Ogniwa fotowoltaiczne, będące podstawowym składnikiem paneli fotowoltaicznych, wykonywane są z wafli krzemowych monokrystalicznych, polikrystalicznych i amorficznych. Technologie ich produkcji są nieustannie modernizowane po to, aby poprawić ich parametry techniczne, obniżyć koszty, tak aby stawały się coraz bardziej atrakcyjne dla nabywców. W laboratoriach trwają obecnie prace nad ogniwami cienkowarstwowymi, tworzonymi zarówno ze związków nieorganicznych jak i organicznych. Panele fotowoltaiczne w postaci cienkiej warstwy, którą można by nakleić na dach, dopasować do jego kształtu i koloru dachu z pewnością przyciągnęłyby uwagę właścicieli domów, zainteresowały architektów i projektantów.
Grubość warstwy aktywnej w ogniwie cienkowarstwowym wykonanym ze związków nieorganicznych zwykle nie przekracza 20 \( \mu m \). Zużycie surowca półprzewodnikowego jest więc niewielkie [1], potencjalna elastyczność ogniwa także jest zapewniona. Istotne jest także, aby taka warstwa aktywna miała wysoką wartość współczynnika absorpcji, ponieważ wpływa to na efektywność konwersji energii świetlnej na elektryczną. W przypadku, gdy do budowy ogniw fotowoltaicznych wykorzystywane są materiały organiczne, grubość warstwy aktywnej nie przekracza 1 \( \mu m \), ponieważ współczynnik absorpcji tych materiałów jest dużo wyższy niż materiałów półprzewodnikowych.
Ogniwa cienkowarstwowe pracują wydajnie nawet przy zacienieniu ogniwa, temperatura ma mniejszy wpływ na ich moc wyjściową, a ponadto można je sporządzić w niemal dowolnie zaprojektowanym kształcie i wyglądzie. Mankamentem tych ogniw może być niższa wydajność, gdy wykorzystywany jest inny materiał niż krzem i to, że użyty materiał może być toksyczny.
Warstwy aktywne w cienkowarstwowych ogniwach fotowoltaicznych nakładane są na podłoża transparentne lub nieprzezroczyste i stosuje się różne metody ich nakładania. W przypadku podłoża transparentnego nakłada się najpierw elektrodę przezroczystą, potem warstwy aktywne fotowoltaicznie i na końcu drugą elektrodę. Zaś w przypadku, gdy podłoże jest nieprzezroczyste, najpierw nakłada się elektrodę, która może być nieprzezroczysta, na nią warstwy fotowoltaicznie aktywne, a na koniec elektrodę przezroczystą. Grubość poszczególnych warstw zawiera się w granicach od 100 do 500 nm.
Do budowy ogniw fotowoltaicznych wykorzystywane są materiały o różnych właściwościach. Warto podkreślić, że podłoża powinny zapewniać odpowiednią trwałość mechaniczną ogniwa, a w przypadku ogniw elastycznych materiał powinien być odporny na zginanie. Elektrody powinny być z materiałów tak dobranych, żeby oporność pomiędzy materiałem fotowoltaicznym i elektrodą była jak najmniejsza.
Obecnie do budowy cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych najbardziej korzystnymi materiałami są polikrystaliczne struktury, zawierające dwuselenek galowo-indowo-miedziowy \( CuIn_{x}Ga_{1-x}Se_{2} \), czy tellurek kadmu CdTe [2]. Ogniwa fotowoltaiczne z warstwą CdTe w warunkach laboratoryjnych osiągają wydajność w granicach \( 16\% \) (w produkcji niestety ok. \( 10\% \)). Trwają jednak prace, aby w pełni wykorzystać potencjał tych ogniw, a krytycznymi problemami przy poprawie ich efektywności są:

• identyfikacja i redukcja gęstości defektów na granicy między ziarnami,
• wzrost koncentracji nośników dziurowych w warstwie CdTe,
• eliminacja lub kontrola równoległych połączeń,
• rozwijanie procesu produkcyjnego,
• określenie i przezwyciężenie problemów z formowaniem tylnego kontaktu,
• konieczne jest również skonstruowanie lepszej obudowy hermetycznej, gdyż ogniwa te silnie oddziałują z atmosferą ( \( O_{2}, H_{2}O \)), co powoduje zmniejszenie ich żywotności.

Na Rys. 1 przedstawiono strukturę cienkowarstwowego ogniwa fotowoltaicznego. Na szklanym podłożu umieszczona jest warstwa metalu, która tworzy kontakt omowy z półprzewodnikiem typu p, czyli warstwą absorbera (CIS, CIGS lub CGS). Tworząca z nią złącze p-n warstwa siarczku kadmu (CdS) – półprzewodnika o przewodnictwie typu n – poprzedzona jest uporządkowaną warstwą wakansów (ang. Ordered Vacancy Compound, OVC). Warstwa buforowa CdS ma za zadanie dopasowanie krawędzi pasm przewodnictwa warstwy CIGS i okna, którym jest tlenek cynku ZnO.
Szkło sodowo-wapniowe o współczynniku rozszerzalności termicznej około \( 9\cdot 10^{-6} K^{-1} \) jest najczęściej wykorzystywanym podłożem w przypadku cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych typu CIGS. Typowa kompozycja tego szkła zawiera takie tlenki jak \( Na_{2}O \) i CaO, które są źródłem zanieczyszczeń w pozostałych warstwach panelu.
Warstwa absorbera, odpowiadająca za absorpcję fotonów i generowanie nośników prądu elektrycznego jest najważniejszym materiałem w ogniwie cienkowarstwowym. Zazwyczaj składa się ona z dwóch trójskładnikowych stopów: \( CuInSe_{2} \) i \( CuGaSe_{2} \), ze stosunkiem y = Ga/(Ga+In) z zakresu od 0 do 1. Najefektywniejszą warstwę wykorzystywaną w fotowoltaice uzyskuje się dla y = 0,11 - 0,26. Stop \( CuInSe_{2} \) jest półprzewodnikiem o prostej przerwie energetycznej, wynoszącej 1,05 eV (do ok. 1,65 eV w przypadku stopu \( CuGaSe_{2} \)) oraz o bardzo dużym współczynniku absorpcji α = 105 \( cm^{-1} \) dla fotonów o energiach > 1,4 eV.
Materiały należące do grupy II-(III)-VI są nazywane chalkopirytami, ponieważ krystalizują w takim samym układzie co chalkopiryt \( CuFeS_2 \)– popularny minerał z gromady siarczków. Struktura kryształu oparta jest na układzie regularnym, tzw. strukturze blendy cynkowej. Właściwości półprzewodnikowe chalkopirytów są związane z ich podobieństwem elektrycznym i strukturalnym do półprzewodników z grupy IV, takich jak krzem czy german. Jedną z głównych cech \( CuIn_{x}Ga_{1-x}Se_{2} \) jest niewrażliwość parametrów optoelektronicznych struktury na znaczne wahania składu materiału. Optyczne i elektryczne właściwości \( CuInSe_{2} \) zależą silnie od stosunku Cu/In oraz od struktury krystalicznej materiału. Koncentracja dziur zależy od nadmiaru selenu i od stosunku Cu/In. Wraz ze zmniejszaniem się stosunku Cu/In maleje koncentracja dziur. Rezystywność warstwy typu p wzrasta o ponad pięć rzędów wielkości, gdy stosunek Cu/In zmniejsza się od 1,1 do 0,9.
Warstwą buforową w cienkowarstwowych ogniwach fotowoltaicznych typu CIGS jest siarczek kadmu CdS o przewodnictwie typu n, który wraz z warstwą absorbera tworzy strukturę heterozłącza n–CdS/p–CIGS. Siarczek kadmu posiada dużą przerwę energetyczną Eg = 2,4 eV. Zaletą takiego połączenia jest przezroczystość materiału o większej przerwie energetycznej dla promieniowania pochłanianego w materiale o mniejszej przerwie energetycznej. Powoduje to, że materiał o większej przerwie energetycznej stanowi okno dla promieniowania, które zostanie zaabsorbowane w warstwie o mniejszej szerokości przerwy energetycznej. Do wad należy zaliczyć zjawisko rekombinacji promienistej w półprzewodniku o mniejszej przerwie energetycznej [3], [4].
Wszystkie produkowane obecnie ogniwa z CdTe wykonuje się głównie jako heterostruktury o konstrukcji przedstawionej na Rys. 1. Światło pada na heterozłącze od strony podłoża przez elektrodę z TCO (ang. Transparent Conducting Oxide). Warstwa CdS spełnia funkcję okna optycznego oraz pomaga zmniejszyć wpływ procesu rekombinacji w obszarze kontaktu n-CdS/p-CdTe.
Wszystkie produkowane obecnie ogniwa z warstwą CIGS wykonuje się jako heterostruktury, w których światło pada na heterozłącze przez przezroczystą warstwę tlenku przewodzącego TCO. Zazwyczaj tworzą ją dwie warstwy tlenku cynku ZnO – jedna o wysokiej rezystywności i druga, silnie domieszkowana o przewodnictwie typu n+. Przerwa energetyczna ZnO, Eg = 3,3 eV, pozwala fotonom o długości fali 350 nm i większej na przejście przez materiał w głąb struktury.
Koszty produkcji ogniw wykonanych na bazie tellurku kadmu CdTe są stosunkowo niskie. Jednak w szerszym ich propagowaniu przeszkadza fakt, iż zawierają znaczne ilości kadmu, który jest pierwiastkiem trującym. Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne z warstwą dwuselenku miedziowo-indowo-galowego CIGS określane są jako najbardziej obiecujące ogniwa ze względu na technologię wytwarzania i niskie koszty produkcji. W warunkach laboratoryjnych sprawność tych paneli jest bliska \( 20\% \). Wielkość szerokości przerwy energetycznej bliska wartości optymalnej oraz możliwie szeroki wybór struktur współpracujących z warstwą CIGS, czynią je wysoce atrakcyjnymi z punktu widzenia zastosowania w przemyśle fotowoltaicznym [5].

Ogniwa cienkowarstwowe wytwarza się korzystając z:

• tellurku kadmu (ogniwa CdTe) – technologia najszerzej znana; tellurek kadmu zawiera znaczące ilości kadmu, który jest toksyczny,
• silikonu amorficznego (ogniwa a-Si) – technologia najbardziej przypominająca standardowe panele krzemowe,
• połączenia miedzi, indu, galu i selenu (ogniwa CIGS – ang. Copper Indium Gallium Selenide),
• arsenku galu (ogniwa GaAs) – technologia bardzo droga, stosowana przede wszystkim w statkach kosmicznych.

Fotowoltaiczne ogniwa cienkowarstwowe, dzięki małym warstwom absorbującym światło, z wydajnymi półprzewodnikami, cieńszymi i dużo lżejszymi od ich tradycyjnych odpowiedników, o bardzo estetycznym wyglądzie i niemal dowolnym kształcie są bardzo atrakcyjną ofertą do stosowania. Reasumując, do ich niekwestionowanych zalet należą:

• mniejszy wpływ wysokich temperatur na moc wyjściową,
• mniejsza liczba materiałów użyta przy ich produkcji,
• wydajna praca przy niewielkiej ilości światła,
• zacienienie panelu wpływa na jego moc w mniejszym stopniu niż w przypadku typowych paneli,
• bardzo estetyczny wygląd,
• mogą przyjmować różne, nawet fantazyjne kształty.

Producenci, tacy jak Sharp czy First Solar, oprócz paneli krzemowych mono- i polikrystalicznych, oferują panele cienkowarstwowe. Nazwa ta dobrze określa ich budowę – warstwy absorbujące światło są około 350 razy cieńsze, niż w standardowych ogniwach krzemowych. Są również elastyczne i dopasowują się do kształtu dachu, a ich grubość nie przekracza 20 \( \mu m \)> Naklejenie ich na dach, zamiast umieszczenia grubych i sztywnych paneli krzemowych, to bardzo interesująca propozycja.