Co to jest projektowanie cienkich warstw?
Konstrukcja cienkowarstwowa to technika wytwarzania polegająca na nanoszeniu bardzo cienkich warstw na materiał podłoża lub podłoża. Proces ten można zastosować do powłok malarskich, części elektronicznych lub ogniw słonecznych w celu wytworzenia elektryczności ze światła. Cienka folia opisuje proces dodawania bardzo drobnych ilości produktu w powtarzających się warstwach, niekoniecznie jak gruby jest gotowy produkt.
Wczesna elektronika wykorzystywała ciężkie i nieporęczne lampy próżniowe i inne części do produkcji telewizorów i elektroniki w połowie XX wieku. Z czasem stały się dostępne półprzewodniki i urządzenia półprzewodnikowe, umożliwiając elektronice stosowanie lekkich, małych obwodów. W XXI wieku ciągłe ulepszenia w projektowaniu układów elektronicznych doprowadziły do powstania urządzeń o mniejszych rozmiarach i większej mocy obliczeniowej. Konstrukcja cienkowarstwowa jest ważna ze względu na jej zdolność do wykorzystywania niewielkich ilości drogich surowców do wytwarzania obwodów przy stosunkowo niskich kosztach.
Pomimo koncepcji, że projektowanie cienkich warstw dotyczy procesu, a nie wielkości części, rosnącym rynkiem na początku XXI wieku był rozwój obwodów elastycznych. Zamiast używać sztywnych płytek drukowanych, programiści mogli teraz tworzyć części elektroniczne na bardzo cienkich, elastycznych plastikach. Rynkiem, który skorzystał z tej poprawy, była energia słoneczna.
Panele słoneczne na początku do połowy XX wieku były ciężkimi, sztywnymi panelami wykonanymi z litego szkła i grubych warstw materiałów wytwarzających energię elektryczną. Z czasem konstrukcja cienkowarstwowa doprowadziła do powstania sztywnych paneli o znacznie mniejszej masie, co skróciło czas i koszty instalacji. Ponadto cienkie folie pozwoliły na umieszczenie paneli słonecznych w przenośnych kalkulatorach, radiach i telefonach komórkowych lub ładowarkach przy niskich kosztach. Pod koniec XX wieku ogniwa słoneczne zostały po raz pierwszy wyprodukowane na folii z tworzywa sztucznego, co pozwoliło zwinąć panel do przechowywania lub zainstalować jako zewnętrzną powierzchnię budynku lub pojazdu.
Efektywność energetyczna, pomiar ilości światła słonecznego zamienianego w elektryczność, była niska we wczesnych projektach słonecznych. Energia elektryczna wytwarzana z paneli słonecznych była zwykle przechowywana w bateriach, które miały własne ograniczenia wydajności. Ważne było zmaksymalizowanie efektywności energetycznej konstrukcji solarnych, a konstrukcja cienkowarstwowa pozwoliła na zwiększenie wydajności do ponad 20 procent na początku XXI wieku, przy oczekiwanych dodatkowych ulepszeniach w miarę testowania nowych materiałów.
W XXI wieku cienkie błony słoneczne wykorzystywały mieszaninę krzemu krystalicznego i niekrystalicznego lub bezpostaciowego krzemu. Krystaliczny krzem można porównać do piasku, w którym cząsteczki mają stałą, regularną strukturę. Materiał amorficzny jest jak szkło, gdzie cząsteczki są bardziej losowe i mają różne właściwości fizyczne i elektryczne.
Jednocześnie opracowano mieszaniny metali, które mogą wytwarzać energię elektryczną ze światła dla ogniw słonecznych. Selenek miedzi indu galu (CIGS) i tellurku kadmu (CdTe) to dwie technologie stosowane jako alternatywa dla krzemu. Metale te, choć w niektórych przypadkach toksyczne, były sztywno utrwalone w konstrukcji cienkowarstwowej i w tym czasie nie były uważane za zagrożenia dla środowiska. We wszystkich przypadkach producenci wybrali konkretny projekt, aby uzyskać najwyższą wydajność na koszt jednostkowy, aby uzyskać przewagę rynkową.
Niektóre produkty można natryskiwać podobnie do farby na podłoże szklane lub filmowe. Naprzemienne warstwy materiałów przewodzących i nieprzewodzących mogą tworzyć obwody elektroniczne. Innym procesem osadzania cienkich warstw jest rozpylanie, w którym materiał jest odparowywany i otrzymuje ładunek elektryczny, w którym jest przyciągany do materiału podstawowego o przeciwnym ładunku. Światło laserowe może być użyte do odparowania materiałów, które mają być osadzone na podłożu. Plazma, wyładowanie elektryczne o wysokiej energii, może być używana do przenoszenia materiałów w niektórych projektach cienkowarstwowych.