Mejores cámaras con perovskita

30.05.2024

Captura tres veces más luz: Investigadores de Empa y ETH están desarrollando un sensor de imagen hecho de perovskita que podría proporcionar fotos con colores reales incluso en condiciones de poca luz. A diferencia de los sensores de imagen convencionales, en los que los píxeles rojos, verdes y azules están uno al lado del otro en una cuadrícula, los píxeles de perovskita pueden apilarse, lo que aumenta enormemente la cantidad de luz que puede captar cada píxel individual.

Empa

Innovador sensor de luz: Los investigadores trabajan ahora en la miniaturización de los píxeles, que originalmente tenían un tamaño de hasta cinco milímetros, y su ensamblaje en un sensor de imagen funcional.

Familia, amigos, vacaciones, mascotas: Hoy en día hacemos fotos de todo lo que se pone delante de nuestro objetivo. La fotografía digital, ya sea con un teléfono móvil o con una cámara, es sencilla y, por tanto, está muy extendida. Cada año, los últimos dispositivos prometen un sensor de imagen aún mejor y con más megapíxeles. El tipo de sensor más común se basa en el silicio, que se divide en píxeles individuales para la luz roja, verde y azul (RGB) mediante filtros especiales. Sin embargo, ésta no es la única forma de fabricar un sensor de imagen digital, y posiblemente ni siquiera sea la mejor.

Un consorcio formado por Maksym Kovalenko, del laboratorio de Películas Finas y Fotovoltaica de Empa, Ivan Shorubalko, del laboratorio de Transporte en Interfaces a Nanoescala de Empa, y los investigadores de la ETH Zúrich Taekwang Jang y Sergii Yakunin, trabaja en un sensor de imagen fabricado con perovskita capaz de captar mucha más luz que su homólogo de silicio. En un sensor de imagen de silicio, los píxeles RGB están dispuestos unos junto a otros en una cuadrícula. Cada píxel sólo capta alrededor de un tercio de la luz que le llega. Los dos tercios restantes quedan bloqueados por el filtro de color.

Los píxeles fabricados con perovskitas de haluro de plomo no necesitan un filtro adicional: ya está "incorporado" al material, por así decirlo. Los investigadores de Empa y ETH han conseguido producir perovskitas de haluro de plomo de tal forma que sólo absorben la luz de una determinada longitud de onda -y, por tanto, el color-, pero son transparentes a las demás longitudes de onda. Esto significa que los píxeles para el rojo, el verde y el azul pueden apilarse unos sobre otros en lugar de colocarse uno al lado del otro. El píxel resultante puede absorber todo el espectro de longitudes de onda de la luz visible. "Por tanto, un sensor de perovskita podría captar tres veces más luz por área que un sensor de silicio convencional", explica Shorubalko, investigador del Empa. Además, la perovskita convierte una mayor proporción de la luz absorbida en una señal eléctrica, lo que hace que el sensor de imagen sea aún más eficiente.

El equipo de Kovalenko fue capaz de fabricar por primera vez píxeles individuales de perovskita apilados y funcionales en 2017. Para dar el siguiente paso hacia sensores de imagen reales, el consorcio ETH-Empa dirigido por Kovalenko se había asociado con la industria electrónica. "Los retos a los que hay que enfrentarse incluyen la búsqueda de nuevos procesos de fabricación y modelado de materiales, así como el diseño y la implementación de arquitecturas electrónicas de lectura compatibles con la perovskita", subraya Kovalenko. Los investigadores trabajan ahora en la miniaturización de los píxeles, que originalmente tenían un tamaño de hasta cinco milímetros, y en su ensamblaje en un sensor de imagen funcional. "En el laboratorio no fabricamos los grandes sensores de varios megapíxeles que se utilizan en las cámaras", explica Shorubalko, "pero con un tamaño de sensor de unos 100.000 píxeles ya podemos demostrar que la tecnología funciona".

Buen rendimiento con menos energía

Otra ventaja de los sensores de imagen basados en perovskita es su fabricación. A diferencia de otros semiconductores, las perovskitas son menos sensibles a los defectos del material y, por tanto, pueden fabricarse con relativa facilidad, por ejemplo depositándolas desde una solución sobre el material portador. En cambio, los sensores de imagen convencionales requieren silicio monocristalino de gran pureza, que se produce en un proceso lento a casi 1.500 grados centígrados.

Las ventajas de los sensores de imagen basados en la perovskita son evidentes. Por eso no es de extrañar que el proyecto de investigación incluya también una colaboración con la industria. El reto reside en la estabilidad de la perovskita, más sensible a las influencias ambientales que el silicio. "Los procesos habituales destruirían el material", explica Shorubalko. "Así que estamos desarrollando nuevos procesos en los que la perovskita permanece estable. Y nuestros grupos asociados de la ETH de Zúrich trabajan para garantizar la estabilidad del sensor de imagen durante su funcionamiento".

Si el proyecto, que se prolongará hasta finales de 2025, tiene éxito, la tecnología estará lista para su transferencia a la industria. Shorubalko confía en que la promesa de un mejor sensor de imagen atraiga a los fabricantes de teléfonos móviles. "Hoy en día, mucha gente elige su smartphone en función de la calidad de la cámara, porque ya no tienen una cámara independiente", afirma el investigador. Un sensor que ofrezca imágenes excelentes en condiciones de iluminación mucho peores podría ser una gran ventaja".

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