Was ist Dünnschichtdesign?
Dünnschichtdesign ist eine Herstellungstechnik zum Abscheiden sehr dünner Schichten auf einem Grund- oder Substratmaterial. Das Verfahren kann für Lacke, elektronische Teile oder Solarzellen verwendet werden, um aus Licht Strom zu erzeugen. Ein dünner Film beschreibt den Vorgang des Hinzufügens sehr feiner Produktmengen in sich wiederholenden Schichten, nicht unbedingt, wie dick das fertige Produkt ist.
Die frühe Elektronik verwendete schwere und sperrige Vakuumröhren und andere Teile, um in der Mitte des 20. Jahrhunderts Fernseher und Elektronik herzustellen. Mit der Zeit wurden Halbleiter und Festkörpergeräte verfügbar, sodass die Elektronik leichtgewichtige, kleine Schaltkreise verwenden konnte. Im 21. Jahrhundert führten fortlaufende Verbesserungen des elektronischen Schaltungsdesigns zu Geräten mit kleineren Größen und höherer Rechenkapazität. Dünnschichtdesign ist wichtig für seine Fähigkeit, kleine Mengen teurer Rohmaterialien zu verwenden, um Schaltungen zu relativ niedrigen Kosten herzustellen.
Trotz des Konzepts, dass es beim Dünnschichtdesign nicht um die Größe des Teils, sondern um den Prozess geht, war die Entwicklung flexibler Schaltkreise zu Beginn des 21. Jahrhunderts ein wachsender Markt. Anstatt starre Leiterplatten zu verwenden, konnten Entwickler jetzt elektronische Bauteile aus sehr dünnen, flexiblen Kunststoffen herstellen. Ein Markt, der von dieser Verbesserung profitierte, war Solarstrom.
Sonnenkollektoren waren zu Beginn des 20. Jahrhunderts schwere, starre Paneele aus massivem Glas und dicken Schichten von Strom erzeugenden Materialien. Mit der Zeit führte das Dünnschichtdesign zu starren Paneelen mit viel geringerem Gewicht, was die Installationszeit und die Kosten reduzierte. Dünne Schichten ermöglichten es außerdem, Sonnenkollektoren kostengünstig in tragbaren Taschenrechnern, Radios und Mobiltelefonen oder Ladegeräten unterzubringen. Ende des 20. Jahrhunderts wurden erstmals Solarzellen auf Kunststofffolie hergestellt, mit denen das Paneel zur Lagerung aufgerollt oder als Außenfläche eines Gebäudes oder Fahrzeugs angebracht werden konnte.
Die Energieeffizienz, ein Maß dafür, wie viel Sonnenlicht in Elektrizität umgewandelt wird, war in frühen Solardesigns gering. Der aus Sonnenkollektoren hergestellte Strom wurde normalerweise in Batterien gespeichert, die ihre eigenen Effizienzbeschränkungen aufwiesen. Es war wichtig, die Energieeffizienz von Solardesigns zu maximieren, und durch das Dünnschichtdesign konnte der Wirkungsgrad zu Beginn des 21. Jahrhunderts auf über 20 Prozent gesteigert werden. Weitere Verbesserungen wurden erwartet, wenn neue Materialien getestet wurden.
Im 21. Jahrhundert verwendeten solare Dünnschichten entweder eine Mischung aus kristallinem und nichtkristallinem oder amorphem Silizium. Kristallines Silizium könnte mit Sand verglichen werden, bei dem die Moleküle eine feste, regelmäßige Struktur aufweisen. Ein amorphes Material ist wie Glas, bei dem die Moleküle zufälliger sind und unterschiedliche physikalische und elektrische Eigenschaften aufweisen.
Gleichzeitig wurden für Solarzellen Metallmischungen entwickelt, die aus Licht Strom erzeugen können. Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und Cadmium-Tellurid (CdTe) waren zwei Technologien, die als Alternative zu Silizium eingesetzt wurden. Obwohl diese Metalle in einigen Fällen toxisch waren, waren sie im Dünnschichtdesign starr fixiert und wurden zu diesem Zeitpunkt nicht als Umweltgefahren angesehen. In allen Fällen wählten die Hersteller ein bestimmtes Design, um die höchste Effizienz pro Kosteneinheit zu erzielen und Marktvorteile zu erzielen.
Einige Produkte können ähnlich wie Farben auf einen Glas- oder Filmträger gesprüht werden. Abwechselnde Schichten aus elektrisch leitenden und nicht leitenden Materialien können elektronische Schaltungen erzeugen. Ein weiteres Verfahren zum Abscheiden dünner Filme ist das Sputtern, bei dem das Material verdampft und elektrisch aufgeladen wird, wobei es mit entgegengesetzter Ladung an das Grundmaterial angezogen wird. Laserlicht kann verwendet werden, um auf einem Substrat abzuscheidende Materialien zu verdampfen. Plasma, eine hochenergetische elektrische Entladung, kann zum Übertragen von Materialien in einigen Dünnschichtdesigns verwendet werden.