Il design a film sottile è una tecnica di produzione che consiste nel depositare strati molto sottili su un materiale di base o di substrato. Il processo può essere utilizzato per rivestimenti di vernice, parti elettroniche o celle solari per creare elettricità dalla luce. Un film sottile descrive il processo di aggiunta di quantità molto fini di prodotto in strati ripetuti, non necessariamente quanto è spesso il prodotto finito.
I primi dispositivi elettronici utilizzavano tubi a vuoto pesanti e ingombranti e altre parti per realizzare televisori ed elettronica a metà del 20 ° secolo. Col tempo, sono diventati disponibili semiconduttori e dispositivi a stato solido, consentendo all’elettronica di utilizzare circuiti leggeri e piccoli. Nel 21° secolo, i continui miglioramenti nella progettazione dei circuiti elettronici hanno portato a dispositivi con dimensioni più piccole e maggiore capacità di calcolo. Il design a film sottile è importante per la sua capacità di utilizzare piccole quantità di materie prime costose per realizzare circuiti a costi relativamente bassi.
Nonostante il concetto che la progettazione del film sottile riguardi il processo, non la dimensione della parte, un mercato in crescita all’inizio del 21° secolo era lo sviluppo di circuiti flessibili. Invece di dover utilizzare circuiti stampati rigidi, gli sviluppatori possono ora creare parti elettroniche su plastiche molto sottili e flessibili. Un mercato che ha beneficiato di questo miglioramento è stato l’energia solare.
I pannelli solari nella prima metà del XX secolo erano pannelli pesanti e rigidi realizzati con vetro solido e spessi strati di materiali per la generazione di elettricità. Col tempo, il design a film sottile ha portato a pannelli rigidi con un peso molto inferiore che ha ridotto i tempi e i costi di installazione. Inoltre, i film sottili hanno permesso di posizionare i pannelli solari in calcolatrici portatili, radio e telefoni cellulari o caricabatterie a basso costo. Alla fine del XX secolo, le celle solari sono state prodotte per la prima volta su pellicola di plastica, consentendo di arrotolare il pannello per lo stoccaggio o installarlo come superficie esterna di un edificio o di un veicolo.
L’efficienza energetica, una misura di quanta luce solare viene convertita in elettricità, era bassa nei primi progetti solari. L’elettricità prodotta dai pannelli solari veniva tipicamente immagazzinata in batterie che avevano i propri limiti di efficienza. Era importante massimizzare l’efficienza energetica dei progetti solari e il design a film sottile ha consentito di aumentare l’efficienza fino a superare il 20% all’inizio del 21° secolo, con ulteriori miglioramenti previsti man mano che i nuovi materiali venivano testati.
Nel 21° secolo, i film sottili solari utilizzavano una miscela di silicio cristallino e non cristallino o amorfo. Il silicio cristallino potrebbe essere paragonato alla sabbia, dove le molecole hanno una struttura fissa e regolare. Un materiale amorfo è come il vetro, dove le molecole sono più casuali con diverse proprietà fisiche ed elettriche.
Allo stesso tempo, sono state sviluppate miscele di metalli che potrebbero creare elettricità dalla luce per le celle solari. Il seleniuro di rame indio e gallio (CIGS) e il tellururo di cadmio (CdTe) erano due tecnologie utilizzate come alternativa al silicio. Questi metalli, sebbene tossici in alcuni casi, erano fissati rigidamente nel design del film sottile e all’epoca non erano considerati pericolosi per l’ambiente. In tutti i casi, i produttori hanno scelto un design particolare per creare la massima efficienza per costo unitario, al fine di ottenere un vantaggio di mercato.
Alcuni prodotti possono essere spruzzati in modo simile per dipingere su una base di vetro o pellicola. Strati alternati di materiali elettricamente conduttori e non conduttori possono creare circuiti elettronici. Un altro processo per depositare film sottili è lo sputtering, dove il materiale viene vaporizzato e dotato di carica elettrica, dove viene attratto dal materiale di base con una carica opposta. La luce laser può essere utilizzata per vaporizzare materiali da depositare su un substrato. Il plasma, una scarica elettrica ad alta energia, può essere utilizzato per trasferire materiali in alcuni progetti a film sottile.