Ze względu na technologiczne ograniczenia oraz koszty produkcji ogniw bazujących na krzemie krystalicznym poszukiwane były alternatywne materiały i metody do wytworzenia ogniw fotowoltaicznych. Około \( 50\% \) kosztów produkcji ogniw słonecznych z krzemu krystalicznego przypada na przygotowanie krzemu, natomiast obróbka ogniw i paneli stanowi odpowiednio \( 20\% \) i \( 30\% \). Poszukiwania miały więc na celu znalezienie innych niż krzem mono- i polikrystaliczny materiałów do budowy ogniw. W latach siedemdziesiątych udało się wytworzyć pierwsze cienkowarstwowe ogniwa na bazie krzemu amorficznego, a następnie innych materiałów.
Najpopularniejsze typy ogniw cienkowarstwowych ( Rys. 1 [1]) to ogniwa wykonane z krzemu amorficznego, ogniwa CIGS oraz CIS (bazujące na miedzi, indzie, galu, selenie). Ich sprawność waha się w granicach \( 14-23\% \). Popularnymi materiałami są także siarczek kadmu oraz tellurek kadmu (CdS oraz CdTe). Ogniwa krzemowe dominują na rynku PV ( \( 92\% \)), następne miejsca zajmują ogniwa na bazie CdTe, \( 5\% \) CIS/CIGS/CIGSS- \( 2\% \) i krzemu amorficznego ( \( 1\% \)) [2].

Rysunek 1: Ogniwo cienkowarstwowe. Aut. fot. Fieldsken Ken Fields, licencja CC BY-SA 3.0, źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thin_Film_Flexible_Solar_PV_Ken_Fields_1.JPG.

Ogniwa cienkowarstwowe są tańsze w produkcji, ze względu na mniejsze zużycie materiałów, automatyzację produkcji i mniej pracochłonne procesy technologiczne. Problemem może się w przyszłości okazać niedobór kluczowych materiałów – ceny indu i telluru stale wzrastają. Drugą zaletą ogniw, a co za tym idzie paneli cienkowarstwowych jest masa – są one lżejsze niż ogniwa krzemowe [3]. Osiągają one nieznacznie niższe sprawności niż ogniwa z krzemu krystalicznego, jak również mają niższą żywotność. Posiadają jednak one niewątpliwą zaletę, jaką jest możliwość nakładania ich na elastyczne powierzchnie (folie).

Pierwszymi zbudowanymi ogniwami cienkowarstwowymi były ogniwa z krzemu amorficznego. Istotnym elementem w rozwijaniu tej technologii były właściwości krzemu amorficznego – posiada on współczynnik absorpcji światła wyższy niż krzem krystaliczny. Przekrój przez budowę ogniwa został przedstawiony na Rys. 2. Warstwa przewodnika samoistnego o grubości ok. 0,5-1 µm jest umieszczana pomiędzy dodatkowymi warstwami materiałów typu p (grubość warstwy wynosi około 8 nm) i n (warstwa o grubości około 20 nm) [4].

Ogniwa CIS/CIGS/CIGSS to ogniwa, w których materiałem konstrukcyjnym jest diselenek indowo-miedziowy \( CuInSe_{2} \) (CIS). Materiał ten charakteryzuje się wysokim współczynnikiem absorpcji (jego przerwa energetyczna wynosi około 1 eV). Poprzez dodanie galu tworzy się związek półprzewodnikowy \( CuIn_{(1-x)}Ga_{x}Se_{2} \).

Sterowanie zawartością galu (x we wzorze) pozwala na modyfikowanie przerwy energetycznej w zakresie 1,02 eV–1,64 eV. Przerwę energetyczną można zwiększyć dodając siarkę. Powstaje wtedy związek CIGSS. Ogniwa CIS/CIGS/CIGSS wytwarzane są przez osadzanie warstwy aktywnej na szkle sodowym pokrytym warstwą molibdenową (kontaktem bazowym). Drugi kontakt stanowi często warstwa tlenku cynku ZnO domieszkowanego aluminium [5]. Ogniwa CIGS mają charakterystyczną czarną barwę.

Kolejnym materiałem do budowy ogniw fotowoltaicznych jest tellurek kadmu (CdTe). Przerwa energetyczna CdTe wynosi 1,45 eV [6], co skutkuje wysoką absorpcją widma słonecznego. Materiał jest stabilny temperaturowo w porównaniu z innymi materiałami półprzewodnikowymi. Pierwiastki Cd i Te oraz ich tlenki są mocno toksyczne, z czym związane były obawy przed zastosowaniem tej technologii. Wykazana została znikoma szkodliwość CdTe dla żywych organizmów. W zwiąku z powyższym ogniwa zostały dopuszczone do produkcji. Ogniwa na bazie CdTe produkują najmniejszy ślad węglowy, najniższe zużycie wody i najkrótszy czas zwrotu energii. Ze względu na dobre połączenie właściwości termicznych, CdTe jest łączone z selenkiem kadmu (CdS). Struktura ogniwa na bazie CdTe została przedstawiona na Rys. 3 (na podstawie [7]).