Bildsensoren aus Perovskit: Bessere Bilder für Mensch und Maschine

DMZ – FORSCHUNG ¦ MM ¦ AA ¦ 

 

Dübendorf/Zürich – Bildsensoren aus Perovskit könnten die nächste Revolution in der Fotografie und im maschinellen Sehen einläuten. Forschende der Empa und der ETH Zürich haben eine neuartige Sensortechnologie entwickelt, die auch bei geringem Lichtaufkommen gestochen scharfe Bilder mit präzisen Farben liefert. Zudem eröffnen die Perovskit-Bildsensoren völlig neue Möglichkeiten für die Bildverarbeitung in Bereichen wie Medizin und Umweltüberwachung.

 

Wegweisendes Material für Bildsensoren 

Bildsensoren sind zentrale Komponenten moderner Kameras – vom Smartphone bis zur Digitalkamera. Sie wandeln Licht in elektrische Signale um und ahmen dabei das menschliche Farbsehen mit den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) nach. Herkömmlich basieren diese Sensoren auf Silicium, das Licht im gesamten sichtbaren Spektrum absorbiert. Um die Farben zu trennen, werden Farbfilter eingesetzt, die jedoch nur einen Bruchteil des einfallenden Lichts nutzen – pro Pixel bleiben so nur rund ein Drittel der Lichtmenge erhalten.

 

Ein Team um Prof. Maksym Kovalenko von der Empa und der ETH Zürich verfolgt seit fast einem Jahrzehnt einen anderen Ansatz. Grundlage ist das Halbleitermaterial Bleihalogenid-Perovskit. Dessen chemische Zusammensetzung lässt sich so anpassen, dass es selektiv bestimmte Farben absorbiert – Rot, Grün oder Blau – ganz ohne Lichtfilter. So können die Farb-„Pixel“ übereinandergestapelt werden, was die Lichtausbeute erheblich steigert.

 

Dreifache Lichtausbeute, dreifache Auflösung 

Durch die vertikale Schichtung der Perovskit-Schichten kann auf derselben Sensorfläche theoretisch dreimal so viel Licht erfasst werden wie bei konventionellen Silicium-Sensoren. Das Resultat sind nicht nur lichtempfindlichere Sensoren, sondern auch eine deutlich höhere Auflösung. Erste Prototypen, hergestellt mit industriellen Dünnschichtverfahren, bestätigen diesen Fortschritt und weisen bereits eine Zielgröße auf, die eine Miniaturisierung erlaubt.

 

„Unsere Sensoren zeigen eine präzisere Farbwiedergabe und verringern Bildartefakte wie Moiré-Effekte und Demosaicing-Probleme, die bei Silicium-Sensoren häufig auftreten“, erläutert Kovalenko. Co-Autor Sergii Yakunin ergänzt: „Die Herstellung im Dünnschichtverfahren ermöglicht es, die Technologie schrittweise in die Praxis zu überführen.“

 

Neue Perspektiven für maschinelles Sehen 

Perovskit-Sensoren sind nicht nur für Kameras im Alltag interessant, sondern vor allem für spezialisierte Anwendungen, bei denen Computer über das sichtbare Spektrum hinaus Bilder analysieren. Im Bereich der hyperspektralen Bildgebung – bei der mehr als die klassischen drei Farben erfasst werden – bieten die neuen Sensoren einen entscheidenden Vorteil: Die Wellenlängenbereiche lassen sich individuell und präzise steuern, sodass viele Farbkanäle klar voneinander unterschieden werden können.

 

Diese Eigenschaft macht Perovskit-Bildsensoren etwa für medizinische Diagnostik oder die Überwachung von Umwelt und Landwirtschaft besonders vielversprechend. Dort können sie dazu beitragen, Krankheiten frühzeitig zu erkennen oder den Zustand von Pflanzen und Böden exakt zu analysieren.

 

Zukunftsaussichten und Herausforderungen 

Die aktuelle Generation von Perovskit-Prototypen hat Pixelgrößen von 0,5 bis 1 Millimeter – kommerzielle Sensoren arbeiten im Mikrometerbereich. Die Forschenden sind jedoch zuversichtlich, dass sich die Pixel noch weiter verkleinern lassen und sogar kleiner als bei Silicium werden können. Gleichzeitig muss die Elektronik für die Signalverarbeitung angepasst werden, da Perovskit andere Materialeigenschaften besitzt als Silicium.

 

„Die Ausleseelektronik ist heute noch auf Silicium ausgelegt, aber wir sind überzeugt, dass sich die Herausforderungen meistern lassen“, so Kovalenko. Die erfolgreiche Entwicklung könnte in den kommenden Jahren zu deutlich verbesserten Kamerasystemen führen, die sowohl den Bedürfnissen von Verbraucherinnen und Verbrauchern als auch von industriellen Anwendungen gerecht werden.

 

 

Publikation:

S. Tsarev et al., „Vertically stacked monolithic perovskite colour photodetectors“, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09062-3

 

Herausgeber

admin.ch