La conception de couches minces 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 pièces électroniques ou les cellules solaires pour créer de l’électricité à partir de la lumière. Un film mince décrit le processus d’ajout de très petites quantités de produit en couches répétées, pas nécessairement l’épaisseur du produit fini.
Les premiers appareils électroniques utilisaient des tubes à vide lourds et volumineux et d’autres pièces pour fabriquer des téléviseurs et des appareils électroniques au milieu du 20e 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 21e siècle, les améliorations continues de la conception des circuits électroniques ont conduit à des appareils de plus petite taille et d’une plus grande capacité de calcul. La conception de couches minces est importante pour sa capacité à utiliser de petites quantités de matières premières coûteuses pour fabriquer des circuits à un coût relativement faible.
Malgré le concept selon lequel la conception de couches minces concerne le processus et non la taille de la pièce, un marché en croissance au début du 21e siècle était le développement de circuits flexibles. Plutôt que d’avoir à utiliser des circuits imprimés rigides, les développeurs pouvaient désormais créer des pièces électroniques sur des plastiques très minces et flexibles. L’électricité solaire est un marché qui a bénéficié de cette amélioration.
Les panneaux solaires du début au milieu du 20e siècle étaient des panneaux lourds et rigides faits de verre solide et d’épaisses couches de matériaux générateurs d’électricité. Avec le temps, la conception à couche mince a conduit à des panneaux rigides avec un poids beaucoup plus faible, ce qui a réduit le temps et les dépenses d’installation. De plus, les films minces ont permis de placer des panneaux solaires dans des calculatrices portables, des radios et des téléphones portables ou des chargeurs à faible coût. À la fin du 20e siècle, les cellules solaires ont d’abord été produites sur un film plastique, permettant au panneau d’être enroulé pour le stockage ou installé comme 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 qui avaient leurs propres limites d’efficacité. Il était important de maximiser l’efficacité énergétique des conceptions solaires, et la conception à couche mince a permis aux efficacités de dépasser 20 % au début du 21e siècle, avec des améliorations supplémentaires attendues à mesure que de nouveaux matériaux étaient testés.
Au 21e 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.
Dans le même temps, des mélanges de métaux pouvant créer de l’électricité à partir de la lumière ont été développés 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 du film mince et à l’époque, ils n’étaient pas considérés comme des risques environnementaux. Dans tous les cas, les fabricants ont choisi une conception particulière pour créer 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 procédé de dépôt de films minces est la pulvérisation cathodique, où le matériau est vaporisé et reçoit une charge électrique, où il est attiré par le matériau de base avec une charge opposée. La lumière laser peut être utilisée pour vaporiser des 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 couches minces.