Een chip die zelf energie oogst

Voor de hand liggend? Ja, maar ook een hels karwei: de chip met eigen zonnecel. Margriet van der Heijden

Chips met ingebouwde zonnecellen. Die hebben onderzoekers uit de groep van Jurriaan Schmitz, hoogleraar aan de Universiteit Twente, gebouwd. Hun chips hoeven niet te worden aangesloten op stopcontact of batterij, maar doen op eigen kracht hun werk. Een temperatuur meten bijvoorbeeld, of bewegingen registreren en zulke meetgegevens dan draadloos uitwisselen via een kleine antenne. Deze week presenteerde de groep de vondst op de jaarlijkse International Electronic Device Meeting (IEDM), dit jaar in San Francisco.

De autonome chip uit Twente past in de trend van ambient intelligence die volgens experts over een jaar of zeven zijn beslag krijgt. Volgens sommigen zal die trend er zelfs toe leiden dat elke wereldburger zich op den duur omringt met wel duizend chips. Die moeten zijn leven gemakkelijker maken. Ze moeten de deur ontgrendelen als ze hem bij thuiskomst herkennen, het licht aanschakelen als hij de kamer binnenstapt, melden dat zijn kinderen boven spelen of dat de koelkast bijna leeg is.

En een deel van die chips zal zijn eigen energie opwekken. Denk aan zelfstandig opererende chips die je verwerkt in vloerbedekking, in kleding of in behang, zegt Schmitz. Zulke chips kunnen bij wijze van spreken waarschuwen als het in een ziekenhuiskamer te koud wordt of te warm, als het tocht of als iemand om hulp roept.

De autonome Twentse chip die daarvoor nu kandidaat is, vereist wél een elektronische schakeling die weinig energie verbruikt. Want het vermogen van de kleine zonnecel op de chip ligt ruim onder de 1 milliwatt. Maar: dan werkt hij ook binnenshuis.

ZORGEN

“Ja, het klinkt voor de hand liggend, een zonnecel op een chip”, zegt Schmitz aan de telefoon. “Ik heb me de laatste drie jaar ook vaak zorgen gemaakt dat iemand me voor zou zijn. Elk jaar was het tijdens de IEDM weer eng: zou iemand anders ermee komen?”

De IEDM is hét congres voor onderzoekers en bedrijven die aan micro-elektronica werken. Intel toont er zijn nieuwste chips, Texas Instruments presenteert er zijn laatste vondsten; de crème de la crème uit het microchip-onderzoek zit in de zaal. En ook dit jaar was niemand hem voor, zegt Schmitz. “Het is ook erg moeilijk om een zonnecel op een chip te bouwen. Ontzettend veel van onze pogingen zijn mislukt.”

Struikelblok was dat de zonnecel maar niet wilde hechten aan de chip. “En als het wel lukte, dan werkte óf de chip niet, óf de zonnecel niet.”

Eén probleem was diffusie. De structuren op de chip en in de zonnecel worden laagje voor laagje aangebracht. Moleculen of atomen uit verse en nog enigszins vloeibare laagjes kunnen tijdens dat proces doordringen in de uiterst dunne buurlagen en die dan verontreinigen. Schmitz: “Adolf Fick beschreef diffusie al in 1858. Alleen blijkt het, als je het nameet, allemaal net weer anders te lopen dan volgens zijn wetten.”

Maar het grootste probleem was de ‘mechanische stress’ die optrad als de laagjes stolden: de zonnecel trok dan de chip kapot. Of omgekeerd: dan zorgde het ruwe chipoppervlak voor zoveel onderbrekingen in de bedrading van de zonnecel dat het ding niet meer werkte. Het vergde “een hoop gestoei in de keuken”, om dat op te lossen.

RECEPT

In het uiteindelijke recept zitten volgens Schmitz nu twee cruciale stappen. De eerste is het aanbrengen van het glasachtige siliciumoxide tussen chip en zonnecel om ze zo wederzijds te beschermen. Het siliciumoxide, een veelgebruikt materiaal in de chipindustrie, houdt verontreinigingen tegen en vormt een goede ondergrond voor de zonnecel.

Daarnaast is de keuze voor het materiaal in de zonnecel van belang. Die cel ziet eruit als een sandwich, met twee dunne laagjes aluminium (de elektrodes) en daartussen een lichtgevoelige laag. De elektrische spanning die ontstaat als er licht op dat lichtgevoelige materiaal valt, wekt een elektrische stroom op in de elektrodes. Elektrische contacten voeren die stroom vervolgens naar de schakelingen op de chip.

Lichtgevoelig amorf silicium – ook een bekende uit de chipindustrie – bleek de mechanische stress in en onder die sandwich het meest te beperken. Het amorf silicium werd aangebracht met technieken die in Utrecht aan het Debye-instituut zijn ontwikkeld.

CIGS (koper-indium-gallium-selenide) bleek ook geschikt als tussenlaag. Het werd via contacten van promovendus Jiwu Lu door de Nankai Universiteit in Tianjin in China geleverd en had een iets hoger rendement dan amorf silicium (7,1 procent tegen 5,2 procent). Maar het nadeel is dat CIGS alleen werkt als de zonnecel aan de onderkant van de chip wordt aangebracht, zegt Schmitz, en dan is het een stuk lastiger om elektrisch contact te leggen met de chip.

PATENT

En nu? Gaat de groep er geld aan verdienen? Is er een patent aangevraagd? “Nee”, zegt Schmitz. “We combineren bestaande technieken. Dat is niet octrooieerbaar.” En ja, natuurlijk is er een druk om wel patenten aan te vragen en om geld te verdienen, zegt hij. “Maar ik vind dat wetenschappers primair werken voor de samenleving en niet voor het bedrijfsleven.”