Diagnostik

Billige Radiologie: Solarzellen können Knochenbrüche entdecken

Halbleiter in Solarzellen können als Röntgeninstrument genutzt werden. Sie absorbieren die Röntgenstrahlen genauso gut wie herkömmliche Detektoren, sind aber in der Herstellung wesentlich billiger.

Welche Halbleiter eignen sich für Röntgendetektoren auf flexiblen Trägermaterialien? Unten rechts ist die Kristallstruktur des verwendeten Halbleiters zu sehen.  (Grafik: FAU)

Welche Halbleiter eignen sich für Röntgendetektoren auf flexiblen Trägermaterialien? Unten rechts ist die Kristallstruktur des verwendeten Halbleiters zu sehen. (Grafik: FAU)

Ein Halbleiter, der normalerweise in Solarzellen zum Einsatz kommt, reagiert auch auf Röntgenstrahlen empfindlich – und zwar genauso gut wie die Materialien, die bislang verwendet werden. Das haben Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) nun zusammen mit Forschern aus Österreich und der Schweiz erstmals gezeigt.

Die Kosten bei der medizinischen Diagnostik von Knochenbrüchen könnten so zum Beispiel deutlich gesenkt werden: Zum einen ist die Herstellung einfacher und damit deutlich günstiger und zum anderen erweitern sich die Anwendungsbereiche. Forscher haben ihre Ergebnisse jetzt in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

Während Röntgenbilder früher – und zum Teil auch heute noch – mit fotografischen Filmen aufgenommen wurden, gibt es mittlerweile auch digitale Röntgenkameras, die jedoch immens kostspielig sind. In den Detektoren werden Halbleiter aus Silizium oder Selen in aufwändigen und komplizierten Vakuumverfahren verbaut. In der Solartechnik, bei der es wie in der Röntgentechnik grundsätzlich ebenfalls darum geht, Licht zu absorbieren, werden immer häufiger sogenannte lösungsprozessierte Halbleiter eingesetzt. Diese lassen sich einfach auf Trägerschichten wie Glas oder Kunststoff drucken und helfen damit, Produktionskosten erheblich einzusparen.

Wird ein Röntgenbild von Knochen im Körper aufgenommen, werden Röntgenstrahlen auf die betreffende Stelle gerichtet. Die Strahlen durchdringen den Körper, werden dort von den verschiedenen Gewebearten mehr oder weniger stark absorbiert und treffen auf den dahinterliegenden Detektor. Dieser muss – um überhaupt ein brauchbares Bild zu erhalten – die auftreffenden Strahlen in hohem Maße absorbieren.

Für ihre Versuche bestrahlten die Wissenschaftler eine Dünnschicht-Solarzelle, bestehend aus einem Halbleiter, mit Röntgenwellen. Dieser Halbleiter hat unter anderem einen hohen Anteil Blei. Das Element absorbiert – im Gegensatz zu leichteren Elementen oder biologischen Substanzen – Röntgenstrahlung vergleichsweise gut. Die Forscher stellten fest, dass sich der Halbleiter prinzipiell sehr gut eignet, um die Strahlen zu detektieren.

Jedoch fanden die FAU-Wissenschaftler um Professor Wolfgang Heiß am Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften heraus, dass die Solarzellen selbst viel zu dünn sind, um als Detektoren zu dienen: Sie sind nur wenige Mikrometer dick, absorbieren dadurch zu wenig Röntgenstrahlung – und erzeugen daher keine ausreichend scharfen und detailreichen Bilder.

Die Kollegen an der Johannes Kepler Universität Linz stellten daraufhin Detektoren her, bei denen die Halbleiterschicht etwa 300-mal so dick war wie in den Solarzellen. Die Materialien sprühten die Forscher mit einer Airbrush-Technik auf. Damit erreichten sie eine homogene Beschichtung mit ausreichenden elektrischen Eigenschaften, um Röntgenstrahlung zu detektieren.

Was die Wissenschaftler besonders überraschte: Mit den Detektoren, die auf den Halbleitern aus den Solarzellen basierten, erzielten sie genauso gute Ergebnisse wie mit Detektoren aus Festkörper-Halbleitern, für deren Herstellung aufwendige Vakuum-Beschichtungsanlagen nötig sind. Mit ihren Ergebnissen ist den Forschern ein wesentlicher Schritt in Richtung kostengünstiger Röntgendetektoren gelungen.

Diese könnten in Zukunft möglicherweise auch auf flexible Kunststoffe wie Kapton oder PET aufgesprüht werden, was den Einsatzbereich in der Material- und in der medizinischen Analytik immens erweitern würde. Die Airbrush-Technik könnte sich vor allem für großflächige Detektoren eignen, wie sie beispielsweise in Röntgenkameras eingesetzt werden.

 

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