– Displayen i min elbil fungerade inte i morse, det var säkert fel på någon halvledare, säger Ascatrons medgrundare Christian Vieider med ett skratt.

Halvledare finns i nästintill all elektronik, i allt från kylskåp till bilar. Kisel är det vanligaste halvledarmaterialet. För att driva energiomvandlingen i en elbil krävs det över två tusen kiselchip. Allt eftersom fler funktioner introduceras i bilar, så som självkörning, kommer det att behövas ännu fler chip i mer energieffektiva material. Nästa generations halvledare i kiselkarbid sparar mer energi och innehåller fler transistorer.

Christian kliver upp för spiraltrappan på Isafjordsgatan 22 i Kista. Den leder till Electrumlaboratoriet, en testbädd för nano- och halvledarteknologi som drivs av RISE i nära samarbete med KTH. Det var här Ascatrons resa startade för tio år sedan. Då arbetade Christian med kommersialisering av RISE teknologi för energieffektiv kiselkarbid.

2011 bildades Ascatron av fyra medarbetare från Acreo, numera en del av forskningsinstitutet RISE. Ascatron ägs sedan 2020 av II-VI (two-six) och idag tillverkar de framför allt kiselkarbid-skivor, så kallade wafers, som är en nyckelteknologi inom många kraftelektroniktillämpningar.

Kommersialisering av kiselkarbid – från materialutveckling till komponenter

Christan svänger in mot korridoren på den femte våningen. Där arbetar Ascatron och RISE forskare sida vid sida i Electrumlaboratoriet. Han går i ett mötesrum och slår sig ner.

På Electrumlaboratoriet tillverkar Christian och forskarteamet det epitaxiella skiktet på halvledaren, det vill säga det aktiva lagret i komponenten som bestämmer hur mycket spänning den kan motstå. Det var teknologin som lade grunden för Ascatron som knoppades av från RISE 2011.

– Marknaden var redo, säger Christian och lutar sig tillbaka i stolen. Det fanns en efterfrågan på kiselkarbid och RISE hade redan kunder som köpte halvledarmaterialet. Idén var att bygga en fabrik för att skala upp tillverkningstekniken och då var det dags att bilda ett bolag. Nästa steg var att hitta investerare.

Ascatron var tidiga med att skapa större epitaxiella wafers och gick från att tillverka skivor på 100-millimeter till 150 millimeter. Det gav dubbelt så många komponenter per skiva och företaget fick en fördelaktig position på marknaden. Ascatron inledde samarbeten med stora komponenttillverkare så som ABB.

–  Vi hade kommit så långt vi kunde med materialtillverkning och 2015 började vi utveckla kiselkarbidkomponenter på vår epitaxiella wafer, fortsätter Christian. Komponenterna ska inte bara vara effektiva och ha så lite energiförluster som möjligt i sin omvandling av ström utan de ska också vara pålitliga och robusta.

Kiselkarbid – en möjliggörare för det fossilfria samhället

Samhällets omställning från fossila bränslen till el väntas skapa en kraftigt ökad elanvändning. Det visar energimyndighetens prognoser som pekar på att elanvändningen kommer att fördubblas till 2050. Men för att nå ett fossilfritt samhälle behöver energin också användas effektivt och därför har Sverige som mål att uppnå 50 procent effektivare energianvändning till 2030.

– Den elektrifiering som sker samhället kommer att innebära nya krav på vad kraftelektronik ska klara, säger Christian. Vi står inför en enorm utmaning i den energirevolution som nu sker. Om Sverige ska öka sin elproduktion behövs denna typ av komponenter för att omvandla strömmen.

Omvandling av elektricitet leder till förluster med upp till tio procent. Det innebär att när strömmen från ett eluttag exempelvis når en elbil så har omkring tio procent av energin försvunnit. Men komponenter som byggs med den nya generationen av halvledarmaterial är mer energieffektiva.

– Med kiselkarbid sparar du ström och tar bort omkring två tredjedelar av energiförlusten jämfört med kiselchipp, fortsätter han. Det gör att du till exempel kan köra tio till tjugo procent längre med din elbil eller spara in lika mycket på batterianvändandet. Det gör vår teknologi väldigt attraktivt för elbilsmarknaden.

Elektronikjätten II-VI investerar i Ascatrons kiselkarbid-teknologi

– Efter ett decennium hade vi kommit så långt vi kunde med vår egen utveckling, berättar Christian. Vi behövde en långsiktig ägare för att ta fram med kommersiella produkter. Det behövde också vara en etablerad aktör för att vi skulle vara intressanta för potentiella kunder så som Volvo eller Volkswagen.

Ascatrons avancerade epitaxi-wafers i kiselkarbid fångade den amerikanska halvledartillverkaren II-VI intresse. Elbilsmarknaden hade tagit fart och med förvärvet av Ascatron 2020 kunde II-VI lyfta sig i värdekedjan och erbjuda wafers och komponenter i kiselkarbid till tillverkare av eldrivna fordon.

– Det som utmärker vår teknologi är vi har tagit fram material som klarar riktigt höga spänningar, berättar han. Med det kan man ta fram komponenter som klarar över till tio kilovolt och det gör oss unika på marknaden.

Idag har II-VI 22 medarbetare i Kista som arbetar med kiselkarbid-kraftkomponenter och epitaxi-produktionen, som en del av företagets utvecklingsavdelning. Nästa steg är att växa ytterligare.

– Vi ska skala upp den produktion som vi gör i Kista. Det innebär att vi kommer kunna gå från pilotproduktion till att leverera i stor skala till våra kunder. Nu ser vi över var volymproduktionen kommer att vara men min förhoppning är att en del ska hamna i Sverige och att vi kan skapa fler arbetstillfällen här.

II-VI samarbete med RISE på Electrumlaboratoriet

Lysrören slänger ett kallt ljus på datorskärmar, mikroskop och maskiner som står på rad längs väggarna i Electrumlaboratoriets 1300 kvadratmeter stora renrum. Utrustningen används för att växa det epitaxiella skiktet på halvledarwafern och processa komponenter. Klargula pelare och en asurblå epitaxi-reaktor bryter av den vita och metallgrå ISO-certifierade renrumsmiljön. Den internationella standarden säkerställer hög kvalitet för industriell produktion av halvledarmaterial. Här samarbetar II-VI med RISE och KTHs experter iklädda isblå overaller. Skyddskläderna är till för att säkra den rena tillverkningsmiljön med färre än tiotusen partiklar per kubikmeter. Det kan jämföras med ett kontor som har miljontals partiklar på en lika stor volym.

En våning över renrummet ligger kraftelektroniklaboratoriet som drivs av RISE. Här testar II-VI sina prototyper och får stöd av experter från RISE för tester och elektrisk karakterisering av sina kraftelektroniska komponenter.

Efter att den processade wafern har kapats ner till chipp kapslas bitarna in, till exempel MOSFET-transistorer (metal oxide semiconductor field effect transistor). Experterna testar transistorerna för att mäta komponenternas egenskaper och hur bra de fungerar när man belastar dem. Klas Brinkfeldt är enhetschef på RISE och ansvarar för testerna:

– Vi erbjuder expertis inom hela kedjan från tillverkning och karaktärisering av komponenter till tillförlitlighetstester, simuleringar och materialanalys, berättar Klas. Vi är unika i Sverige med att kunna erbjuda ett helhetspaket och på så sätt hjälpa till med utvecklingen av nästa generations kraftelektroniksystem.

RISE långsiktiga utveckling av wafer-tillverkning och felanalys accelererar nu ytterligare i ett förlängt samarbetsavtal med II-VI.

– Vår förhoppning är att vi kommer att ha ett ännu närmare samarbete med II-VI inom utveckling och testning av nästa generations kiselkarbidkomponenter, fortsätter Klas Brinkfeldt. Vi ser också att det kan skapa ringar på vattnet och stärka hela ekosystemet i Kista och på så sätt bidra till en större arena för felanalys av elektroniska komponenter.

Christian Vieider berättar att samarbetet med RISE har varit viktigt för bolagets framgångar:

– Samarbetet med RISE har varit en helt avgörande framgångsfaktor för oss eftersom vår teknologi var baserad på 20 års forskning hos RISE. Tillgång till kunder, expertis och utrustning bidrog till att vi snabbt kom in på marknaden.

– Utvecklingen av funktionella och tillförlitliga komponenter baserade på nya halvledarmaterial är viktigt för att vi ska kunna spara energi i framtidens kraftelektroniksystem, fortsätter Klas Brinkfeldt. Nya material som kiselkarbid kräver djup kunskap och helt nya byggsätt. Det kommer att förändra elektronikindustrin och hur vi designar, bygger och producerar både wafers och kretsar.

RISE, II-VI och det sydkoreanska forskningsinstitutet KATECH (Korea automotive technology institute) har inlett ett forskningssamarbete inom halvledarteknik. Projektet ska leda till ökad effektivitet i elfordons kraftelektroniksystem.

– Vi ska tillverka komponenter baserade på vår grundteknologi och designa dem tillsammans med RISE, berättar Christian Vieider. I projektet kommer vi att få direkt feedback från en slutkund om hur våra komponenter fungerar i deras applikation och det är ett ovärderligt samarbete för att utveckla bättre produkter.

Goda förutsättningar för EU att bli självständigt inom halvledartillverkning

Sedan 2021 råder det brist på halvledare vilket lamslog produktionen av elektroniska produkter, inte minst bland elfordonstillverkare. Halvledarbristen väntas lätta men prognoser pekar på att problemet kommer att fortsätta i flera år framöver. EU-kommissionen presenterade ”European chips act”, ett förslag på åtgärder för att säkra den europeiska innovations- och produktionskapaciteten av halvledare.

– Det är jätteviktigt för Europa att bli självständiga inom halvledartillverkning, säger Christian. Produktionen är kunskapsintensiv. Ett exempel på det är att hälften av vår personal är disputerade forskare. Vi har hög kompetens i Europa vilket skapar goda förutsättningar för en europisk tillverkningsindustri av halvledare och vår verksamhet kan bidra till den lokala kiselkarbid-produktionen. I morse fungerade inte min elbil, antagligen för att det var fel på någon halvledare. Det säger mig vilken stor och viktig del halvledare har i vår vardag.

I en vätgasdriven bränslecell sker en kemisk reaktion mellan vätgas och syre, vilket ger elektricitet som kan se till att en elbil rullar – samtidigt som restprodukten inte är något farligare än vattenånga. För att processen ska fungera behövs så kallade bipolära plattor i bränslecellen.

Flera fördelar med plattor i komposit

Det svenska start-up-företaget SSAC har utvecklat ett koncept med en ny typ av bipolära plattor tillverkade i komposit, ett material som är ovanligt starkt i relation till sin vikt. Företaget arbetar även med att vidareutveckla sitt koncept för att kunna erbjuda bipolära plattor i biobaserad komposit, plattor som är både starka, lätta och miljövänliga – och dessutom ett kostnadseffektivt alternativ till andra material.

– På SSAC jobbar vi med kompositer, men jag arbetade för några år sedan i ett bolag som sysslar med bränsleceller. Så jag var lite nyfiken på att lägga ihop två affärsområden för att se om man kan använda sig av kompositmaterial i bränsleceller, säger Martin Skrikerud, vd för SSAC.

Massproduktion till lägre kostnad än idag

Arbetet har visat att konceptet ger plattor med bra egenskaper för en bränslecell, dessutom på ett sätt som ger möjlighet till massproduktion, är skalbart och billigare än de material som används i dag, som metall eller grafit. Just kostnaden är en viktig faktor, eftersom ett hinder för en bredare användning av exempelvis bränslecellsdrivna fordon är att de än så länge är relativt dyra. Och de bipolära plattorna står för en ganska stor del av kostnaderna i en bränslecell.

– Det är lite som med andra teknologier som solceller eller batterier, som har funnits länge men tidigare var på tok för dyrt för att ha ett stort användningsområde. På samma sätt har bränsleceller fungerat och använts länge, men det unika med vår lösning är att man kan massproducera till en förnuftig kostnad. Potentiellt kan vi nästan halvera priset i förhållande till dagens standard, säger Martin Skrikerud, och utvecklar:

– Vi gör inte en bättre produkt än de som finns i dag, men vi gör den snabbare och billigare.

Minskade CO2-utsläpp vid produktion

Förutom att vara ett kostnadseffektivt alternativ, så adresserar SSAC ett annat problem – CO2-utsläppen i tillverkningsprocessen. Länge har fokus legat på att få bort utsläppen i användarfasen, genom batterier eller bränsleceller, och mindre på utsläppen från material och tillverkning.

– Nästa steg är att hitta material och processer för tillverkningen som också är CO2-neutrala. Det är dit vi försöker komma i nästa steg, med material som är biobaserade och även kan återvinnas, säger David Mattsson, forsknings- och affärsutvecklare, RISE.

Ihop med RISE gjorde SSAC först ett utvärderingstest, som visade goda resultat – både i liten skala och så småningom även i större. Bland annat har RISE testbädd för hållbar komposittillverkning varit plats för tester av plattorna. Det finns flera styrkor i samarbetet, anser Martin Skrikerud.

– På RISE har man bra kunskap om de processer och material som vi vill använda oss av. Vi har inte heller själva personal och maskiner för att kunna göra allt vi vill göra, utan måste hyra in oss någonstans. Då har RISE kunskapen vi behöver.

Detta är styrkor som även David Mattson pekar på:

– Inom RISE kan vi lätt koppla på den kompetens och de resurser som behövs för varje kund, här finns allt samlat. Vilka utvecklingsbehov vi än stöter på så har vi i de flesta fall lösningarna på det inom RISE. Att söka den kompetensen själv är inte alltid så lätt.

Testbädd med många möjligheter

I testbädden i Piteå har forskare och företag möjlighet att testa, utveckla och demonstrera nya hållbara material och tillverkningsprocesser.

– Här kan man jobba med befintliga materialblandningar eller ta fram egna material som kan anpassas till en viss process. Vi kan också hjälpa till att bygga upp samverkan inom hela värdekedjan, med materialleverantörer, fordonsindustri och slutanvändare, säger David Mattsson.

– Vi kan också sätta ihop forskningsprojekt och titta på saker med lägre teknikmognad och på längre sikt. Sedan kan vi även erbjuda kunden möjlighet att jobba i bilaterala projekt tillsammans med oss när produktutvecklingen närmar sig slutfasen. Med SSAC jobbar vi med en blandning av dessa arbetssätt, och det är bra om man kan ha en kombination av dem hela tiden. Då kan man hela tiden föda ny teknik underifrån.

I Japan, där strömavbrott förekommer relativt ofta, är det inte ovanligt att elbilens batteri används som en backuplösning om elnätet slås ut för en kortare stund. Bilens batteri matar då tillbaka energin det lagrat när den senast laddades.

Värde för konsumenten 

I Sverige har vi inte samma problem, strömavbrotten blir tvärtom färre. Men även här blickar allt fler hushåll mot möjligheten att säkra sin elförsörjning vid ett tillfälligt stopp – inte minst i spåren av de senaste årens samhällsutveckling, med coronapandemin och ett instabilt säkerhetsläge i Europa. Det kan även vara ett sätt att hjälpa andra bilister vars bil laddat ur, eller möjliggöra för hushållen att balansera toppar under dagen då energipriset är extra högt.

– Men om det är ekonomiskt lönsamt för en slutanvändare är fortfarande en öppen fråga i Sverige, säger Mattias Persson, forskare inom elkraftsystem på RISE, och får medhåll av Stefan Pettersson, professor och enhetschef inom elektromobilitet på RISE.

– Något värdeskapande måste till innan konsumenten köper detta. Det kan vara att du får betalt för den el du återmatar, eller att man i kombination med solceller blir mer självförsörjande, eller för vissa finns det ett värde i att bidra till en grön omställning.

Framtida nätnytta

I ett framtida scenario där denna teknik är vanlig, kan elbilsflottan vara med och bidra till ökad stabilitet i nätet – smart laddning ser till att bilen laddas när det är gott om el i nätet, och vid kritiska toppar i energianvändningen så skickar den i stället ut energi på nätet.
Här gör den enskilde bilen inte så mycket till eller från, menar Stefan Pettersson, men sammantaget kan många fordon tillsammans skapa möjligheter.

– Samlar man många laddbara fordon så kan de tillsammans skapa en bulk av möjlig energi som kan matas tillbaka till nätet. Här finns även en potentiell affär gentemot nätägarna.

I och med ökad elektrifiering och större energibehov kan vi även i Sverige hamna i ett läge där infrastrukturen vid vissa tidpunkter inte kan leverera önskad effekt.

– Även om nätet är stabilt så kan man få problem även här på grund av mycket fluktuerande användning. Då kan detta vara ett sätt att frekvensstabilisera i det mer lokala perspektivet, säger Stefan Pettersson.

– I Göteborg har man exempelvis startat lokala flexibilitetsmarknader för att motverka överföringsbegränsningar. På så sätt är det inte bara det stora elnätet som kan få hjälp av detta, det kan ske mer lokalt, säger Mattias Persson.

Lagändringar krävs

När det gäller teknik och infrastruktur finns inte många tekniska hinder. Laddpunkter behöver konstrueras så att de även kan ta emot energi, men den tekniken är inte svår att få på plats, menar Stefan Pettersson.

Snarare är det några andra ingredienser som ska till, som standard, lagar och policys. Dagens ellag är inte skriven med rörliga förbrukare som elbilar i åtanke, och kan sätta gränser för vad aktörerna i systemet kan göra och hur de kan hitta lönsamhet.

– Det är lagarna som sätter käppar i hjulet, inte tekniken. Här finns både gråzoner och vita zoner i lagstiftningen, dels kan tekniken hindras av befintlig lagstiftning, dels är det inte ens definierat vad det innebär att mata tillbaka energi, är det ens tillåtet?

Tvärdisciplinär samverkan krävs

RISE har möjlighet att vara en partner inom många av de områden där det fortfarande finns frågetecken kvar att räta ut, vare sig det gäller att ta fram och kontrollera standarder eller utforma underlag för lagförslag och policies.

– Vi har bland annat testplatser för bland annat batterislitage och it-säkerhet, som kommer att vara en jätteviktig fråga, säger Mattias Persson.

För att en vehicle-to-grid lösning ska komma på plats brett behöver många olika kompetenser arbeta tillsammans för att se och förstå helheten. Kompetenser som finns hos RISE, säger Stefan Pettersson:

– Här möts el, fordon och kommunikation inom telecom. Vi kan jobba tvärdisciplinärt, och bedriva forskning kring alla de hinder som finns kvar i dag. På RISE finns kunskap kring allt från tekniken till beteende, affärsmodeller och lagar och policys. Tillsammans med partners på området kan vi komma närmare att hitta en lösning.

All el som produceras måste omvandlas innan den kan användas. För att kunna göra det behövs kraftelektronik i form av till exempel dioder, transistorer och transformatorer – stora som i transformatorstationerna där elen omvandlas för att kunna färdas genom ledningar över hela landet och små som i våra mobilladdare så att vi får rätt ström och spänningsnivå där. Problemet är bara att en del av energin försvinner varje gång den omvandlas, bland annat i form av värme.

– Kraftelektronik är väldigt viktigt för framtidens samhälle som blir alltmer elektrifierat. Oavsett om man använder till exempel solel eller vattenkraft som energikälla i botten tjänar man på att överföringarna av energi är så effektiva som möjligt. Om vi tar en elbil som exempel så är det en kombination av batteristorlek och effektiv kraftelektronik som får elbilen att komma några mil längre, säger Klas Brinkfeldt, enhetschef för systemintegration på RISE.

Bättre komponenter ger mindre förluster

För att kunna minimera energiförlusterna behöver de ingående komponenterna i sig bli ännu bättre, bland annat med hjälp av nya material. Kiselkarbid i stället för kisel i transistorer och dioder ger till exempel mycket mindre energiförluster. Men det handlar också om smartare styrning som gör att kraftelektroniken kan utnyttjas så effektivt som möjligt.

– För att vara konkurrenskraftig i framtiden gäller det verkligen att hänga med i utvecklingen. Många svenska företag ligger långt fram när det gäller intelligent styrning och har en stor potential att bli väldigt duktiga på kraftelektroniksystem, säger Klas Brinkfeldt.

Forskning och tester av framtidens kraftelektronik

På RISE pågår ett omfattande forskningsprojektdär målen är att få fram kraftelektronik med mindre energiförluster, mindre, lättare och effektivare hårdvara och smarta system för styrning och förebyggande underhåll.

– En stor del av budgeten kommer att användas till att köpa in utrustning för att testa framtidens kraftelektronik. Eftersom trenden går mot högre strömmar och mer effekt behöver vi utrustning för att kunna testa den typen av kraftelektronik. Både för att industrin ska kunna använda oss som testpartner och för att vi själva ska kunna utveckla nya system, berättar Klas Brinkfeldt.

– Företag som är intresserade av området får gärna höra av sig till oss. Vi kan hjälpa till med allt från design av kraftelektroniksystem, tester, simuleringar och litteraturstudier till att sätta ihop svenska konsortier och söka medel för olika projekt. Eftersom vi har ett stort nätverk i Europa kan vi också hjälpa företag med kontakter och att utveckla projektidéer där, berättar Klas Brinkfeldt.