Beschreibung

UmgebungsIichtsensor

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 Photodetekto- ren 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-Detek- tors im Infraroten zu unterdrücken sind daher zusätzliche In- terferenzfilter 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 Al 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 Al 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 Er- findung 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 großflä- chig 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 Hand- habbarkeit 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, insbesonde- re 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 (De- vices) einen beachtlichen Preisvorteil gegenüber bekannten Halbleiterbauelementen .

Die organischen Photodioden bestehen z. B. aus einem verti-

kalen 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 Hetero- junction"-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 mm ² bis cm ² 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 sol- eher 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 or- ganischen 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 Herstellung eines kostengünstigen 360 °-Photodetektors . Im Einzelnen zeigt dabei

Figur 1 die Herstellung von großflächigen Detektoren auf fle- xiblen Substraten,

Figur 2 das Biegen des Substrates mit den Detektoren zu einem

Kegel und Einpassung in ein Sensorgehäuse,

Figur 3 einen großflächigen Detektor auf einem starren Substrat und Figur 4 die Kombination von Detektoren aus Figur 3 zu einem Raumlichtsensor .

Photodetektoren auf der Basis von Halbleitern, d.h. Silizium- Photodioden, sind vom Stand der Technik bekannt. Beispiels- weise 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 rea- lisieren.

Organische Photodioden und deren Herstellung sind vom Stand der Technik bekannt, wozu insbesondere auf die älteren deutschen Patentanmeldungen der Anmelderin mit Aktenzeichen 10 2005 055 278 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 Figur 1 ist ein flexibles Substrat mit 1 bezeichnet. Auf dem Substrat sind beispielsweise sechs großflächige Detektoren 2 _X aufgebracht, die jeweils einen vorstehend beschriebenen Aufbau haben.

Entsprechend Figur 2 wird das flexible Substrat 1 mit den darauf aufgebrachten Detektoren 2 _X 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 Figur 3 ist ein einzelner großflächiger Detektor 12 auf einem starren Substrat 11 aufgebracht. Es werden beispielsweise quadratische Flächen gebildet.

Elemente gemäß Figur 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 Figur 4 verdeutlicht wird.

Mit einem solchen 'Sensorwürfel' können vier Raumrichtungen und die Richtung nach unten abgedeckt werden.

Der Aufbau gemäß Figur 2 oder Figur 4 kann in unterschied-

lichster 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 Figur 2 und Figur 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 komplet- tiert werden, so dass energieautarke Sensoren gebildet werden .