Perovskit: Schweizer Forscher entwickeln 2024 neuen Sensor für Digitalkameras
Forscher der Schweizer EMPA in Dübendorf haben 2024 einen neuen Bildsensor aus Perovskit entwickelt. Der neue Bildsensor hat viele Vorteile, vor allem eine höhere Lichtausbeute, sowie eine Herstellung die weniger Energie benötigt. Ideale Voraussetzungen also für die nächste Handy-Kamera. Die Forscher arbeiten denn auch schon mit der Industrie zusammen um Ihre Entwicklung zu vermarkten.
Die gängigste Art eines digitalen Foto-Sensors basiert dabei auf Silicium, das durch spezielle Filter in einzelne Pixel für rotes, grünes oder blaues (RGB-) Licht unterteilt wird.
Forscher der Empa und der ETH Zürich arbeiten an einer Alternative. Ein Konsortium, bestehend aus Maksym Kovalenko, Ivan Shorubalko sowie Taekwang Jang und Sergii Yakunin, entwickelt einen Bildsensor aus Perovskit. Dieser ist in der Lage, wesentlich mehr Licht einzufangen als sein Gegenspieler aus Silicium.
So funktioniert der neue Fotochip aus Perovskit
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.
Die neuen Pixel aus Perovskit hingegen brauchen keinen Extra-Filter: Der Filter ist im Material sozusagen «eingebaut». Den Empa- und ETH-Forscher 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.
Rot, Grün und Blau übereinander statt nebeneinander: 3 mal mehr Licht
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.
«Mit einem Perovskit-Sensor liesse sich also dreimal so viel Licht pro Fläche einfangen wie mit einem herkömmlichen Silicium-Sensor»
Ivan Shorubalko, EMPA
Herstellung der neuen Swiss-Kamera braucht weniger Energie
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, etwa indem man sie 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.
Zielmarkt Handy-Kameras
Shorubalko ist zuversichtlich, dass das Versprechen von einem besseren Bildsensor gerade Handyhersteller anzieht. „Ein Sensor, der bei viel weniger Licht erstklassige Bilder liefert, könnte durchaus ein Pluspunkt sein“, sieht Shorubalko seine Chance bei Smartphone Produzenten.
