Der gestapelte Farbsensor
Designte Perowskite absorbieren jeweils andere Farben des Lichtspektrums.
Rot-, blau- und grün-empfindliche Farbsensoren aufeinanderschichten anstatt sie mosaikförmig aufreihen – mit diesem Prinzip könnten sich Bildsensoren mit einer noch nie dagewesenen Auflösung und Lichtempfindlichkeit realisieren lassen. Bislang gelang das aber in der Realität mehr schlecht als recht. Forscher vom schweizerischen Zentrum für Materialforschung Empa und der ETH Zürich haben nun einen Sensorprototypen entwickelt, der das Licht nahezu ideal absorbiert.
Abb.: Bessere Auflösung mit gestapelten Farbsensoren: Hier ein vollfarbiges Bild im Verglsich zu entsprechenden Abbildung im Rot-, Grün- und Blaubereich. (Bild: Empa)
Das menschliche Auge besitzt für die Farbwahrnehmung drei verschiedene Arten von Sinneszellen: Rot-, grün- und blau-empfindliche Zellen wechseln sich im Auge ab und fügen ihre Informationen zu einem farbigen Gesamtbild zusammen. Bildsensoren, beispielsweise in Handykameras, funktionieren ähnlich: Wie bei einem Mosaik wechseln sich blaue, grüne und rote Sensoren ab. Intelligente Softwarealgorithmen berechnen aus den einzelnen Farbpixeln ein farblich hochaufgelöstes Bild.
Das Prinzip bringt aber auch einige Limitationen mit sich: Da jeder einzelne Pixel nur einen kleinen Teil des darauf auftreffenden Lichtspektrums absorbieren kann, geht ein großer Teil der Lichtmenge verloren. Die Sensoren können zudem fast nicht mehr weiter miniaturisiert werden, und es können unerwünschte Bildstörungen, die Farbmoiré-Effekte, auftreten, die mühsam wieder aus dem fertigen Bild herausgerechnet werden müssen.
Schon seit einigen Jahren beschäftigen sich Forscher daher mit der Idee, die drei Sensoren aufeinanderzustapeln statt sie nebeneinander zu platzieren. Dies bedingt natürlich, dass die oben liegenden Sensoren die Lichtfrequenzen, die sie nicht absorbieren, zu den darunter liegenden Sensoren durchlassen. Ende der 1990er-Jahre gelang es erstmals, einen derartigen Sensor herzustellen: Er bestand aus drei aufeinandergestapelten Siliziumschichten, die jeweils nur eine Farbe absorbieren.
Daraus entstand dann auch tatsächlich ein kommerziell erhältlicher Bildsensor. Dieser konnte sich allerdings am Markt nicht durchsetzen: Da die Absorptionsspektren der verschiedenen Schichten nicht scharf genug abgetrennt waren, wird ein Teil des grünen und roten Lichts bereits in der blau-empfindlichen Schicht absorbiert. Als Resultat verwischen die Farben, und die Lichtempfindlichkeit ist dadurch sogar tiefer als bei gewöhnlichen Lichtsensoren. Zudem benötigte die Produktion der absorbierenden Siliziumschichten einen aufwändigen und teuren Herstellungsprozess.
Nun ist es den Forschern nun gelungen, einen Sensorprototypen zu entwickeln, der diese Probleme umgeht. Er besteht aus drei verschiedenen Arten von Perowskiten – einem halbleitenden Materialtyp, der dank seinen herausragenden elektrische Eigenschaften und seiner guten optischen Absorptionsfähigkeit seit einigen Jahren immer größere Bedeutung findet, etwa bei der Entwicklung neuer Solarzellen. Je nach Zusammensetzung dieser Perowskite können sie etwa einen Teilbereich des Lichtspektrums absorbieren, für den restlichen Bereich aber durchsichtig wirken. Dieses Prinzip nutzten die Forscher um Maksym Kovalenko, um einen Farbsensor von der Größe gerade mal eines Pixels herzustellen. Den Forschern gelang es, damit sowohl einfache eindimensionale als auch realistischere zweidimensionale Bilder zu reproduzieren – und zwar mit einer enorm hohen Farbtreue.
Die Vorteile dieses neuen Ansatzes liegen auf der Hand: Die Absorptionsspektren sind klar getrennt. Zudem sind die Absorptionskoeffizienten insbesondere für die Lichtanteile mit höheren Wellenlängen bei den Perowskiten deutlich höher als bei Silizium. Dadurch können die Schichten deutlich kleiner gefertigt werden, was wiederum kleinere Pixelgrößen ermöglicht. Dies ist bei gewöhnlichen Kamerasensoren nicht entscheidend. Für andere Analysetechnologien, etwa in der Spektroskopie, könnte dies jedoch eine erheblich höhere räumliche Auflösung ermöglichen. Die Perowskite können zudem in einem vergleichsweise günstigen Verfahren hergestellt werden. Um diesen Prototypen zu einem kommerziell nutzbaren Bildsensor weiterzuentwickeln, ist allerdings noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig. Zentral sind etwa die Miniaturisierung der Pixel und Methoden, um eine ganze Matrix von solchen Pixeln in einem Schritt herzustellen.
Empa / JOL
