Bildsensor aus Perowskit

In der Schweiz arbeiten Forschende an einem Bildsensor auf der Basis des Perowskit-Minerals, der auch bei schlechten Lichtverhältnissen farbgetreue Fotos möglich macht. Anders als bei herkömmlicher Silizium-Sensortechnologie, wo die Pixel für Rot, Grün und Blau nebeneinanderliegen, können sie in einem Perowskit-Pixel gestapelt werden. Dies spart nicht nur Platz sondern verbessert auch die Bildqualität.

Miniaturisierung von Perowskit-Pixeln

Egal ob Kamera oder Handy, jedes Jahr versprechen die Hersteller immer bessere Bildsensoren in ihren Geräten bei entsprechender Steigerung der erreichbaren Megapixeln. Die gängigste Art von Sensoren basiert dabei auf Silizium, das durch spezielle Filter in einzelne Pixel für rotes, grünes oder blaues (RGB-) Licht unterteilt wird.

Die RGB-Pixel sind gitterförmig nebeneinander angeordnet. Jeder Pixel fängt etwa ein Drittel des einfallenden Lichts ein, das restliche Licht wird vom Farbfilter blockiert. RGB-Pixel bieten folglich nicht die besten Eigenschaften, um einen digitalen Bildsensor herzustellen.

Forschende der Empa und der ETH Zürich arbeiten an einer Alternative. So hat das Team um Erfu Wu und Ivan Shorubalko herausgefunden, dass Pixel aus Bleihalogenid-Perowskiten keinen Extra-Filter benötigen, da der Filter quasi im Material enthalten ist. Ihnen ist es gelungen, Bleihalogenid-Perowskite so herzustellen, dass sie nur das Licht einer bestimmten Wellenlänge und somit Farbe absorbieren und für andere Wellenlängen hingegen transparent sind.

Auf diese Weise lassen sich die Pixel für Rot, Grün und Blau übereinander schichten, anstatt sie nebeneinander in der Fläche anzuordnen. Der resultierende Pixel kann alle Wellenlängen des Lichts absorbieren. „Mit einem Perowskit-Sensor ließe sich also dreimal so viel Licht pro Fläche einfangen wie mit einem herkömmlichen Silizium-Sensor“, erklärt Empa-Forscher Shorubalko.

Außerdem konvertiert Perowskit einen größeren Anteil des absorbierten Lichts zu einem elektrischen Signal. Das verleiht dem Bildsensor eine noch höhere Effizienz. Nun arbeiten die Forschenden daran, die ursprünglich bis zu fünf Millimeter großen Pixel zu miniaturisieren und zu einem funktionierenden Bildsensor zusammenzufügen.

Ein weiterer Vorteil von Perowskit-basierten Bildsensoren ist ihre Herstellung. Im Gegensatz zu anderen Halbleitern sind Perowskite wenig empfindlich bei Materialdefekten und lassen sich unkompliziert herstellen. Sie können zum Beispiel aus einer Lösung auf ein Trägermaterial ablagert werden. Konventionelle Bildsensoren brauchen hingegen hochreines monokristallines Silizium, das in einem langsamen Verfahren bei fast 1.500°C hergestellt wird.

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