Quelle: EMPA, Bildsensoren aus Perovskit
Quelle: EMPA, Bildsensoren aus Perovskit

Die gängigste Art von Sensor basiert auf Silicium, das durch spezielle Filter in einzelne Pixel für rotes, grünes oder blaues (RGB-) Licht unterteilt wird. Dies ist allerdings nicht die einzige Möglichkeit, einen digitalen Bildsensor herzustellen – und möglicherweise auch nicht die beste.

Familie, Freunde, Ferien, Vierbeiner: Heute lichten wir alles ab, was uns vors Objektiv kommt. Digitale Fotografie, ob mit Handy oder Kamera, ist simpel und entsprechend weit verbreitet. Jedes Jahr versprechen die neuesten Geräte einen noch besseren Bildsensor mit noch mehr Megapixeln.

Derzeit arbeiten Forschende der Empa und der ETH Zürich an einer Alternative. Ein Konsortium, bestehend aus Maksym Kovalenko aus dem Empa-Labor «Thin Film and Photovoltaics», Ivan Shorubalko aus dem Empa-Labor «Transport at Nanoscale Interfaces» sowie den ETH-Forschenden Taekwang Jang und Sergii Yakunin, entwickelt einen Bildsensor aus Perovskit. Dieser ist in der Lage, wesentlich mehr Licht einzufangen als sein Gegenspieler aus Silicium. In einem Silicium-Bildsensor sind die RGB-Pixel gitterförmig nebeneinander angeordnet. Dabei fängt jeder Pixel nur rund ein Drittel des einfallenden Lichts ein; die restlichen zwei Drittel werden vom Farbfilter blockiert.

Pixel aus Bleihalogenid-PerovskitenBleihalogenid-Perovskiten brauchen keinen Extra-Filter: Der Filter ist im Material sozusagen «eingebaut». Den Empa- und ETH-Forschenden ist es gelungen, Bleihalogenid-Perovskite so herzustellen, dass sie nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge – und somit Farbe – absorbieren, für andere Wellenlängen hingegen transparent sind. Somit lassen sich die Pixel für Rot, Grün und Blau übereinanderschichten, anstatt sie nebeneinander anzuordnen. Der resultierende Pixel kann alle Wellenlängen des Lichts absorbieren. «Mit einem Perovskit-Sensor liesse sich also dreimal so viel Licht pro Fläche einfangen wie mit einem herkömmlichen Silicium-Sensor», erklärt Empa-Forscher Shorubalko. Ausserdem konvertiert Perovskit einen grösseren Anteil des absorbierten Lichts zu einem elektrischen Signal, was dem Bildsensor eine noch höhere Effizienz verleiht.

Die Herstellung von einzelnen funktionierenden dreifarbigen Perovskit-Pixeln konnte die Forschungsgruppe bereits 2017 zeigen. Um den nächsten Schritt in Richtung echter Bildsensoren zu machen, hat sich das von Kovalenko geleitete ETH-Empa-Konsortium mit der Elektronikindustrie zusammengetan. «Zu den Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, gehören die Suche nach neuen Verfahren zur Herstellung und Strukturierung von Materialien sowie das Design und die Implementierung von Perovskit-kompatiblen elektronischen Auslese-Architekturen», betont Kovalenko.

Nun arbeiten die Forschenden daran, die ursprünglich bis zu fünf Millimeter grossen Pixel zu miniaturisieren und zu einem funktionierenden Bildsensor zusammenzufügen. «Im Labor stellen wir zwar nicht die grossen Sensoren mit mehreren Megapixeln her, wie sie in Kameras zum Einsatz kommen», erklärt Shorubalko, «aber bereits mit einer Grösse von rund 100’000 Pixeln können wir zeigen, dass die Technologie funktioniert.»

Ein weiterer Vorteil von Perovskit-basierten Bildsensoren ist ihre Herstellung. Im Gegensatz zu anderen Halbleitern sind Perovskite wenig empfindlich auf Materialdefekte und lassen sich dadurch verhältnismässig unkompliziert herstellen, indem man sie z.B. aus einer Lösung auf das Trägermaterial ablagert. Konventionelle Bildsensoren brauchen hingegen hochreines monokristallines Silicium, das in einem langsamen Verfahren bei fast 1500 Grad Celsius hergestellt wird.

http://www.empa.ch