Sensoranwendungen

Die Vorteile der Organischen Photodioden

| Redakteur: Hendrik Härter

Organische Photodioden sind besonders leicht und zudem preiswert in der Fertigung. Sie lassen sich ganz nach Kundenwunsch fertigen.
Organische Photodioden sind besonders leicht und zudem preiswert in der Fertigung. Sie lassen sich ganz nach Kundenwunsch fertigen. (Foto: Fraunhofer COMEDD)

Um es Vorweg zu nehmen: Organische Photodioden sind im Gegensatz zu ihren auf Silizium basierten Pendant nicht nur flexibler, sondern auch preiswerter und leichter. Fraunhofer-Forscher haben jetzt Photodioden entwickelt, die sich kundenspezifisch fertigen lassen.

Organische Photodioden sind, ähnlich wie Organische Leuchtdioden (OLEDs), eine vielversprechende Alternative zu ihrem siliziumbasierten Pendant. Dank eines flexiblen Trägermaterials wie Polymerfolien lassen sich die Photodioden vielfältig einsetzen. Optische Bauelemente arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie unsere Augen: Sie nehmen Licht aus ihrer Umgebung auf und wandeln es in ein elektrisches Signal um.

Solche optischen Bauelemente, auch Photodetektoren genannt, stecken beispielsweise in Digitalkameras, und kommen außerdem in verschiedenen bildgebenden Diagnoseverfahren zum Einsatz. Optische Bauelemente bestehen meist aus anorganischen Materialien wie Silizium. Doch haben Organische Photodioden (OPD) Vorteile: Sie sind leicht, preiswert und erlauben flexible Anwendungen.

Welcher Werkstoff eingesetzt wird, hängt von der Anwendung ab. So ist entscheidend, welches Wellenlängenspektrum der Kunde für seine Anwendung benötigt. Organische Materialien sind jeweils nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich sensitiv – das bedeutet, sie reagieren beispielsweise nur auf grünes Licht. Über die Materialauswahl können die Wissenschaftler also die spektrale Empfindlichkeit ihrer optischen Sensoren steuern und individuell anpassen.

Die zur Verfügung stehenden Werkstoffe decken dabei bereits ein großes Wellenlängenspektrum ab. Für spezielle Anwendungen, etwa im UV- oder nahen Infrarotbereich, entwickeln die Dresdener Forscher darüber hinaus kompakte Mikrosensoren, die organische Halbleiter mit Siliziumtechnologie kombinieren.

Kamerachips direkt mit Photodioden beschichten

Das Einsatzspektrum reicht von winzigen Sensorelementen in Kameras oder in der Bioanalytik bis hin zu großflächigen Anwendungen in der Qualitätskontrolle, etwa um bei der Automobilherstellung frühzeitig Lackschäden aufzuspüren. So können die OPDs beispielsweise in Lab-on-chip-Anwendungen bestimmte DNA-Sequenzen detektieren, die mit Fluoreszenzmarkern versehen wurden. In hochwertigen Kameras lässt sich mithilfe der organischen Photodioden die Lichtempfindlichkeit steigern.

„Um die Lichtempfindlichkeit heute verwendeter CCD-Chips zu erhöhen, können Kamerachips direkt mit unseren Photodioden beschichtet werden. Sie ermöglichen eine höhere Lichtsensitivität, da eine größere aktive Fläche genutzt werden kann“, erläutert Dr. Olaf R. Hild, Abteilungsleiter am COMEDD in Dresden. Mit OPDs lässt sich prüfen, wie sich in Displays die Helligkeit verteilt und ob sich Farben homogen zusammensetzen.

Im Gegensatz zu siliziumbasierten Bauelementen sind mit OPDs zudem auch flexible Bauelemente möglich: Dabei werden die Photodioden auf Polymerfolien abgeschieden, die sich auch auf gewölbte oder gebogene Oberflächen aufbringen lassen. Somit lassen sich zum Beispiel spezielle Formen für die Qualitätskontrolle realisieren, in die das Prüfgut einfach hineingelegt wird. Auf diese Weise ließe sich etwa eine ganze Autotür unter die Lupe nehmen – beispielsweise, um herauszufinden, ob die Qualität der Lackierung überall gleich gut ist oder ob Kratzer vorhanden sind. Vor allem bei großflächigen Anwendungen bieten sich OPDs als kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Technologien an: Silizium auf große Flächen zu bringen, ist sehr aufwändig und teuer.

Dagegen lassen sich OPDs mit einfachen Beschichtungsverfahren auf vergleichsweise preiswerte Materialien aufbringen. Dabei können die Forscher auf etablierte Fertigungstechnologien aufsetzen, etwa Verfahren zur Herstellung organischer Photovoltaik. Auf der diesjährigen SENSOR + TEST präsentieren die Forscher einen Farbsensor mit vier organischen Photodioden mit einer jeweils unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeit.

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