Como você coloca mais potência em um carro elétrico?

A resposta pode ser transistores eletrônicos feitos de óxido de gálio, o que poderia permitir que os fabricantes de automóveis aumentassem a produção de energia enquanto mantinham os veículos leves e com design simplificado.

Um avanço recente - relatado na edição de setembro da revista IEEE Electron Device Letters - ilustra como esta tecnologia em evolução pode desempenhar um papel fundamental na melhoria dos veículos elétricos, energia solar e outras formas de energia renovável.

"Para fazer avançar essas tecnologias, precisamos de novos componentes elétricos com capacidades maiores e mais eficientes de manuseio de energia, "diz o principal autor do estudo, Uttam Singisetti, Ph.D., professor associado de engenharia elétrica na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UB. "O óxido de gálio abre novas possibilidades que não podemos alcançar com os semicondutores existentes."

O material semicondutor mais amplamente utilizado é o silício. Por anos, os cientistas contam com ele para manipular grandes quantidades de energia em dispositivos eletrônicos. Mas os cientistas estão ficando sem formas de maximizar o silício como semicondutor, é por isso que eles estão explorando outros materiais, como carboneto de silício, nitreto de gálio e óxido de gálio.

Embora o óxido de gálio tenha baixa condutividade térmica, seu bandgap (cerca de 4,8 elétron-volts) excede o do carboneto de silício (cerca de 3,4 elétron-volts), nitreto de gálio (cerca de 3,3 elétron-volts) e silício (1,1 elétron-volt).

Bandgap mede quanta energia é necessária para sacudir um elétron em um estado de condução. Os sistemas feitos com material bandgap alto podem ser mais finos, mais leve e lidar com mais potência do que os sistemas que consistem em materiais com bandgaps menores. Também, alto bandgap torna possível operar esses sistemas em temperaturas mais altas, reduzindo a necessidade de sistemas de resfriamento volumosos.

Singisetti e seus alunos (Ke Zeng e Abhishek Vaidya) fabricaram um transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET) feito de óxido de gálio com 5 micrômetros de largura. Uma folha de papel tem cerca de 100 micrômetros de largura.

O transistor tem uma tensão de ruptura de 1, 850 volts, que mais do que duplica o recorde de um semicondutor de óxido de gálio, dizem os pesquisadores. A tensão de ruptura é a quantidade de eletricidade necessária para transformar um material (neste caso, óxido de gálio) de um isolante para um condutor. Quanto maior a tensão de ruptura, mais potência o dispositivo pode suportar.

Por causa do tamanho relativamente grande do transistor, não é ideal para smartphones e outros pequenos gadgets, Singisetti diz. Mas pode ser útil para regular o fluxo de energia em operações de grande escala, como usinas que coletam energia solar e eólica, bem como veículos elétricos, incluindo carros, trens e aeronaves.

"Temos aumentado a capacidade de manipulação de energia dos transistores adicionando mais silício. Infelizmente, que adiciona mais peso, o que diminui a eficiência desses dispositivos, "Singisetti diz." O óxido de gálio pode nos permitir alcançar, e eventualmente exceder, dispositivos baseados em silício usando menos materiais. Isso poderia levar a veículos elétricos mais leves e mais econômicos. "

Para que isso aconteça, Contudo, alguns desafios devem ser enfrentados, ele diz. Em particular, os sistemas baseados em óxido de gálio devem ser projetados de forma a superar a baixa condutividade térmica dos materiais.