薄膜設計とは

薄膜設計は、ベースまたは基板材料上に非常に薄い層を堆積させる製造技術です。 このプロセスは、塗料コーティング、電子部品、または太陽電池に使用して、光から電気を作り出すことができます。 薄いフィルムとは、繰り返し製品に非常に微細な量の製品を追加するプロセスのことであり、必ずしも最終製品の厚さではありません。

初期の電子機器は、20世紀半ばに大型でかさばる真空管などの部品を使用してテレビや電子機器を製造していました。 やがて、半導体と半導体デバイスが利用可能になり、電子機器が軽量で小さな回路を使用できるようになりました。 21世紀に入り、電子回路設計の継続的な改善により、デバイスのサイズが小さくなり、計算能力が向上しました。 薄膜設計は、少量の高価な原材料を使用して比較的低コストで回路を作成する能力にとって重要です。

薄膜設計は部品のサイズではなくプロセスに関するものであるという概念にもかかわらず、21世紀初頭の成長市場はフレキシブル回路の開発でした。 開発者は、硬質の回路基板を使用する代わりに、非常に薄く柔軟なプラスチック上に電子部品を作成できるようになりました。 この改善の恩恵を受けた市場は太陽光発電でした。

20世紀初頭から20世紀半ばのソーラーパネルは、固体ガラスと発電材料の厚い層で作られた重くて硬いパネルでした。 やがて、薄膜設計により、非常に軽量な剛性パネルができ、設置時間と費用が削減されました。 さらに、薄膜により、ソーラーパネルを携帯用電卓、ラジオ、携帯電話、または充電器に低コストで配置できました。 20世紀後半、太陽電池はプラスチックフィルムで最初に製造され、パネルを保管用に巻き上げたり、建物や車両の外面として設置したりすることができました。

太陽光がどれだけ電気に変換されるかの測定であるエネルギー効率は、初期のソーラー設計では低かった。 ソーラーパネルから作られた電気は、通常、独自の効率の制限があるバッテリーに蓄えられていました。 ソーラー設計のエネルギー効率を最大化することが重要であり、薄膜設計により21世紀初頭に効率が20％を超えるようになり、新しい材料がテストされるにつれて追加の改善が期待されました。

21世紀、ソーラー薄膜は、結晶シリコンと非結晶シリコン、またはアモルファスシリコンの混合物を使用していました。 結晶シリコンは、分子が固定された規則的な構造を持つ砂と比較されるかもしれません。 アモルファス材料はガラスのようなもので、分子は物理的および電気的特性が異なるランダムなものです。

同時に、太陽電池用に、光から電気を生成できる金属混合物が開発されました。 セレン化銅インジウムガリウム（CIGS）とテルル化カドミウム（CdTe）は、シリコンの代替として使用される2つの技術でした。 これらの金属は、場合によっては毒性がありますが、薄膜設計では厳密に固定されており、当時は環境の危険性は考慮されていませんでした。 すべての場合において、メーカーは、市場での優位性を獲得するために、ユニットコストあたり最高の効率を実現する特定の設計を選択しました。

一部の製品は、ガラスまたはフィルムベースにペイントするのと同様にスプレーできます。 導電性材料と非導電性材料の交互の層は、電子回路を作成できます。 薄膜を堆積する別のプロセスはスパッタリングで、材料を蒸発させて電荷を与え、反対の電荷で基材に引き付けます。 レーザー光を使用して、基板に堆積する材料を蒸発させることができます。 高エネルギーの放電であるプラズマを使用して、一部の薄膜設計で材料を転写できます。