Aluminiumoxidelaag: het onzichtbare laagje dat chips, zonnepanelen en batterijen beter maakt
Leg een stukje kaal aluminium in de buitenlucht en er gebeurt binnen een fractie van een seconde iets onzichtbaars: het metaal reageert met zuurstof en vormt een dun laagje aluminiumoxide op zijn oppervlak. Dat laagje is maar een paar nanometer dik (een nanometer is een miljardste meter, duizenden keren dunner dan een mensenhaar), maar het is ongelooflijk effectief. Het werkt als een onzichtbaar jasje dat voorkomt dat het aluminium eronder verder wegroest. Vergelijk het met de bruine schil die op een doorgesneden appel ontstaat: die reageert met de lucht en vormt een beschermend laagje, al is aluminiumoxide veel harder en stabieler dan appelbruin.
Wat deze natuurlijke eigenschap extra interessant maakt, is dat ingenieurs hem tegenwoordig heel precies kunnen nabootsen en verbeteren. Met moderne technieken kunnen ze aluminiumoxidelagen laten groeien die exact een paar atomen dik zijn, op vrijwel elk oppervlak, ook op piepkleine structuren in computerchips of op de microscopisch kleine deeltjes in een batterij. Die gecontroleerde aluminiumoxidelagen duiken op in een verrassend breed scala aan toekomsttechnologie: van zonnepanelen die meer stroom opwekken tot batterijen die minder snel verslijten en chips die zuiniger rekenen.
Wat is het precies?
Aluminiumoxide, met de scheikundige formule Al₂O₃, ontstaat wanneer aluminiumatomen zich binden met zuurstofatomen. Op gewoon aluminium in de buitenlucht gebeurt dit spontaan: het metaal ‘passiveert’ zichzelf, wat betekent dat het laagje de rest van het materiaal afschermt van verdere reactie met lucht of vocht. Dat is de reden dat aluminium, ondanks dat het een relatief onedel metaal is, toch niet wegroest zoals ijzer dat doet.
Deze natuurlijke laag is dun en een beetje ongelijkmatig. Voor veel toepassingen is dat niet genoeg, en daarom hebben ingenieurs manieren ontwikkeld om een dikkere of preciezere laag aan te brengen. De oudste en bekendste methode is anodiseren: het aluminium wordt in een zuurbad gehangen en er wordt stroom doorheen gestuurd, waardoor de natuurlijke oxidelaag elektrochemisch wordt verdikt tot enkele micrometers (duizendsten van een millimeter). Dat gebeurt bijvoorbeeld bij aluminium kozijnen, fietsonderdelen en telefoonbehuizingen, die daardoor krasvaster en corrosiebestendiger worden en zich bovendien laten kleuren.
Voor de allerprecieste toepassingen, zoals in computerchips of zonnecellen, is anodiseren te grof. Daarvoor gebruikt men een techniek die atomic layer deposition heet, afgekort ALD, in het Nederlands ongeveer ‘atomaire laagafzetting’. Bij ALD wordt een object beurtelings blootgesteld aan twee gasvormige chemicaliën die telkens precies één laag atomen op het oppervlak achterlaten, waarna het proces zich herhaalt. Zo bouw je een aluminiumoxidelaag op alsof je met legosteentjes bouwt: laag voor laag, met een dikte die je tot op de atoom nauwkeurig kunt bepalen. Het bijzondere is dat deze techniek ook werkt op extreem ongelijke oppervlakken, zoals de piepkleine gaatjes en richels in een moderne chip of de korrelige binnenkant van een batterijelektrode.
Wat wil men ermee bereiken?
De aantrekkingskracht van aluminiumoxide zit in een combinatie van eigenschappen: het is een uitstekende elektrische isolator, het laat vrijwel geen zuurstof of vocht door, het is chemisch stabiel en het is relatief goedkoop en ongevaarlijk te verwerken vergeleken met veel andere metaaloxiden. Die combinatie is voor meerdere technologiesectoren tegelijk aantrekkelijk, wat verklaart waarom hetzelfde materiaal in zulke uiteenlopende toepassingen opduikt.
In de zonnecelindustrie wil men vooral voorkomen dat elektronen die door zonlicht zijn losgeslagen, verloren gaan aan het oppervlak van het silicium voordat ze bruikbare stroom kunnen leveren. Een dun laagje aluminiumoxide op de achterkant van een zonnecel ‘passiveert’ dat oppervlak, vergelijkbaar met hoe het aluminium zichzelf beschermt, en zorgt zo voor een merkbaar hoger rendement.
In de chipindustrie dient aluminiumoxide als isolerende barrière tussen piepkleine elektrische structuren, of als beschermlaag die gevoelige materialen afschermt tijdens de productie. In batterijen gebruikt men ultradunne aluminiumoxidecoatings op elektrodedeeltjes om ongewenste chemische bijreacties met de batterijvloeistof te onderdrukken, wat de levensduur en veiligheid van de batterij ten goede komt. De onderliggende belofte is steeds dezelfde: met een laag die soms maar enkele atomen dik is, win je meetbare prestatiewinst of levensduur, tegen relatief lage kosten en zonder zeldzame of giftige grondstoffen te hoeven gebruiken.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste voorbeeld komt uit de zonne-energie. Onderzoekers van de University of New South Wales in Australië, onder leiding van hoogleraar Martin Green, ontwikkelden vanaf de jaren tachtig en negentig de basis voor wat later de PERC-zonnecel zou worden (Passivated Emitter and Rear Cell), waarbij een dunne aluminiumoxidelaag aan de achterkant van de cel het rendement verhoogt. Vanaf ongeveer 2012 werd deze technologie commercieel op grote schaal toegepast, en rond 2019 was PERC uitgegroeid tot de dominante zonnecceltechnologie wereldwijd, met een marktaandeel van ruim tachtig procent.
In de halfgeleiderindustrie gebruiken fabrikanten als Intel, TSMC en Samsung ALD-processen met aluminiumoxide en verwante materialen om isolerende en beschermende lagen aan te brengen in de steeds kleinere structuren van moderne chips, een ontwikkeling die vanaf de jaren 2000 in de productie is doorgedrongen naarmate transistors kleiner werden dan zichtbaar licht.
Op het gebied van batterijen onderzoeken laboratoria zoals het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten al langer hoe een dunne aluminiumoxidecoating op kathodemateriaal van lithium-ionbatterijen de degradatie kan vertragen, onderzoek dat sinds de jaren 2010 is uitgegroeid tot een actief specialisme binnen batterijchemie.
In de luchtvaart is anodiseren van aluminium onderdelen al decennialang standaardpraktijk bij fabrikanten als Airbus en Boeing, waar de verdikte oxidelaag helpt corrosie van vliegtuigromponderdelen tegen te gaan in een omgeving met grote temperatuurschommelingen en vocht.
Dichter bij huis werkt het Holst Centre in Eindhoven, een samenwerking tussen TNO en het Vlaamse imec, aan dunne barrièrelagen op basis van aluminiumoxide om flexibele elektronica en dunne-filmzonnecellen te beschermen tegen vocht en zuurstof, een onderzoekslijn die al sinds de jaren 2000 loopt.
Hoe ver is de techniek?
Voor de meeste toepassingen is dit geen toekomstmuziek meer, maar dagelijkse praktijk. Anodiseren is een volwassen, decennialange industriestandaard. ALD met aluminiumoxide wordt al jaren op miljardenschaal toegepast in de chipfabricage en is sinds het midden van de jaren 2010 de norm geworden in de productie van PERC-zonnecellen.
Toch verschuift het front. In de zonne-industrie wint sinds ongeveer 2023 een opvolger genaamd TOPCon terrein op PERC, waarbij vaak eveneens een vorm van aluminiumoxide of verwante oxidelagen wordt gebruikt, zij het met een net iets andere celstructuur. Analisten verwachten dat TOPCon PERC de komende jaren geleidelijk zal verdringen als marktleider, al blijft aluminiumoxide als passiveringsmateriaal relevant.
De grootste obstakels zitten niet zozeer in de wetenschap, die is goed begrepen, maar in productie-economie. ALD is een relatief langzaam proces omdat het letterlijk laag voor laag opbouwt, wat hogere productiekosten en langere doorlooptijden met zich meebrengt dan snellere, minder precieze coatingtechnieken. Voor batterijtoepassingen is het aanbrengen van een gelijkmatige coating op miljarden microscopisch kleine deeltjes per batterijcel nog altijd een lastige opschalingsuitdaging, en dat onderzoek bevindt zich grotendeels nog in de laboratorium- en pilotfase, niet in massaproductie.
Wie werken eraan?
Het Nederlandse bedrijf ASM International, gevestigd in Almere, is wereldwijd een van de grootste leveranciers van ALD-apparatuur en speelt daarmee een sleutelrol in zowel de chip- als de zonne-industrie. Het Belgische onderzoeksinstituut imec in Leuven en het Nederlandse TNO, onder meer via het gezamenlijke Holst Centre in Eindhoven, doen fundamenteel onderzoek naar dunne-filmtoepassingen van aluminiumoxide.
In de zonne-energie is de University of New South Wales in Australië historisch de bakermat van de PERC-technologie, terwijl het Duitse Fraunhofer ISE in Freiburg een van de toonaangevende onderzoeksinstituten is voor de volgende generatie zonnecellen. In de chipindustrie zetten grote fabrikanten als Intel, TSMC, Samsung en toeleverancier Applied Materials ALD-processen met aluminiumoxide dagelijks in productie in. Op batterijgebied doen instituten als het Argonne National Laboratory in de Verenigde Staten, samen met diverse batterijfabrikanten, onderzoek naar coatingtechnieken om levensduur en veiligheid te verbeteren.