Die Fähigkeit, zu sehen, verdanken wir ausgeklügelter Technik von Mutter Natur: Unser Auge nimmt Licht aus der Umgebung auf und wandelt es in der Netzhaut in ein elektrisches Signal um, das als Information an unser Gehirn weitergeleitet wird. Nach dem gleichen Prinzip arbeiten optische Bauelemente, auch Photodetektoren genannt. Sie stecken in Digitalkameras, und kommen außerdem in der Automatisierungstechnik, der Bioanalytik oder für bildgebende Diagnoseverfahren in der Medizintechnik zum Einsatz. In der Regel bestehen die optischen Bauelemente aus anorganischen Materialien wie Silizium. Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Organik, Materialien und Elektronische Bauelemente COMEDD in Dresden entwickeln nun auch optische Photodioden (OPD) auf Basis von organischen Materialien wie etwa Molekülen, Polymeren oder Farbpigmenten.

„Solche OPDs haben gleich mehrere Vorteile gegenüber anorganischen Bauelementen: Sie sind sehr leicht, preiswert in der Fertigung und sie erlauben auch flexible Anwendungen“, erklärt Dr. Olaf R. Hild, Abteilungsleiter am Fraunhofer COMEDD. Welcher Werkstoff dabei zum Einsatz kommt, hängt vor allem davon ab, welches Wellenlängenspektrum ein 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 auch kompakte Mikrosensoren, die organische Halbleiter mit Siliziumtechnologie kombinieren.

Erhöhte Lichtempfindlichkeit durch Photodioden

Das Einsatzspektrum reicht von winzigen Sensorelementen in Kameras oder in der Bioanalytik bis hin zu großflächigen Anwendungen in der Qualitätskontrolle. So können die OPDs etwa in lab-on-chip-Anwendungen bestimmte DNA-Sequenzen detektieren, die mit Fluoreszenzmarkern markiert wurden. In hochwertigen Kameras lässt sich mithilfe der Photodioden die Empfindlichkeit des Lichts steigern: „Um die Lichtempfindlichkeit heute verwendeter CCD-Chips zu erhöhen, können unsere Photodioden integriert werden. Sie ermöglichen eine höhere Lichtsensitivität, da eine größere aktive Fläche genutzt werden kann“, erläutert Hild. Leuchtende Oberflächen wie etwa Displays lassen sich mit OPDs auf eine homogene Farbzusammensetzung und Helligkeitsverteilung überprüfen. Im Gegensatz zu siliziumbasierten Bauelementen sind mit OPDs zudem auch flexible Bauelemente möglich: Dazu integriert man die Photodioden in Polymerfolien, die sich auch auf gewölbte oder gebogene Oberflächen aufbringen lassen. Denkbar sind damit zum Beispiel spezielle Formen für die Qualitätskontrolle, 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 solch großflächigen Anwendungen stellen OPDs eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Technologien dar: 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.