Das Originalbild links, daneben die entsprechenden Abbildungen im Rot-, Grün- und Blaubereich sowie rechts unten das zusammengesetzte Bild mittels der dreischichtigen Perowskit-Farbsensoren.

Das Originalbild links, daneben die entsprechenden Abbildungen im Rot-, Grün- und Blaubereich sowie rechts unten das zusammengesetzte Bild mittels der dreischichtigen Perowskit-Farbsensoren. EMPA

Der Clou der Entwicklung ist, dass die rot-, blau- und grün-empfindlichen Farbsensoren aufeinander geschichtet werden anstatt sie wie bisher mosaikförmig aneinander zu reihen und aus den einzelnen Farbpixeln ein farblich hochaufgelöstes Bild zu berechnen. Der Nachteil dieses Prinzips ist: Weil 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, so genannte Farbmoiré-Effekte, auftreten, die mühsam wieder aus dem fertigen Bild herausgerechnet werden müssen.

Schon seit einigen Jahren haben die Forscher der Empa und ETH Zürich daher die Idee verfolgt, die drei Farbsensoren aufeinanderzustapeln statt sie nebeneinander zu platzieren. Dies bedingt natürlich, dass die oben liegenden Sensoren für diejenigen Lichtfrequenzen, die sie nicht absorbieren, gut durchlässig sind. Ende der 1990er-Jahre gelang es erstmals, einen derartigen Sensor herzustellen: Er bestand aus drei aufeinandergestapelten Silizium-Schichten, die jeweils nur eine Farbe absorbierten. Daraus entstand ein kommerziell erhältlicher Bildsensor, der sich allerdings nicht durchsetzen konnte: Da die Absorptionsfrequenzen der verschiedenen Schichten nicht scharf genug voneinander abgegrenzt waren, wurde ein Teil des grünen und roten Lichts bereits in der (oben liegenden) blau-empfindlichen Schicht absorbiert – als Resultat verwischen die Farben, und die Lichtempfindlichkeit ist dadurch sogar niedriger als bei gewöhnlichen Lichtsensoren. Zudem benötigte die Produktion der absorbierenden Silizium-Schichten einen aufwändigen, teuren Herstellungsprozess.

Den Empa-Forscher ist es nun gelungen, einen Sensor-Prototypen zu entwickeln, der diese Probleme vermeidet. Er besteht aus drei verschiedenen Arten von Perowskiten. Je nach Zusammensetzung dieser Perowskite können sie etwa einen Teilbereich des Lichtspektrums absorbieren, für den restlichen Bereich aber durchsichtig wirken. Dies nutzten die Forscher, um einen Farbsensor von der Größe gerade mal eines Pixels herzustellen. Damit gelang es, sowohl einfache eindimensionale als auch realistischere zweidimensionale Bilder zu reproduzieren – und zwar mit einer enorm hohen Farbtreue.

Farben präzise erkennen

Die Vorteile dieses neuen Ansatzes liegen auf der Hand: Die Absorptionsspektren sind klar getrennt – die Farberkennung ist also wesentlich präziser als bei Silizium. Zudem sind die Absorptionskoeffizienten insbesondere für die Lichtanteile mit höheren Wellenlängen (grün und rot) bei den Perowskiten wesentlich höher als bei Silizium. Dadurch können die Schichten deutlich kleiner gefertigt werden, was wiederum kleinere Pixelgrößen ermöglicht. Dies ist bei gewöhnlichen Kamerasensoren nicht entscheidend; aber für andere Analysetechnologien, etwa in der Spektroskopie, könnte dies eine erheblich höhere räumliche Auflösung ermöglichen. Die Blei-Halogen-Perowskite können zudem in einem vergleichsweise günstigen Verfahren hergestellt werden.

Um diesen Prototypen zu einem kommerziell nutzbaren Bildsensor weiterzuentwickeln, ist allerdings noch einiges an Arbeit notwendig: Zentral sind etwa die Miniaturisierung der Pixel und Methoden, um eine ganze Matrix von solchen Pixeln in einem Schritt herzustellen. Dies soll aber mit bereits existierenden Herstellungstechniken möglich sei.

Nähere Informationen:
M. Kovalenko, L. Protesescu, M.I. Bodnarchuk: “Properties and potential optoelectronic applications of lead halide perovskites nanocrystals” (Science, 2017), DOI: 10.1126/science.aam7093