Qu'est-ce que la conception de films minces?

La conception en film mince est une technique de fabrication consistant à déposer des couches très minces sur un matériau de base ou de substrat. Le processus peut être utilisé pour les revêtements de peinture, les composants électroniques ou les cellules solaires afin de générer de l'électricité à partir de la lumière. Un film mince décrit le processus consistant à ajouter de très fines quantités de produit en couches répétitives, sans nécessairement déterminer l’épaisseur du produit fini.

Les premiers appareils électroniques utilisaient des tubes à vide lourds et encombrants et d'autres pièces pour fabriquer des téléviseurs et des appareils électroniques au milieu du XXe siècle. Avec le temps, les semi-conducteurs et les dispositifs à semi-conducteurs sont devenus disponibles, permettant à l'électronique d'utiliser de petits circuits légers. Au XXIe siècle, les améliorations constantes apportées à la conception des circuits électroniques ont conduit à des dispositifs de plus petite taille et dotés de plus grandes capacités de calcul. La conception des couches minces est importante pour sa capacité à utiliser de petites quantités de matières premières coûteuses pour réaliser des circuits à un coût relativement bas.

Malgré l'idée que la conception des couches minces concerne le processus, et non la taille de la pièce, le développement des circuits flexibles a constitué un marché en croissance au début du 21ème siècle. Plutôt que d'avoir à utiliser des circuits imprimés rigides, les développeurs pourraient désormais créer des composants électroniques sur des plastiques très minces et flexibles. L'électricité solaire a été un marché qui a bénéficié de cette amélioration.

Les panneaux solaires du début au milieu du XXe siècle étaient des panneaux lourds et rigides en verre solide et d’épaisses couches de matériaux générant de l’électricité. Avec le temps, la conception en film mince a conduit à des panneaux rigides avec un poids beaucoup plus faible, réduisant ainsi le temps et les dépenses d'installation. De plus, les couches minces permettaient de placer des panneaux solaires dans des calculatrices, radios et téléphones portables ou des chargeurs portables à moindre coût. À la fin du XXe siècle, les cellules solaires ont d'abord été fabriquées sur un film plastique, permettant ainsi au panneau d'être enroulé pour être stocké ou installé en tant que surface extérieure d'un bâtiment ou d'un véhicule.

L'efficacité énergétique, une mesure de la quantité de lumière solaire convertie en électricité, était faible dans les premières conceptions solaires. L'électricité produite à partir de panneaux solaires était généralement stockée dans des batteries ayant leurs propres limites d'efficacité. Il était important de maximiser l'efficacité énergétique des conceptions solaires, et la conception des couches minces permettait d'atteindre des rendements supérieurs à 20% au début du 21ème siècle, avec des améliorations supplémentaires attendues lors du test de nouveaux matériaux.

Au XXIe siècle, les couches minces solaires utilisaient soit un mélange de silicium cristallin et non cristallin, soit amorphe. Le silicium cristallin pourrait être comparé au sable, où les molécules ont une structure fixe et régulière. Un matériau amorphe est comme le verre, où les molécules sont plus aléatoires avec des propriétés physiques et électriques différentes.

Parallèlement, des mélanges de métaux pouvant générer de l'électricité à partir de la lumière ont été mis au point pour les cellules solaires. Le séléniure de cuivre indium gallium (CIGS) et le tellurure de cadmium (CdTe) étaient deux technologies utilisées comme alternative au silicium. Ces métaux, bien que toxiques dans certains cas, étaient fixés de manière rigide dans la conception en film mince et n'étaient pas considérés à l'époque comme des risques pour l'environnement. Dans tous les cas, les fabricants ont choisi une conception particulière afin de générer l'efficacité la plus élevée par coût unitaire, afin d'obtenir un avantage sur le marché.

Certains produits peuvent être pulvérisés de la même manière que la peinture sur une base de verre ou de film. Des couches alternées de matériaux électriquement conducteurs et non conducteurs peuvent créer des circuits électroniques. Un autre processus de dépôt de films minces est la pulvérisation, où le matériau est vaporisé et soumis à une charge électrique, où il est attiré par le matériau de base avec une charge opposée. La lumière laser peut être utilisée pour vaporiser les matériaux à déposer sur un substrat. Le plasma, une décharge électrique à haute énergie, peut être utilisé pour transférer des matériaux dans certaines conceptions de films minces.

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