronen gebildet sind, zwischen den zwei Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 eingestellt, die von Null verschieden ist. Die vier Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 jedes der beiden identisch aufgebauten Stapel 32, 34 bilden je eine Nanostrukturkette 36, 38, in der zwischen jeweils zwei in der Richtung 16 des elektrischen Feldes benachbarten Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns der Ladungsträger zwischen den Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 parallel zu der Richtung 16 des elektrischen Feldes eingestellt ist. Durch die in der Richtung 16 des elektrischen Feldes abnehmende Schichtdicke der Trennschichten 40, 42, 44, 46 steigen die Wahrscheinlichkeiten des Tunnelns der Ladungsträger zwischen den benachbarten Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 in der Richtung 16 des elektrischen Feldes monoton an.
  • Die zwischen den zwei identisch aufgebauten Stapeln 32, 34 zu je vier Schichten 26 angeordnete Trennschicht 48 ist in einer größten Schichtdicke ausgeführt, so dass zwischen den zwei Stapeln 32, 34 eine Energiebarriere 56 gebildet ist, die sehr viel größer ist als die von den anderen Trennschichten 40, 42, 44, 46 gebildeten Energiebarrieren 50, 52, 54, und eine Wahrscheinlichkeit des Tunnelns der Ladungsträger durch die Trennschicht 48 zwischen den beiden Stapeln 32, 34 für praktische Zwecke als Null angenommen werden kann.
  • Die Funktionsweise des dielektrischen Materials wird in den 2a bis 2c in schematischer Weise erläutert. Durch die Trennschicht 48 zwischen den beiden Stapeln 32, 34 mit je vier Nanostrukturen 18, 20, 22, 24, die kein Tunneln der Ladungsträger zwischen den Stapeln 32, 34 erlaubt, können die beiden Stapel 32, 34 hinsichtlich einer Darstellung in der 2 als unabhängig voneinander betrachtet werden.
  • Die 2a zeigt den Stapel 32 aus vier Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 in einer Darstellung der Energie in Abhängigkeit vom Ort in einem Zustand ohne ein von außen angewendetes elektrisches Feld. Erkennbar sind die einzelnen Nanostrukturen 18, 20, 22, 24 energetisch voneinander durch Energiebarrieren 50, 52, 54 getrennt, die in der Richtung 16 eines anwendbaren elektrischen Feldes abnehmen. In diesem feldfreien Fall sind die Elektronen und die Dotierstoffatome gleich verteilt. Das dielektrische Material ist nicht polarisiert und dipolfrei. Ein Grad der Polarisierung ist in den unteren Teilen der 2a–2c durch Positionen von Ladungsschwerpunkten angedeutet.
  • 2b zeigt das dielektrische Material in einem Zustand mit von außen angelegtem, relativ niedrigem elektrischem Feld in der Richtung 16. Durch das Anlegen des elektrischen Feldes werden die die Quantenpunkte 30 beinhaltenden Energiebänder verschoben. Die Verschiebung ermöglicht zunächst nur das Tunneln durch diejenige Energiebarriere 50 zwischen Quantenpunkten 30, die die geringste Höhe aufweist. Dadurch werden die ortsfesten und mobilen elektrischen Ladungen des ersten Quantenpunkts 30 getrennt, und das dielektrische Material ist in einem teilweise polarisierten Zustand.
  • 2c zeigt das dielektrische Material in einem Zustand, in dem das von außen angelegte elektrische Feld in der Richtung 16 eine maximale Polarisierung bewirkt und die beweglichen Ladungen im Wesentlichen vollständig zu dem energetisch am tiefsten liegenden Quantenpunkt 30 getunnelt sind.
  • 3 zeigt eine theoretische Lade- und Entladekurve des Energiespeichers 10 gemäß der 1 mit einer angenommenen Fläche der Elektroden 12, 14 von 1 cm2 und einem Abstand der Elektroden 12, 14 von 1 μm, dessen dielektrisches Material im Zustand der größten Polarisation eine relative Permittivität εr von 1000 erreicht. Ausgehend von einem Gleichgewichtszustand gemäß der 2a steigt die Polarisation im Kurvenabschnitt 58 an, bis der Zustand gemäß der 2c erreicht ist. Im durch eine weitere Steigerung des elektrischen Feldes entstehenden Kurvenabschnitt 60 tritt eine Sättigung ein, in der die Ladung nicht mehr ansteigt.
  • Während eines Entladevorgangs, der durch einen weiteren Kurvenabschnitt 62 wiedergegeben ist, ändert sich die Polarisation des dielektrischen Materials zunächst nicht, da alle Ladungsträger im energetisch am tiefsten liegenden Quantenpunkt 30 gefangen sind. Bei einem Erreichen einer kritischen Stärke des elektrischen Feldes verlassen sämtliche Ladungsträger den energetisch am tiefsten liegenden Quantenpunkt 30, und eine plötzliche Umkehrung der Polarisation des dielektrischen Materials tritt ein (Kurvenabschnitt 62). Bei einem Erreichen einer positiven elektrischen Feldstärke zwischen den Elektroden 12, 14 beginnen die beweglichen Ladungsträger erneut, zur benachbarten, von Quantenpunkten 30 gebildeten Nanostruktur 18, 20, 22, 24 zu tunneln (Kurvenabschnitt 64).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2010/0183919 A1 [0006]

Claims (7)

  1. Dielektrisches Material zur Verwendung in elektrischen Energiespeichern (10), das zumindest zwei Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) umfasst, die jeweils in einer elektrisch isolierenden Matrix (28) aus einem Material eingebettet sind, das eine größere Bandlücke aufweist als ein Material der Nanostrukturen (18, 20, 22, 24), dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu einer Richtung (16) eines von außen anwendbaren elektrischen Feldes eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns von Ladungsträgern zwischen den zwei Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) eingestellt ist.
  2. Dielektrisches Material nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Nanostrukturen (18, 20, 22, 24), die in der Richtung (16) des von außen anwendbaren elektrischen Feldes eine Nanostrukturkette (36, 38) bilden, wobei zwischen jeweils zwei in der Richtung (16) des elektrischen Feldes benachbarten Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit eines Tunnelns der Ladungsträger zwischen den Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) parallel zu der Richtung (16) des elektrischen Feldes eingestellt ist.
  3. Dielektrisches Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Richtung (16) des von außen anlegbaren elektrischen Feldes zumindest drei in jeweils einer isolierenden Matrix (28) eingebettete Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
  4. Dielektrisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeiten des Tunnelns der Ladungsträger zwischen den Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) parallel zu der Richtung (16) des elektrischen Feldes monoton ansteigend oder monoton abnehmend eingestellt sind.
  5. Dielektrisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Nanostrukturen (18, 20, 22, 24) im Wesentlichen aus einem dotierten Halbleitermaterial besteht.
  6. Dielektrisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Matrix (28) im Wesentlichen aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Siliziumoxid SiO2, Aluminiumoxid Al2O3, Siliziumnitrid SiN, Siliziumkarbid SiC, Galliumnitrid GaN und einer beliebigen Kombination dieser Materialien gebildet ist.
  7. Elektrischer Energiespeicher (10) mit einem dielektrischen Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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