DE102007015471B3

DE102007015471B3 - Umgebungslichtsensor

Info

Publication number: DE102007015471B3
Application number: DE102007015471A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Fürst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2027-03-31
Also published as: WO2008119766A1

Abstract

Zur Verwendung als Umgebungslichtsensoren sind Photodetektoren auf Halbleiterbasis bekannt. Solche Photodetektoren mit Siliziumeinkristallen benötigen insbesondere ein Gehäuse und eine zugehörige Optik. Gemäß der Erfindung hat der Sensor (6, 10) eine vorgegebene Anzahl von Photodioden (2i, 12i) auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien, wobei die organischen Photodioden (2i, 12i) großflächig in vorgegebener Geometrie ausgebildet sind und auf unterschiedliche Bereiche eines Raumes richtbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umgebungslichtsensor zur Überwachung der Intensität von Raumlicht in geschlossenen Räumen mit wenigstens einem Photodetektor.
Zur Überwachung der Raumlichtintensität werden Photodetektoren mit einem möglichst großen Empfangswinkel benötigt. Speziell für sog. „Adaptive-Light"-Anwendungen, bei denen die Beleuchtung im Raum punktuell anpassbar ist, sind solche Detektoren zwingend erforderlich. Ein bekannter Detektor für „Adaptive-Light"-Anwendungen hat eine kleine Si-Photodiode, die mit einer aufwändigen Optik versehen ist, um einen möglichst großen Raumwinkel zu erfassen.
Neben den hohen Kosten letzteren Gerätes ist die Empfindlichkeitskurve von Silizium(Si)-Photodioden sehr schlecht an die des menschlichen Auges angepasst. So ist eine Si-Photodiode besonders im infraroten Spektralbereich um 850 nm besonders empfindlich, während das menschliche Auge grünes Licht um 530 nm am besten erkennt. Um eine Überreaktion des Si-Detektors im Infraroten zu unterdrücken sind daher zusätzliche Interferenzfilter nötig, die das langwellige Licht Wegfiltern. Dabei muss beachtet werden, dass das Abblocken von langwelligem Licht wesentlich aufwändiger ist als von kurzwelligem Licht.
Aus der WO 2004/026012 A1 ist ein multifunktionales Gehäuse vorbekannt, das für obige Zwecke eingesetzt werden kann. Dabei könnten ggf. auch nanoporöse Fullerenschichten entsprechend der DE 10 2004 036 793 A1 in Verbindung mit der organischen Photovoltaik Verwendung finden.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Umgebungslichtsensor zu schaffen, der kostengünstig ist und einen möglichst großen Raumwinkel überwachen kann.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gegenstand der Erfindung ist ein Umgebungslichtsensor, bei dem Photodioden auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien vorhanden sind. Derartige Photodioden sind großflächig in vorgebbarer Geometrie ausbildbar und können bei der Verwendung als Umgebungslichtsensor in geschlossenen Räumen auf unterschiedliche Bereiche des Raumes gerichtet sein.
Die Erfindung macht sich also insbesondere die leichte Handhabbarkeit der organischen Halbleitermaterialien zunutze. Es können nun entweder großflächige flexible Substrate bereichsweise mit flächenhaften Photodioden versehen und anschließend in die geeignete Raumform gebogen werden oder es werden standardisierte, einzelne Detektoren mit jeweils flächenhafter Photodiode zu einer geeigneten Raumform zusammengefügt. Als Raumform kommen im ersten Fall insbesondere ein Kegelstumpf und im zweiten Fall insbesondere ein Würfel in Frage. Es lässt sich in beiden Fällen ein vorgebbarer, von der Anzahl der flächigen Photodioden abhängiger Raumbereich, insbesondere ein Bereich mit nahezu 360° Raumwinkel, abdecken.
Photodioden auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien bieten die Möglichkeit, großflächige Photodioden mit hohen Quanteneffizienzen, beispielsweise 50 bis 85%, im sichtbaren Bereich des Spektrums herzustellen. Die hierbei eingesetzten dünnen organischen Schichtsysteme können mit bekannten Herstellungsverfahren wie sog. Spin-Coating, Rakeln oder Druckverfahren kostengünstig hergestellt werden und ermöglichen dadurch vor allem für großflächige Anordnungen (Devices) einen beachtlichen Preisvorteil gegenüber bekannten Halbleiterbauelementen.
Die organischen Photodioden bestehen z. B. aus einem vertikalen Schichtsystem: ITO-Bottom-Elektrode/PEDOT:PSS/P3HT-PCBM-Blend/Ca-Ag-Top-Elektrode. Selektive Elektroden sind nötig, um ein Diodenverhalten des Devices zu gewährleisten. Dabei soll die Anode durch eine hohe, die Kathode durch eine niedrige Austrittsarbeit charakterisiert sein. Der Blend aus den beiden Komponenten und zwar P3HT (Absorber- und Lochtransportkomponente) sowie PCBM (Elektronenakzeptor und -transportkomponente) wirkt hierbei als sog. „Bulk Heterojunction"-Material. Die Trennung der Ladungsträger erfolgt an den Grenzflächen der beiden Materialien, die sich innerhalb des gesamten Schichtvolumens ausbilden.
Das vorgeschlagene Materialsystem weist eine Empfindlichkeitskurve auf, die dem des menschlichen Auges sehr nahe kommt. Somit entfällt ein Wegfiltern der infraroten Spektralkomponenten wie bei Silizium-Technologie. Daneben können organische Photodetektoren großflächig auf flexiblen Substraten wie PET Folien prozessiert werden.
Mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen ist es möglich, kostengünstig 360°-Umgebungslichtsensoren herzustellen. Dabei werden vorzugsweise auf ein flexibles Substrat, wie eine PET Folie, mehrere großflächige Photodetektorelemente von einigen mm² bis cm² aufgebracht. Anschließend wird der Detektor zu einem Kreis bzw. Kegel gebogen und in eine Halterung, die die Ansteuerelektronik enthält, eingebaut. Ein solcher Detektor hat einen Raumwinkel-Empfindlichkeitsbereich von 360°. Alternativ ist es auch möglich, starre Substrate für die großflächigen Photodetektorelemente zu verwenden, wobei mehrere solcher Elemente zu einem geometrischen Raumkörper zusammensetzbar sind. Insbesondere fünf Elemente können Flächen eines Würfels bilden und die Hauptrichtungen eines Raumes abdecken.
Der beschriebene Sensor kann durch Kombination mit einer organischen Solarzelle vorteilhafterweise als energieautarker Sensor ausgebildet sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen.
Die Figuren zeigen eine schematische Darstellung zur Herstel lung eines kostengünstigen 360°-Photodetektors. Im Einzelnen zeigt dabei
1 die Herstellung von großflächigen Detektoren auf flexiblen Substraten,
2 das Biegen des Substrates mit den Detektoren zu einem Kegel und Einpassung in ein Sensorgehäuse,
3 einen großflächigen Detektor auf einem starren Substrat und
4 die Kombination von Detektoren aus 3 zu einem Raumlichtsensor.
Photodetektoren auf der Basis von Halbleitern, d. h. Silizium-Photodioden, sind vom Stand der Technik bekannt. Beispielsweise haben sie einen Erfassungswinkel von bis zu 130°. Derartige Photodetektoren benötigen ein Gehäuse mit genauer Zentrierung des eigentlichen Silizium-Kristalls, wozu entsprechende Haltungsmittel notwendig sind. Wesentlich ist dabei eine Optik, um einen geeigneten Erfassungswinkel zu realisieren.
Organische Photodioden und deren Herstellung sind vom Stand der Technik bekannt, wozu insbesondere auf die älteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin mit Aktenzeichen DE 10 2005 055 278 A1 sowie 10 2005 038 123 verwiesen wird. Davon abgesehen ist ein solcher Aufbau im Prinzip auch vom allgemeinen Stand der Technik der organischen Halbleiter bekannt. Wesentlich ist dabei jeweils, dass ein Substrat vorhanden ist, das insbesondere flexibel sein kann, auf dem eine Anode als erste Metallelektrode, ein organischer Halbleiter mit einem Halbleiterübergang und darauf eine Kathode als weitere Elektrode angeordnet sind. Zwischen den Elektroden ist eine Spannung anlegbar.
Für organische Photodioden ist noch wesentlich, dass ein Schutz des Bauteiles mittels einer Verkapselung vorhanden ist. Die photoleitfähige organische Schicht kann dabei aus einem so genannte „Bulk-Heterojunction"-Material gebildet sein. Dies wird beispielsweise als so genanntes Blend aus einem lochtransportierenden Polythiophen und einem elektronentransportierenden Fullerenderivat realisiert.
In der 1 ist ein flexibles Substrat mit 1 bezeichnet. Auf dem Substrat sind beispielsweise sechs großflächige Detektoren 2_i aufgebracht, die jeweils einen vorstehend beschriebenen Aufbau haben.
Entsprechend 2 wird das flexible Substrat 1 mit den darauf aufgebrachten Detektoren 2_i zu einem Kreis gebogen und insbesondere in trichterförmiger Einpassung in ein vorhandenes Gehäuse eingepasst, das durch Abdeckungen 3 und 4 begrenzt ist. Das Gehäuse bildet also einen kegelstumpfartigen Sensor. Mittels einer Halterung 5 ist dieser Sensorkegel an einer Raumdecke befestigbar. Damit ist ein Umgebungslichtsensor geschaffen, der insbesondere einen 360°-Erfassungswinkel hat. Die Neigung des trichterförmigen Gehäuses gibt dabei jeweils die Fokussierung auf bestimmte Raumbereiche an.
In 3 ist ein einzelner großflächiger Detektor 12 auf einem starren Substrat 11 aufgebracht. Es werden beispielsweise quadratische Flächen gebildet.
Elemente gemäß 3 können zu geometrischen Raumkörpern zusammengefügt werden. Beispielsweise bilden vier Detektoren 12i die Umlaufflächen eines Würfels und ein fünfter Detektor 12i dessen Grundfläche, was anhand 4 verdeutlicht wird.
Mit einem solchen 'Sensorwürfel' können vier Raumrichtungen und die Richtung nach unten abgedeckt werden.
Der Aufbau gemäß 2 oder 4 kann in unterschiedlichster Weise variiert werden. Gemeinsam ist dabei jeweils, dass organische Photodetektoren, die flächenhaft hergestellt werden können, verwendet werden.
Die Verwendung der organischen Photodetektoren und Aufbau zu den in 2 und 4 dargestellten Sensoren hat eine Reihe von Vorteilen. Dies sind insbesondere:

– keine Überempfindlichkeit im infraroten Spektralbereich
– einfache Herstellung großer Detektorflächen
– Prozessierung auf geeigneten Substraten und anschließendes Zusammenfügen in die korrekte Form
– kostengünstige Realisierung.

Die beschriebenen Sensoren können durch Solarzellen komplettiert werden, so dass energieautarke Sensoren gebildet werden.

Claims

Umgebungslichtsensor zur Überwachung der Intensität von Raumlicht in geschlossenen Räumen, mit wenigstens einem Photodetektor (6, 10), wobei der Photodetektor (6, 10) eine vorgegebene Anzahl von Photodioden (2_i , 12_i ) auf der Basis von organischen Halbleitermaterialien beinhaltet und die Photodioden (2_i , 12_i ) großflächig in vorgegebener Geometrie ausgebildet sind und auf unterschiedliche Bereiche eines Raumes gerichtet sind.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (6) aus einem flexiblen Substrat (1) mit mehreren darauf aufgebrachten flächenhaften Photodioden (2_i ) besteht, wobei das Substrat (1) mit den Photodioden (2_i ) in eine vorgebbare Raumgeometrie biegbar ist.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gebogene Substrat (1) einen Kegelabschnitt bildet.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner Photodetektor aus einem starren Substrat (11) mit daran aufgebrachter flächenhafter Photodiode (12) besteht, wobei mehrere Photodetektoren zu einer vorgebbaren Raumform zusammenbaubar sind.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass fünf Photodetektoren eine Würfelbasisform bilden.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 3 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich von 360° in der Umgebung des Raumes abgedeckt ist.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Photodioden (2_i , 12_i ) hohe Quanteneffizienzen im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums aufweisen.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Quanteneffizienz wenigstens 50 beträgt.
Umgebungslichtsensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Photodioden (2_i , 12_i ) aus einem vertikalen Schichtsystem bestehen.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Schichtsystems aus einer Anode und einer Kathode mit dazwischen liegendem organischen Halbleiter besteht
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode eine hohe Austrittsarbeit, die Kathode dagegen eine niedrige Austrittsarbeit aufweist.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kathode und Anode wenigstens eine organische Schicht mit einer Absorber- und einer Lochtransportkomponente und einem Elektronenakzeptor und Elektronentransportkomponente vorhanden ist.
Umgebungslichtsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Schicht ein Blend aus einem lochtransportierenden Polythiopen und einem elektronentransportierenden Fulleren-Derivat ist
Umgebungslichtsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verbindung mit einer Solarzelle ein energieautarker Sensor gebildet ist.