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Modulare, intelligente und hochintegrierte Wide-Bandgap-Leistungselektronik für sicheres und energieeffizientes elektrisches Fahren, HiEFFICIENT - Modulare, intelligente und hochintegrierte Wide-Bandgap-Leistungselektronik für sicheres und energieeffizientes elektrisches Fahren

MAX-Phasenkomposite: Eine neue Werkstoffklasse für hochtemperaturbelastete Bauteile

Pflanzlich-tierische Stofflüsse und Produktionseffizienzen in der urbanen und peri-urbanen Landwirtschaft einer westafrikanischen Stadt

Vor dem Hintergrund des starken Wachstums afrikanischer Großstädte und damit zusammenhängender Versorgungs- und Umweltprobleme gewinnt die sich dort besonders stark entwickelnde urbane und peri-urbane Landwirtschaft zunehmend an wissenschaftlichem Interesse. Im Gegensatz zu den auf äußerst nährstoffarmen, erosionsgefährdeten Böden des Hinterlandes vorherrschenden subsistenzorientierten Landnutzungssystemen ist die UPL durch hohe Inputintensitäten gekennzeichnet. Allerdings gibt es derzeit kaum grundlagenorientierte Untersuchungen zu Produktivität, Stoffumsätzen und umweltrelevanten Externalitäten der UPL, die tierische und pflanzenbauliche Produktionssysteme vereint. In diesen Forschungsprojekt sollen am Beispiel der nigrischen Hauptstadt Niamey Stoffflüsse in der UPL in exemplarisch ausgewählten Haushalten gemessen und in ihren wesentlichen Kenngrößen modelliert werden. Diese Untersuchungen werden anschließend zur Prüfung von Vorschlägen zur Steigerung der Ressourceneffizienz herangezogen. Zu diesem Zweck werden in einem ersten Schritt in 20 nach dem Grad ihrer Integration von Tierhaltung und Ackerbau ausgewählten Beispielbetrieben die horizontalen Einträge und Verluste von Stickstoff (N), Phosphor (p) und Kalium (k) an den Schnittstellen Boden-Pflanze-Tier im Jahresverlauf erfasst. Auf einigen dieser Betriebe sollen zu repräsentativen Zeitpunkten atmosphärische Emissionen (Denitrifikations- und Ammoniakverluste) mit einem photoakustischen Spurenglasanalysator ermittelt und sickerungsbedingte Nährstoffverluste (N, P, und K) durch den Einbau von Si-Carbid-Saugplatten gemessen werden. In einem zweiten Schritt wird der Einfluss gezielter Verbesserungsmaßnahmen im Stoffmanagement (Einsatz einer Einstreu von Stroh und Rohphosphat in der stationären Haltung von Tieren, kontrollierte Kompostierung des Tierdungs) auf die atmosphärischen N-Verluste und Dungqualität geprüft. Im dritten Schritt soll der Einfluss verschiedener Intensitäts- und Integrationsstufen der UPL auf die erfassten Stoffflüsse im Kontinuum Boden-Pflanze-Tier-Umwelt mittels eines bio-physikalischen Models abgebildet werden.

H2020-EU.3.5. - Societal Challenges - Climate action, Environment, Resource Efficiency and Raw Materials - (H2020-EU.3.5. - Gesellschaftliche Herausforderungen - Klimaschutz, Umwelt, Ressourceneffizienz und Rohstoffe), Recovery of Tungsten, Niobium and Tantalum occurring as by-products in mining and processing waste streams (TARANTULA)

Enkrist: Energieeinsparung bei der Herstellung von besseren Karbid- und Nitrid-Halbleiterkristallen

Neue und verbesserte einkristalline Materialien für Leistungsbauelemente und Leuchtdioden bieten ein enormes Potential der Energieeinsparung. Um dies zu realisieren, ist es erforderlich, die Herstellung der WBG-Kristalle kostengünstiger zu machen. Für die Herstellung der WBG-Kristalle sind hohe Temperaturen und lange Prozesszeiten nötig. Die Reduktion des Energieverbrauchs je verwertbarem WBG Substrat ist ein wesentlicher Hebel für die Kostenreduktion. Verschiedene Materialdefekte (Kristallfehler) sowie weitere verfahrensbedingte Ursachen limitieren die Ausbeute an verwertbarem Kristallmaterial und begrenzen insbesondere verwertbare Kristalldurchmesser und -längen. Als Gesamtziel des Vorhabens soll ein besseres Verhältnis zwischen eingesetzter Energiemenge je Prozess und der Ausbeute an verwertbarem und qualitativ hochwertigem Kristallmaterial hergestellt werden. Dies bedeutet die Herstellung von längeren WBG-Kristallen, bzw. Kristallen mit größerem Durchmesser oder parallel mehr WBG-Kristallen pro Prozess. Gleichzeitig, im Falle des GaN, müssen für die Herstellung alternative Keimsubstrate entwickelt und eingesetzt werden, um diese Ziele zu erreichen. Für die beiden WBG-Materialien werden technologische Wege erarbeitet, die nutzbare Kristallausbeute zu erhöhen, möglichst lange Kristalle herzustellen, den Kristalldurchmesser zu vergrößern oder für GaN einen Mehrfach-Prozess zu entwickeln sowie die Keimherstellung zu verbessern. Die Projektleitung des Gesamtprojekts obliegt dem IISB. Der Arbeitsplan ist in drei Arbeitspakete eingeteilt: AP1 Galliumnitrid AP2 Siliziumkarbid AP3 Charakterisierung Es sind in AP1,2 je 4 Meilensteine unterlegt. Die ausführliche Darstellung findet sich in der Vorhabensbeschreibung.

TIBET: Hochtransparente, leitfähige und passivierende Elektroden für hocheffiziente Solarzellen, Teilvorhaben FAP GmbH: Entwicklung einer Hot-Wire Linienquelle und einer PECVD Abscheidung mit Plasmafrequenzen bis 200 MHz

In diesem Verbundprojekt sollen neuartige Elektrodenmaterialien entwickelt werden, die sich durch drei wesentliche Materialeigenschaften auszeichnen: hohe Passivierwirkung, sehr gute optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Es werden Elektroden entwickelt, die auf dielektrischen Schichten basieren und mit der PERC Anlagentechnik und Prozessführung kompatibel sind. Weiterhin werden Elektroden mit verbesserter Transparenz und besserer passivierender Wirkung für a-Si:H/c-Si Heterokontaktsolarzellen angestrebt. FAP: Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung einer Hot-Wire Linienquelle und einer PECVD Abscheidung mit Plasmafrequenzen bis 200 MHz für diese Aufgabenstellung. Es werden drei wissenschaftliche Ansätze verfolgt. Zum einen sollen heutige dielektrische Passivierungsschichten durch Dotierung und Einführung von Laminatstrukturen weiterentwickelt werden. Im zweiten Ansatz werden amorphe und mikrokristalline Halbleiter mit hohen Bandlücken (a-SiOx, a-SiC und Mikro c-SiOx) entwickelt. Um die Passivierungswirkung dieser Materialien weiter zu erhöhen, werden im dritten Ansatz neue Abscheideverfahren mit extrem geringer Grenzflächenschädigung für Heterokontakt-Solarzellen entwickelt. Für die drei Ansätze werden zunächst die neue Prozessanlagentechnik und die entsprechenden Prozesse entwickelt. Danach finden die Materialentwicklung und abschließend die Demonstration und Verifikation in funktionierenden Solarzellen statt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1708: Materialsynthese nahe Raumtemperatur; Priority program (SPP) 1708: Material Synthesis near Room Temperature, Synthese intermetallischer Phasen in ionischen Flüssigkeiten

Die Präparation intermetallischer Phasen bei niedrigen Temperaturen bleibt eine herausfordernde Aufgabe. In den vergangenen Jahren wurden Redoxreaktionen an reaktiven intermetallischen Präkursoren zu einer vielseitigen Methode, insbesondere für die Herstellung metastabiler intermetallischer Verbindungen, entwickelt. Bisher wurden solche Reaktionen hauptsächlich als Gas-Fest-Reaktionen geführt. Andererseits sind Redoxreaktionen gelöster Cluster-Spezies in Ammoniak oder organischen Aminen bekannt, die Zugang zu neuen Metalloid-Spezies, z. B. zu Clusterpolymeren, bieten. In den meisten Fällen werden hier allerdings Produkte erhalten, die Lösungsmittelmoleküle oder Komplex-Kationen enthalten. In dieser Hinsicht könnten Redoxreaktionen in der Lösung einer ionischen Flüssigkeit einen alternativen Zugang zu neuen rein intermetallischen Phasen bieten. In bisherigen Versuchen, dies zu realisieren, liefen jedoch die Redoxreaktionen aufgrund der zu hohen Reaktivität der eingesetzten Ionischen Flüssigkeiten gegenüber empfindlichen Präkursoren wie den Zintl-Phasen sehr schnell und schwer kontrollierbar sowie vornehmlich heterogen ab, so dass vor allem amorphe Produkte erhalten wurden. Dieses Projekt hat einerseits das Ziel, inerte Ionische Flüssigkeiten zu entwickeln, die sich dazu eignen, intermetallische Phasen mit Zintl-Anionen bei niedriger Temperatur aufzulösen und damit möglich werdende systematische Untersuchungen kontrollierter homogener Redoxreaktionen zu neuen metastabilen intermetallischen Phasen durch gezielte Zugabe geeigneter Oxidationsmittel durchzuführen. Die Anwendbarkeit derartiger Redoxreaktionen auf salzartige Carbide soll ebenso untersucht werden. Dies verspricht Zugang zu neuen Carbiden oder sogar zu Kohlenstoffmodifikationen mit polymeren Strukturmotiven. Andererseits sollen topotaktische Redoxreaktionen geeigneter Präkursoren in gezielt hergestellten Ionischen Flüssigkeiten durchgeführt werden, deren Reaktivität und Lösungsvermögen für Produktspezies eine vollständige Umsetzung des Präkursors erlauben. Dies verspricht Zugang zu technisch interessanten, auf andere Weise jedoch schwierig erhältlichen Produkten wie graphen-analogen Siliciumschichten. Für die Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes werden sogenannte TAAILs (Tunable Alkyl-Aryl Ionic Liquids) gezielt hergestellt, deren Imidazolium-Kationen funktionalisierte Phenylsubstituenten zur Einstellung elektronischer Eigenschaften und somit der Reaktivität als Protonenquelle tragen. Die Alkyl-Seitenketten sollen anionische Gruppen oder Polyether-Reste besitzen, die eine Erhöhung der Löslichkeit von Salzen oder salzartigen Verbindungen durch Komplexierung von Kationen ermöglichen. Die protische Aktivität solcher Ionischen Flüssigkeiten wird weiterhin durch den selektiven Austausch von Wasserstoffen an den Kohlenstoffatomen des Imidazol-Kerns gegen inerte Aryl-Substituenten eingestellt.

Siliciumkarbid Bauelementetechnologie zur effizienten Handhabung von Ressourcen mit einer deutlich erhöhten Effizienz

SiC wird das Substratmaterial für elektronische Leistungsbauelemente der Spannungsklassen über 1 kV sein. Dies wird für eine nachhaltige Energiewende von entscheidender Bedeutung sein. Ziel des Projektes ist die Grundlagen für solche Bauelemente zu erarbeiten. Dies beinhaltet sowohl die Optimierung des Grundmaterials, als auch die Herstellungsmethoden der Bauelemente, als auch das Design der Bauelemente und deren Charakterisierung. Das ITME in Polen übernimmt die Entwicklung und Herstellung der Substrate, vor allem zukunftsweisender Epitaxieschichten aufbauend auf deren Erfahrung auf dem Gebiet des Wachstums defektarmer Schichten. Parallel dazu startet die Kwangwoon Universität in Korea mit der Modellierung und Simulation zukunftsweisenden SiC Leistungsbauelementen. In erster Linie handelt es sich um Bauelemente, die besonders hinsichtlich Epitaxieschichten, Gateoxidqualität und Ionenimplantation optimiert werden, da diese Aspekte die Schwerpunkte der Prozessentwicklung der Partner sind. Das Fraunhofer IISB startet mit der Weiterentwicklung von bereits vorhandenen Oxidations- und Implantationsschritten an kommerziell erworbenen SiC Substraten. Insbesondere bei der Implantation ist nicht nur der eigentliche Schritt der Implantation von Bedeutung, sondern auch ein nachfolgender Ausheilschritt bei Temperaturen über 1600°C, um die Defekte, die während der Implantation entstanden sind auszuheilen und die implantierten Ionen elektrisch zu aktivieren. Daraus werden, aufbauend auf den der Kwangwoon Universität erarbeiteten Design und der Simulation die Bauelemente gefertigt. Diese werden der Kwangwoon Universität übergeben, die diese Bauelemente fachgerecht aufbaut und elektrisch charakterisiert. Diese Erkenntnisse fließen dann wieder zu den Partnern für eine weitere Entwicklung der Epitaxieschichten, Oxidation und Implantation zurück.

Anti-adhesion surfaces for high temperature applications

Corrosion, erosion, sticking, and caking are widespread problems in power plants, caused by aggressive flue ashes with corrosive components such as sulfur, chlorine, and alkali-based low-melting salts. Furthermore, the use/co-firing of a diversity of biomass or alternative fuels with lower quality enhance the problems arising from adhesion (caking, sticking) and the corrosion and erosion issues. As a result, the efficiency of the power plant decreases (lower heat transfer) and periodically service maintenance shutdowns have to be planned in order to clean the facilities and to change damaged parts, generating costs from 100,000 to €1 Million/day. The innovative concept proposed in this research project combines thermally sprayed coatings functionalized with a sol-gel layer providing low wettability/sticking. FeCrAl alloy-based thermally sprayed coatings including targeted hard materials, such as Cr-carbides, will provide a suitable corrosion and erosion protection. The thin sol-gel layer, in combination with the thermally sprayed coatings, will reduce the sticking ability of aggressive liquid phases or solid flue ash particles. The project is a collaboration between DECHEMA-Forschungsinstitut (Germany), Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT (Germany), and MateriaNOVA (Belgium).

Teilvorhaben: Entwicklung von Ag-Sintermaterialien für die Kontaktierung von SiC Dies und Bodenplatten/Kühlkörpern, Teilvorhaben: SiC-basierte Frequenzumrichter für die Medizintechnik

1. Vorhabenziel Gesamtziel des Vorhabens ist es, die Vorteile der SiC-Halbleiter für Hochstromanwendungen im höheren Leistungsbereich zu erschließen. Durch neuartige SiC-Leistungsmodule und, hierfür speziell zugeschnittene neue Wechselrichtersysteme, sollen die Kosten gesenkt, der Wirkungsgrad und die Energieeffizienz gesteigert, sowie Bauvolumen und Gewicht der Einheiten gesenkt werden. Gleichzeitig gilt es, die besonderen Applikationsanforderungen der Medizintechnik hinsichtlich Funktionalität, Wirkungsgrad und Lebensdauer sicherzustellen bzw. zu verbessern. Ziel im Teilvorhaben von Siemens Healthcare ist die Gewinnung von Erkenntnissen zur prinzipiellen Eignung, zu den Rahmenbedingungen und zum technisch-wirtschaftlichem Potential des SiC Einsatzes, bei Wechselrichtern in der Medizintechnik. Die Evaluierung wird an einem Demonstrator durchgeführt. Es soll der Machbarkeits- und Wirtschaftlichkeitsnachweis der SiC-Hochstromtechnik für Wechselrichter in der Medizintechnik geführt, sowie erste Grundlagen für eine zukünftige technische Anwendung dieses Ansatzes gelegt werden. 2. Arbeitsplanung Es werden die Anforderungen aus der Medizintechnik definiert und optimale Leistungsmodule konzipiert. Für die von den Partnern realisierten niederinduktiven SiC-Hochstrommodule wird eine passende Wechselrichtertechnik entwickelt und evaluiert sowie ein Wechselrichter Demonstrator realisiert.

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