Hergestellt im Dünnschicht-Verfahren: Einer der beiden Sensor-Prototypen, mit denen die Forschenden demonstriert haben, dass sich die Perovskit-Technologie miniaturisieren lässt. (Bild: Empa / ETH Zürich)
Mit einer neuartigen Bildsensortechnologie auf Basis von Perowskit-Materialien erreichen Forschende der Empa und ETH Zürich beeindruckende Fortschritte in der Farbwiedergabe und Lichtausbeute – selbst bei geringer Beleuchtung.
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Wie funktioniert ein Bildsensor?
In Digitalkameras und Smartphones sorgen Bildsensoren dafür, dass Licht in digitale Informationen umgewandelt wird – ähnlich wie das menschliche Auge Farben erkennt. Während bei uns bestimmte Netzhautzellen auf Rot, Grün und Blau reagieren, übernehmen diese Aufgabe bei Sensoren einzelne Pixel, die Licht in elektrische Signale umsetzen.
Einschränkungen konventioneller Silizium-Sensoren
Silizium ist das Standardmaterial für Bildsensoren und absorbiert Licht über das gesamte sichtbare Spektrum. Farbfilter teilen das einfallende Licht in RGB-Komponenten auf – jedoch geht dabei rund zwei Drittel der Lichtmenge verloren, da jedes Pixel nur eine Farbe erfassen kann.
Neue Lösung mit gestapelten Perowskit-Schichten
Ein Team um Maksym Kovalenko hat eine alternative Lösung entwickelt: Perowskit-Bildsensoren, bei denen jede Farbschicht spezifisch auf eine Wellenlänge reagiert - und zugleich für die anderen Farben transparent ist. Dank der Stapelung von roten, grünen und blauen Schichten kann derselbe Sensor dreimal so viel Licht aufnehmen – ohne Filterverluste.
Stichwort: Perowskit
Perowskit ist ein in der Erdkruste häufig vorkommendes Mineral aus der Klasse der „Oxide und Hydroxide“. Chemisch gesehen handelt es sich um ein Calcium-Titan-Oxid. Die Kristalle des Perowskits bilden meist metallisch wirkende würfelähnliche Formen mit einer schwarzen bis rotbraunen Farbe. Durch ihre Transparenz bei der Anwendung in extrem dünnen Schichten sind Perowskite auch sehr interessant für den Einsatz in Mehrfachsolarzellen: durch Stapelung mehrerer Perowskitsolarzellen mit unterschiedlicher Bandlücke kann der Wirkungsgrad signifikant erhöht werden und das theoretische Maximum von Einfachsolarzellen übertreffen.
Was ist das Besondere an Perowskit?
Bleihalogenid-Perowskit ist ein Halbleiter, dessen optische Eigenschaften sich gezielt anpassen lassen. Durch Beimischung von Jod, Brom oder Chlor absorbieren die Schichten spezifisch Rot, Grün oder Blau. Alle anderen Wellenlängen passieren ungehindert – ideal für ein gestapeltes Schichtdesign.
Prototypen im Dünnschichtverfahren
Zwei funktionierende Sensor-Prototypen haben die Forschenden bereits gefertigt – im industriell bewährten Dünnschichtverfahren. Damit beweisen sie, dass die Perowskit-Technologie miniaturisierbar ist. Die Sensoren erreichen bereits vertikal die Zielgröße und bieten verbesserte Lichtempfindlichkeit und Farbwiedergabe.
Vorteile gegenüber Silizium
Neben der höheren Lichtausbeute eliminieren Perowskit-Sensoren typische Bildfehler wie Demosaicing oder Moiré-Effekte. Das Ergebnis: schärfere Bilder mit präziserer Farbwiedergabe. Eine deutlich höhere Auflösung ist ebenfalls möglich.
Anwendungen im maschinellen Sehen
Ein bedeutendes Einsatzfeld liegt im maschinellen Sehen – neben der Robotik etwa in der medizinischen Diagnostik oder Umweltüberwachung. Perowskit erlaubt die präzise Definition zusätzlicher Farbkanäle, ideal für hyperspektrale Bildgebung. Silizium benötigt dafür viele Filter und komplexe Algorithmen.
Wie geht es weiter?
Die nächsten Schritte fokussieren auf kleinere Pixelgrößen und somit höhere Auflösungen. Die heutigen Prototypen erreichen Pixelgrößen zwischen 0,5 und 1 Millimeter – deutlich größer als marktübliche Sensoren. Auch die Elektronik muss auf die besonderen Eigenschaften von Perowskit angepasst werden. Die Forschenden sind jedoch überzeugt, die Hürden überwinden zu können.
