Что такое дизайн тонких пленок?

Тонкопленочный дизайн - это технология нанесения очень тонких слоев на материал основы или подложки. Процесс может быть использован для лакокрасочных покрытий, электронных компонентов или солнечных элементов для создания электричества из света. Тонкая пленка описывает процесс добавления очень мелких количеств продукта в повторяющиеся слои, не обязательно, насколько толстый конечный продукт.

Ранняя электроника использовала тяжелые и громоздкие вакуумные трубки и другие детали для создания телевизоров и электроники в середине 20-го века. Со временем стали доступны полупроводники и полупроводниковые устройства, что позволило электронике использовать легкие, небольшие схемы. В 21-м веке постоянные улучшения в дизайне электронных схем привели к устройствам с меньшими размерами и большей вычислительной мощностью. Тонкопленочный дизайн важен из-за его способности использовать небольшое количество дорогостоящего сырья для создания цепей при относительно низких затратах.

Несмотря на идею о том, что дизайн тонких пленок связан с процессом, а не с размером детали, растущий рынок в начале XXI века стал развитием гибких схем. Вместо того чтобы использовать жесткие печатные платы, разработчики теперь могут создавать электронные детали на очень тонких и гибких пластмассах. Рынок, который извлек выгоду из этого улучшения, был солнечным электричеством.

Солнечные панели в начале и середине 20-го века были тяжелыми, жесткими панелями, изготовленными из твердого стекла и толстых слоев электрогенерирующих материалов. Со временем тонкопленочная конструкция привела к жестким панелям с гораздо меньшим весом, что уменьшило время и стоимость монтажа. Кроме того, тонкие пленки позволяли размещать солнечные панели в портативных калькуляторах, радиоприемниках и сотовых телефонах или зарядных устройствах по низкой цене. В конце 20-го века солнечные элементы были впервые изготовлены на пластиковой пленке, что позволило свернуть панель для хранения или установить в качестве внешней поверхности здания или транспортного средства.

Энергоэффективность, измерение того, сколько солнечного света преобразуется в электричество, была низкой в ​​ранних солнечных проектах. Электроэнергия, произведенная от солнечных батарей, обычно хранилась в батареях, которые имели свои собственные ограничения эффективности. Было важно максимизировать энергоэффективность солнечных конструкций, а дизайн тонких пленок позволил повысить эффективность до более чем 20 процентов в начале 21-го века с дополнительными улучшениями, ожидаемыми по мере испытания новых материалов.

В 21 веке в тонких пленках на солнечной энергии использовалась либо смесь кристаллического и некристаллического, либо аморфного кремния. Кристаллический кремний можно сравнить с песком, где молекулы имеют фиксированную, правильную структуру. Аморфный материал подобен стеклу, где молекулы более случайны с различными физическими и электрическими свойствами.

В то же время для солнечных элементов были разработаны смеси металлов, которые могли бы создавать электричество из света. Селенид меди индия-галлия (CIGS) и теллурид кадмия (CdTe) были двумя технологиями, использованными в качестве альтернативы кремнию. Эти металлы, хотя и были токсичными в некоторых случаях, были жестко закреплены в конструкции тонких пленок и в то время не считались опасными для окружающей среды. Во всех случаях производители выбирали конкретную конструкцию, чтобы создать максимальную эффективность на единицу стоимости, чтобы получить преимущество на рынке.

Некоторые продукты можно распылять аналогичным образом, чтобы нанести краску на стеклянную или пленочную основу. Чередующиеся слои из электропроводящих и непроводящих материалов могут создавать электронные схемы. Другим процессом нанесения тонких пленок является распыление, при котором материал испаряется и получает электрический заряд, где он притягивается к основному материалу с противоположным зарядом. Лазерный свет можно использовать для испарения материалов, которые должны быть нанесены на подложку. Плазма, высокоэнергетический электрический разряд, может использоваться для переноса материалов в некоторых тонкопленочных конструкциях.