Forscher arbeiten an neuen Sensoren: So sollen bessere Bilder auch bei schlechteren Lichtverhältnissen entstehen

Bildsensoren in Kameras wandeln sichtbares Licht in elektrische Ströme um, die genutzt werden, um die Bilder in Handys oder anderen Computersystemen abzuspeichern. Nach dem gleichen Prinzip funktionieren Solarzellen, die Strom liefern. In beiden Technologien könnte das meist für das Einfangen des Lichts verwendete Silizium durch eine Alternative ersetzt werden.

„Wir forschen gerade an Sensoren aus Perowskit, die nicht nur preiswerter, sondern auch besser sein könnten“, erklärt Ivan Shorubalko von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa in Dübendorf in der Schweiz.

Empfindliche Kristallstruktur

Dabei profitiert das Team um den Empa-Forscher von einem Nachteil herkömmlicher Silizium-Zellen. Diese funktionieren am besten mit dem Licht der Sonne, dessen Wellenlängen im nahen Infrarot-Bereich liegen. Zwar können auch andere, energiereichere Teile des Spektrums genutzt werden, nur ist das nicht sonderlich effektiv.

© Empa

Bildsensoren müssen farbige Bilder aus den drei Farben Blau, Rot und Grün zusammensetzen, die einzeln eingefangen werden. Filter fangen jeweils alle anderen ab. Für jeden farbigen Bildpunkt benötigt das System daher drei Pixel mit ihren jeweiligen Filtern, die für Grün, Rot und Blau empfindlich sind und nebeneinander liegen.

Weil ihre Effektivität relativ gering ist, müssen diese Pixel etwa fünf Tausendstel Millimeter oder fünf Mikrometer dünn sein. Macht man sie kleiner, um die Auflösung zu verbessern, fängt der Sensor auch weniger Licht.

Perowskit-Pixel sind dagegen viel empfindlicher und dabei nur einen halben Mikrometer stark. Bei ihnen können die Filter für die drei Farben auch übereinander gestapelt werden, was Platz spart oder auf gleicher Fläche eine höhere Auflösung und damit bessere Bilder auch bei schlechteren Lichtverhältnissen ermöglicht.

Durchlässige Strukturen

Den technischen Hintergrund dieser Alternative, erklärt Shorubalko: „Perowskit ist kein bestimmtes Material, sondern eine Kristall-Struktur.“ Das bedeutet, dass man verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einfangen von Licht und das Umwandeln in elektrischen Strom verwenden kann.

So kommen Verbindungen aus dem organischen Methylamin oder dem Metall Cäsium, sowie Blei und einem Halogen zum Einsatz. „Handelt es sich bei diesem Halogen um Chlor, absorbieren diese Perowskit-Kristalle blaues Licht, lassen andere Wellenlängen aber durch“, sagt Shorubalko. Setzt der Materialforscher dann ein Pixel dieser Kristalle auf ein anderes Methylamin- oder Cäsium-Blei-Perowskit, in dem neben Chlor auch Brom enthalten ist, absorbieren diese Verbindungen neben blauem auch grünes Licht. Da der obere Kristall bereits alles Blau absorbiert hat, registriert die mittlere Einheit nur noch Grün. „Im Perowskit an der Basis ist ein Teil des Broms und Chlors durch Iod ersetzt, das rotes Licht absorbiert“, nennt der Materialwissenschaftler die dritte Komponente.

Mit solchen gestapelten Perowskiten bringt die Empa-Forschung also alle drei Grundfarben auf der Fläche eines einzelnen Pixels unter. Längst arbeitet das Team um Shorubalko, zu dem auch Forschende an der Eidgenössisch-Technischen Hochschule Zürich gehören, mit einem Partner aus der Industrie zusammen, der dazu zurzeit ein Patent anmeldet. Danach muss das Herstellungsverfahren noch vom Labor-Maßstab auf industrielle Fertigung in viel größeren Einheiten hochgeschraubt werden.

Geforscht wird auch noch an der Haltbarkeit solcher Sensoren, die in den Empa-Labors schon getestet wurde. Herkömmlichen Sensoren müssen bei Temperaturen von 1500 Grad Celsius aus hochreinem Silizium langsam abgelagert werden. Die Herstellung der Perowskit-Pixel ist deutlich einfacher. Die Chancen stehen daher gut, dass in wenigen Jahren die ersten Kameras damit gebaut werden.