Energy Harvesting: Kamerasensor nimmt Bilder auf und liefert Strom

Digitalfotografie und Photovoltaik basieren auf einem ähnlichem Prozess: Licht trifft auf einen Sensor und wird in Elektrizität umgewandelt. US-Forscher haben beide Funktionen in einem Chip gebündelt: So entsteht ein Kamerasensor, der sich selbst mit Strom versorgt.

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Fotograf mit Digitalkamera (Symbolbild): Den Kamera-Akku wird der Chip wohl nicht ersetzen.
Fotograf mit Digitalkamera (Symbolbild): Den Kamera-Akku wird der Chip wohl nicht ersetzen. (Bild: Fujifilm)

Fotografieren, ohne den Kamera-Akku aufzuladen - das soll ein neuartiger Bildsensor ermöglichen, den Wissenschaftler der Universität von Michigan in Ann Arbor entwickelt haben. Er versorgt sich selbst mit Strom.

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Ein Bildsensor absorbiert Licht und wandelt es in elektrische Signale um. Eine Solarzelle absorbiert ebenfalls Licht und wandelt es in elektrischen Strom um. Wenn sich beide Funktionen kombinieren ließen, so überlegten die Forscher um Euisik Yoon, dann könnte das einen Sensor ergeben, der sich selbst mit Strom versorgt. Die Forscher haben einen Prototypen gebaut, der mit Tageslicht betrieben wird und bis zu 15 Bilder pro Sekunde aufnimmt. Vorgestellt haben sie ihn in der Fachzeitschrift IEEE Electron Device Letters.

Das System besteht aus zwei Chips: dem Bildsensor und einer Solarzelle dahinter. Auf diese Lösung kamen die Forscher, als sie feststellten, dass viele Photonen den Fotodetektor durchqueren, ohne dass sie ein Signal erzeugen. Eine zweite Fotozelle hinter dem Sensor absorbiert diese Photonen und wandelt das Licht in Strom um. "Das ist nicht wirklich Recycling, es ist eher wie Abfall sammeln", sagte Yoon dem US-Wissenschaftsmagazin IEEE Spectrum.

Bei weniger Licht sinkt die Bildrate

Der Chip hat fünf Mikrometer große Pixel, die 998 Pikowatt pro Lux pro Quadratmillimeter erreichen. Das ist nach Angabe der Wissenschaftler die bisher höchste Leistungsdichte von Energy-Harvesting-fähigen Bildsensoren. Den Akku in der Kamera wird der Chip wohl nicht ersetzen: An einem sonnigen Tag mit 60.000 Lux kann der Sensor 15 Bilder pro Sekunde aufnehmen, bei normalem Tageslicht - 20.000 bis 30.000 Lux - halbiert sich die Bildrate. Allerdings gebe es noch Möglichkeiten, die Effizienz zu verbessern, sagte Yoon. Die Forscher hätten zunächst prüfen wollen, ob ihr Konzept überhaupt funktioniert.

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Yoon und seine Kollegen sind nicht die Ersten, die einen solchen Kombi-Sensor entwickeln. Bei den Vorgängern gab es zwei Ansätze: Der eine war, einen Teil der Sensorfläche für die Photovoltaik zu nutzen. Das ging aber zulasten der Bildqualität, da weniger Fläche zur Verfügung stand, um Licht für das Bild zu absorbieren. Das zweite Konzept nutzte den Chip abwechselnd als Bildsensor und Solarzelle. Dadurch wird das System allerdings komplexer, der Sensor kann außerdem weniger Bilder aufnehmen.

Das neu entwickelte Konzept soll es ermöglichen, eine Kamera zu bauen, die neben dem Sensor und dem Prozessor noch einen WLAN-Chip hat, um die Bilder zu übertragen. Eine solche Kamera ließe sich fast unsichtbar überall platzieren, sagte Yoon.

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