박막 태양 전지

박막 태양 전지()는 유리, 플라스틱 또는 금속과 같은 기판 위에 하나 이상의 태양광 물질의 얇은 층(박막 또는 TF)을 증착하여 만든 태양 전지의 한 유형이다. 박막 태양 전지는 일반적으로 수 나노미터(nm)에서 수 μm 두께로, 최대 200 μm 두께인 기존의 결정질 실리콘 (c-Si) 기반 태양 전지에 사용되는 웨이퍼보다 훨씬 얇다. 박막 태양 전지는 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드 (CIGS), 비정질 박막 실리콘 (a-Si, TF-Si) 등 여러 기술에 상업적으로 사용된다.

태양 전지는 일반적으로 태양광을 흡수하는 활성층을 기반으로 소위 세대별로 분류되며, 가장 잘 확립된 1세대 태양 전지는 단결정 또는 다결정 결정질 실리콘으로 만들어진다. 이것은 현재 대부분의 태양광 발전 시스템에서 사용되는 지배적인 기술이다. 대부분의 박막 태양 전지는 비정질 실리콘 (a-Si), 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드 (CIGS), 또는 비소화 갈륨 (GaAs)과 같은 잘 연구된 물질의 얇은 층을 사용하여 만든 2세대로 분류된다. 새로 개발되었거나 덜 확립된 물질로 만든 태양 전지는 3세대 또는 신흥 태양 전지로 분류된다. 여기에는 페로브스카이트, 염료감응형, 퀀텀닷, 유기 및 CZTS 박막 태양 전지와 같은 몇 가지 혁신적인 박막 기술이 포함된다.

박막 전지는 1세대 실리콘 태양 전지에 비해 몇 가지 장점이 있는데, 얇은 구조로 인해 더 가볍고 유연하다는 점이 그러하다. 이는 건물일체형 태양광 발전 시스템에 사용하거나 창문에 적층할 수 있는 반투명, 태양광 유리 재료로 사용하기에 적합하다. 다른 상업적 응용 분야에서는 일부 세계 최대 태양광 발전소에서 견고한 박막 태양 전지판 (두 개의 유리창 사이에 끼워 넣은)을 사용한다. 또한, 박막 태양 전지에 사용되는 재료는 일반적으로 1세대 전지보다 비용 효율적인 간단하고 확장 가능한 방법으로 생산되며, 여러 경우에 온실 가스 (GHG) 배출과 같은 낮은 환경 영향을 초래한다. 박막 전지는 일반적으로 인체 독성 및 중금속 배출 측면에서 전력 생산을 위한 재생 가능 및 비재생 에너지원보다 우수한 성능을 보인다.

효율적인 빛 변환, 특히 3세대 PV 물질 중에서는 초기에 어려움을 겪었음에도 불구하고, 2023년 현재 일부 박막 태양 전지는 단일 접합 박막 GaAs 전지에서 최대 29.1%의 효율을 달성하여 표준 단일 접합 1세대 태양 전지의 최대 효율 26.1%를 초과했다. 박막 기술을 통합한 다중 접합 집광 전지는 2023년 현재 최대 47.6%의 효율을 달성했다.

여전히 많은 박막 기술은 가속 수명 시험에서 1세대 전지보다 짧은 작동 수명과 더 큰 열화율을 보이는 것으로 나타났으며, 이는 제한적인 배포에 기여했다. 전 세계적으로 박막 기술의 PV 시장 점유율은 2023년 현재 약 5%에 머무르고 있다. 그러나 박막 기술은 미국에서 훨씬 더 인기를 얻고 있으며, 2021년에는 CdTe 전지만으로 새로운 유틸리티 규모 배포의 29%를 차지했다.

 역사 
섬네일|1980년 이후 연간 생산량 기준 박막 기술의 시장 점유율

박막 태양 전지에 대한 초기 연구는 1970년대에 시작되었다. 1970년, 조레스 알표로프의 이오페 연구소 팀은 최초의 비소화 갈륨 (GaAs) 태양 전지를 만들었으며, 이후 이 연구와 다른 연구로 2000년 노벨 물리학상을 수상했다. 2년 후 1972년, 칼 볼프강 보어 교수는 델라웨어 대학교에 에너지 변환 연구소 (IEC)를 설립하여 박막 태양 연구를 추진했다. 연구소는 처음에 황화 구리/황화 카드 늄 (Cu2S/CdS) 전지에 집중했으며, 1975년에는 인화 아연 (Zn3P2) 및 비정질 실리콘 (a-Si) 박막으로도 확장되었다. 1973년, IEC는 주거용 건물일체형 태양광 발전 시스템의 첫 사례인 태양열 주택 '솔라 원'을 선보였다. 다음 10년 동안 상업용 및 항공우주 응용 분야에서 박막 기술에 대한 관심이 크게 증가했으며, 여러 회사가 비정질 실리콘 박막 태양 장치 개발을 시작했다. 1980년에는 Cu2S/CdS 박막 태양 전지의 효율이 10%로 상승했으며, 1986년에는 아르코 솔라가 비정질 실리콘으로 만든 최초의 상업용 박막 태양 전지인 G-4000을 출시했다.

1990년대와 2000년대에는 박막 태양 전지의 최대 효율이 크게 증가하고 기존 박막 기술이 새로운 분야로 확장되었다. 1992년, 사우스플로리다 대학교에서 15% 이상의 효율을 가진 박막 태양 전지가 개발되었다. 불과 7년 후인 1999년, 미국 국립재생에너지연구소와 스펙트로랩은 32% 효율에 도달한 3접합 비소화 갈륨 태양 전지에 대해 협력했다. 같은 해, 키스 + 캐스카트는 4 타임스 스퀘어의 일부 창문에 투명 박막 태양 전지를 설계하여 5-7가구에 전력을 공급할 만큼의 전기를 생산했다. 2000년, BP 솔라는 박막 기술을 기반으로 한 두 가지 새로운 상업용 태양 전지를 출시했다. 2001년, 최초의 유기 박막 태양 전지가 린츠 대학교에서 개발되었다. 2005년, GaAs 태양 전지는 네이메헌 랏바우트 대학교 연구원들이 최초의 자립형 (기판 없음) 전지를 도입하면서 더욱 얇아졌다.

이 시기는 또한 전통적인 고체 물질의 이론적 효율 한계를 극복할 잠재력을 가진 새로운 3세대 태양 물질의 탐색에 있어서도 중요한 발전이 있었다. 1991년, 최초의 고효율 염료감응형 태양전지가 개발되었으며, 전지의 일반적인 고체 반도체 (활성) 층을 빛을 흡수하는 염료를 포함하는 액체 전해질 혼합물로 대체했다. 2000년대 초, 퀀텀닷 태양 전지 개발이 시작되었고, 이 기술은 2011년 국립재생에너지연구소에서 인증을 받았다. 2009년, 도쿄 대학 연구원들은 페로브스카이트를 활성층으로 사용하고 3% 이상의 효율을 달성하는 새로운 유형의 태양 전지를 보고했으며, 이는 1999년 무라세 치카오의 빛을 흡수할 수 있는 페로브스카이트 층 생성 연구를 바탕으로 한 것이다.

2010년대와 2020년대 초에는 박막 태양 기술 혁신에는 3세대 태양 기술을 새로운 응용 분야로 확장하고 생산 비용을 줄이는 노력, 그리고 2세대 및 3세대 물질 모두의 효율을 크게 향상시키는 노력이 포함되었다. 2015년, 경인합성은 산업용 프린터로 만든 유연한 태양 전지인 최초의 잉크젯 태양 전지를 출시했다. 2016년, 매사추세츠 공과대학교 (MIT) 블라디미르 불로비치의 유기 및 나노구조 전자 (ONE) 연구소는 비누방울 위에 놓일 만큼 가벼운 박막 전지를 만들었다. 2022년, 같은 그룹은 직물에 통합된 유연한 유기 박막 태양 전지를 소개했다.

박막 태양 기술은 1988년에 새로운 태양광 발전 배포의 32%로 전 세계 시장 점유율 최고치를 기록한 후 수십 년 동안 감소하여 2009년에 다시 17%로 작은 최고치를 기록했다. 이후 시장 점유율은 2021년에 전 세계적으로 5%로 꾸준히 감소했지만, 같은 해 박막 기술은 미국 전체 시장 점유율의 약 19%를 차지했으며, 유틸리티 규모 생산의 30%를 포함했다.

 작동 원리 

일반적인 태양 전지에서는 광전 효과를 사용하여 햇빛으로부터 전기를 생산한다. 태양 전지의 빛 흡수 또는 "활성층"은 일반적으로 반도체 물질인데, 이는 호스트 이온 주변의 국부화된 전자의 원자가띠와 물질 전체를 자유롭게 이동할 수 있는 고에너지 전자의 전도띠 사이에 에너지 스펙트럼 틈이 있다는 것을 의미한다. 대부분의 반도체 물질의 경우 상온에서 다른 에너지원으로부터 추가 에너지를 얻지 못한 전자는 주로 원자가띠에 존재하며, 전도띠에는 전자가 거의 또는 전혀 없다. 태양 광자가 태양 전지의 반도체 활성층에 도달하면 원자가띠의 전자가 광자의 에너지를 흡수하여 여기되어 전도띠로 이동하여 물질 전체를 자유롭게 이동할 수 있다. 이때 원자가띠에는 빈 전자 상태 또는 양공이 남게 된다. 전도띠 전자와 원자가띠 양공은 함께 전자-정공 쌍이라고 불린다. 전자-정공 쌍의 전자와 양공은 모두 물질 전체를 전기처럼 자유롭게 이동할 수 있다. 그러나 전자-정공 쌍이 분리되지 않으면 전자와 양공은 해당 에너지의 광자를 방출하면서 저에너지 원래 상태로 재결합할 수 있다. 열역학적 평형 상태에서 순방향 과정(광자를 흡수하여 전자-정공 쌍을 여기시키는 것)과 역방향 과정(광자를 방출하여 전자-정공 쌍을 소멸시키는 것)은 상세 균형 원리에 의해 동일한 속도로 발생해야 한다. 따라서 반도체 물질로 태양 전지를 구성하고 여기 과정 동안 전류를 추출하려면 전자-정공 쌍의 전자와 양공이 분리되어야 한다. 이는 다양한 방법으로 달성될 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 p-n 접합을 사용하는 것이다. 여기서 양극으로 도핑된 (p형) 반도체 층과 음극으로 도핑된 (n형) 반도체 층이 만나 화학 퍼텐셜 차이를 생성하여 전자를 한 방향으로, 양공을 다른 방향으로 끌어당겨 전자-정공 쌍을 분리한다. 대신 쇼트키 접합 전지와 같이 서로 다른 일함수를 가진 금속 접점을 사용하여 이를 달성할 수도 있다.

박막 태양 전지에서는 과정이 대체로 동일하지만 활성 반도체 층이 훨씬 얇게 만들어진다. 이는 사용되는 반도체 물질의 고유한 특성으로 인해 두께당 특히 많은 광자를 변환할 수 있기 때문에 가능할 수 있다. 예를 들어, 일부 박막 물질은 직접 띠틈을 가지는데, 이는 실리콘과 같은 간접 띠틈 반도체의 경우와 같이 전도띠 및 원자가띠 전자 상태가 다른 운동량이 아니라 동일한 운동량에 있다는 것을 의미한다. 직접 띠틈을 가지면 운동량의 소스 또는 싱크(일반적으로 격자 진동 또는 포논)가 필요 없어지므로 광자 흡수라는 2단계 과정이 1단계 과정으로 단순화된다. 다른 박막 물질은 태양 스펙트럼의 최고 에너지와 잘 일치하는 에너지 띠틈을 가지므로 두께당 더 많은 광자를 흡수할 수 있다. 이는 전자-정공 쌍을 여기시킬 수 있는 올바른 에너지의 태양 광자가 많이 있음을 의미한다.

다른 박막 태양 전지에서는 반도체 층이 다른 빛 흡수 재료로 완전히 대체될 수 있다. 예를 들어, 염료감응형 태양전지의 경우 전해질 용액과 광활성 염료 분자, 또는 퀀텀닷 태양전지의 경우 퀀텀닷으로 대체될 수 있다.

 재료 
섬네일|left|170px|TF 전지의 단면도

박막 기술은 전지의 활성 물질 양을 줄인다. 활성층은 유리, 플라스틱, 금속으로 만든 견고한 기판 위에 놓일 수도 있고, 천과 같은 유연한 기판으로 전지를 만들 수도 있다. 박막 태양 전지는 결정질 실리콘 전지보다 저렴하며 생태학적 영향이 더 작다(수명 주기 분석에서 결정됨). 얇고 유연한 특성 덕분에 건물일체형 태양광 발전 시스템과 같은 응용 분야에 이상적이다. 대부분의 박막 패널은 결정질 실리콘보다 2~3% 낮은 변환 효율을 가지지만,Datasheets of the market leaders: First Solar for thin film, Suntech and SunPower for crystalline silicon 일부 박막 재료는 효율성 측면에서 결정질 실리콘 패널보다 우수하다. 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 셀레늄화구리인듐갈륨 (CIGS) 및 비정질 실리콘 (a-Si)은 가장 대표적인 박막 기술 중 세 가지이다.

 2세대 박막 재료 

 카드 뮴 텔루라이드 

카드뮴 텔루라이드 (CdTe)는 주요 박막 기술인 칼코제나이드 물질이다. 전 세계 PV 생산량의 약 5%를 차지하며, 박막 시장의 절반 이상을 점유하고 있다. 전지의 실험실 효율도 최근 몇 년 동안 크게 증가하여 CIGS 박막과 동등하며 2013년 현재 다결정 실리콘의 효율에 근접하고 있다. 또한 CdTe는 모든 대량 생산 PV 기술 중 에너지 회수 시간이 가장 짧으며, 유리한 지역에서는 8개월까지 짧아질 수 있다. CdTe는 지구 온난화 지수 및 중금속 배출과 같은 여러 중요한 환경 영향 요인에서 다른 박막 PV 재료보다 우수한 성능을 보인다. 대표적인 제조사는 템피 (애리조나주)에 본사를 둔 미국 회사 퍼스트 솔라로, 약 18% 효율의 CdTe 패널을 생산한다.First Solar Seriers 6 Datasheet, March 5, 2021

카드 뮴의 독성이 그다지 문제가 되지 않을 수 있고, 수명 주기 말기에 CdTe 모듈을 재활용함으로써 환경 문제가 완전히 해결될 수 있음에도 불구하고, 여전히 불확실성이 존재하며 대중의 인식은 이 기술에 대해 회의적이다. 희귀 재료의 사용 또한 CdTe 박막 기술의 산업적 확장성에 제한적인 요인이 될 수 있다. 텔루륨의 희귀성은 – 텔루라이드가 음이온 형태인 – 지구 지각의 백금과 비슷하며 모듈 비용에 크게 기여한다.

 셀레늄화구리인듐갈륨 (CIGS) 

+ CIGS 실험실 기록 효율 (2024년 2월 12일 업데이트)  셀  모듈 유리 기판  23.6%  20.3% 유연 기판  22.2%  18.6%

CdTe와 마찬가지로, 셀레늄화구리인듐갈륨 (CIGS) 및 그 변형은 칼코제나이드 화합물 반도체이다. CIGS 태양 전지는 23% 이상의 실험실 효율(표 참조)과 2021년 전체 PV 시장에서 0.8%의 점유율을 달성했다. 많은 기업들이 CIGS 태양 전지 및 모듈을 생산했지만, 지난 몇 년 동안 일부 기업은 생산량을 크게 줄이거나 중단했다.

섬네일|SEM 단면 이미지로 본 일반적인 CIGS 태양 전지의 구성

현재 연구는 개별 층을 수정하거나 교체하여 제작 및 기능과 관련된 특성을 개선하는 것을 목표로 한다. 예를 들어:

 황화 카드 늄을 대체할 완충층으로 다른 재료가 조사되고 있다. 이는 황화 카드 늄의 위험성 때문이다.
 후면 접촉으로 사용되는 몰리브데넘은 양면형 태양전지를 얻기 위해 투명 전도성 필름으로 대체된다.

섬네일|Solarion AG에서 생산된 유연한 CIGS 태양 전지 (기판: 폴리이미드)

 CIGS 태양 전지는 유리 대신 유연한 기판에 증착할 때 특히 낮은 효율 손실을 보여(표 참조), 구부릴 수 있고 가벼운 태양광 모듈에 유망한 후보로 간주된다.

태양 전지의 다른 층 개발 잠재력 외에도 흡수체 재료 CIGS는 화합물 내 인듐과 갈륨의 비율을 조절하여 띠틈을 조절할 수 있는 주목할 만한 특성을 가지고 있다. 띠틈을 조절함으로써 태양 전지에 흡수되는 태양 스펙트럼의 부분을 변경할 수 있어 CIGS 전지는 다중 접합 태양 전지의 구성 요소로 특히 흥미롭다.

또한 구리를 은으로, 셀레늄을 황으로 부분적으로 대체하여 화합물 (AgzCu1-z)(In1−xGax)(Se1−ySy)2를 얻을 수 있다. 황이 없는 화합물을 구별하기 위해 때때로 CIGSe로 약칭하며, CIGS라는 약어는 황과 셀레늄을 포함하는 화합물 모두를 지칭할 수 있다. 은을 포함하는 화합물은 때때로 ACIGS라고 불린다. CIGS 조성의 변형은 현재 연구의 대상이며 일부는 산업적으로도 제조된다.

 실리콘 
섬네일|실리콘의 가능한 동소체 구조.
세 가지 주요 실리콘 박막 구조가 있다.
 비정질 실리콘 전지
 비정질/미세결정형 탠덤 전지 (마이크로모프)
 유리 기판 위에 증착된 박막 다결정 실리콘.

 비정질 실리콘 
비정질 실리콘 (a-Si)은 비결정질 실리콘의 동소체 형태이며 현재까지 가장 잘 개발된 박막 기술이다. 박막 실리콘은 기존의 웨이퍼 (또는 벌크) 결정질 실리콘의 대안이다. 칼코겐 기반 CdTe 및 CIS 박막 전지가 실험실에서 큰 성공을 거두었지만, 실리콘 기반 박막 전지에 대한 산업적 관심은 여전히 높다. 실리콘 기반 장치는 CdTe 전지의 독성 및 습도 문제와 재료 복잡성으로 인한 CIS의 낮은 제조 수율과 같은 CdTe 및 CIS 장치보다 문제가 적다. 또한, 태양 에너지 생산에 비"녹색" 재료 사용에 대한 정치적 저항으로 인해 표준 실리콘 사용에 대한 오명은 없다.

이 유형의 박막 전지는 주로 플라즈마 강화 화학 기상 증착이라는 기술로 제작된다. 이 기술은 투명 전도성 산화물 층으로 이미 코팅된 유리, 플라스틱 또는 금속과 같은 기판 위에 1마이크로미터(μm) 두께의 매우 얇은 실리콘 층을 증착하기 위해 실레인 (SiH4)과 수소의 기체 혼합물을 사용한다. 비정질 실리콘을 기판에 증착하는 데 사용되는 다른 방법으로는 스퍼터링 및 열선 화학기상증착 기술이 있다.Photovoltaics. Engineering.Com (July 9, 2007). Retrieved on January 19, 2011.

a-Si는 풍부하고 무독성 물질이기 때문에 태양 전지 재료로 매력적이다. 낮은 처리 온도가 필요하며, 실리콘 재료가 거의 필요 없는 유연하고 저렴한 기판 위에 확장 가능한 생산이 가능하다. 1.7eV의 띠틈으로 인해 비정질 실리콘은 적외선과 심지어 일부 자외선을 포함하는 매우 넓은 빛 스펙트럼을 흡수하며 약한 빛에서도 매우 잘 작동한다. 이로 인해 전지는 이른 아침, 늦은 오후, 흐리거나 비 오는 날에도 전력을 생산할 수 있는데, 이는 산란일사 및 간접 일광에 노출될 때 효율이 현저히 떨어지는 결정질 실리콘 전지와는 대조적이다.

그러나 a-Si 전지의 효율은 작동 첫 6개월 동안 약 10~30%의 상당한 하락을 겪는다. 이는 스테블러-브론스키 효과 (SWE)라고 불리는데, 이는 햇빛에 장기간 노출되어 광전도도 및 암전도도 변화로 인해 발생하는 전력 출력의 전형적인 손실이다. 이 열화는 150°C 이상의 온도에서 어닐링하면 완벽하게 가역적이지만, 기존의 c-Si 태양 전지는 애초에 이 효과를 나타내지 않는다.섬네일|United Solar Ovonic의 유연한 박막 태양광 PV를 사용한 항공우주 제품기본적인 전자 구조는 p-i-n 접합이다. a-Si의 비정질 구조는 높은 고유 무질서와 매달린 결합을 의미하며, 이는 전하 캐리어에 대한 전도도가 좋지 않다. 이러한 매달린 결합은 재결합 중심 역할을 하여 캐리어 수명을 심각하게 단축시킨다. n-i-p 구조와 달리 p-i-n 구조가 일반적으로 사용된다. 이는 a-Si:H에서 전자의 이동도가 양공의 이동도보다 대략 1~2배 크기 때문에 n-형에서 p-형 접점으로 이동하는 전자의 수집률이 p-형에서 n-형 접점으로 이동하는 양공보다 우수하기 때문이다. 따라서 p-형 층은 빛의 강도가 더 강한 상단에 위치해야 하며, 이는 접합을 가로지르는 전하 캐리어의 대부분이 전자가 되도록 한다.

 a-Si/μc-Si를 이용한 탠덤 전지 
비정질 실리콘 층은 다른 동소체 형태의 실리콘 층과 결합하여 다중 접합 태양 전지를 생산할 수 있다. 두 층(두 개의 p-n 접합)만 결합될 경우 탠덤 전지라고 한다. 이 층들을 서로 쌓아 올리면 더 넓은 범위의 빛 스펙트럼이 흡수되어 전지의 전체 효율이 향상된다.

마이크로모프 실리콘에서는 미세결정질 실리콘 (μc-Si) 층이 비정질 실리콘과 결합하여 탠덤 전지를 형성한다. 상단의 a-Si 층은 가시광선을 흡수하고, 적외선 부분은 하단의 μc-Si 층으로 전달된다. 마이크로모프 적층 전지 개념은 스위스 뇌샤텔 대학교 미세기술 연구소 (IMT)에서 개척하고 특허를 받았으며,Arvind Shah et al. (2003): Microcrystalline silicon and micromorph tandem solar cells. In: Solar Energy Materials and Solar Cells, 78, pp. 469-491 텔 솔라에 라이선스가 부여되었다. 2014년 7월에 12.24%의 모듈 효율을 가진 마이크로모프 개념 기반의 새로운 세계 기록 PV 모듈이 독립적으로 인증되었다.

모든 층이 실리콘으로 만들어지기 때문에 PECVD를 사용하여 제조할 수 있다. a-Si의 띠틈은 1.7 eV이고 c-Si의 띠틈은 1.1 eV이다. c-Si 층은 적색 및 적외선 빛을 흡수할 수 있다. a-Si와 c-Si 사이의 전환점에서 최고의 효율을 달성할 수 있다. 나노결정질 실리콘 (nc-Si)은 c-Si와 거의 동일한 띠틈을 가지므로 nc-Si가 c-Si를 대체할 수 있다.섬네일|유나이티드 솔라 오보니크의 연간 30MW 생산 능력을 갖춘 롤투롤 태양광 PV 생산 라인

 a-Si/pc-Si를 이용한 탠덤 전지 
비정질 실리콘은 원시결정질 실리콘 (pc-Si)과 결합하여 탠덤 전지를 형성할 수도 있다. 나노결정질 실리콘의 낮은 부피 분율을 가진 원시결정질 실리콘은 높은 개방 회로 전압에 최적이다. 이러한 유형의 실리콘은 매달린 결합과 뒤틀린 결합을 나타내는데, 이는 깊은 결함(띠틈의 에너지 준위)과 원자가 및 전도띠의 변형(띠 꼬리)을 초래한다.

 유리 위 다결정 실리콘 
벌크 실리콘의 장점과 박막 소자의 장점을 융합하려는 새로운 시도는 유리 위에 증착된 박막 다결정 실리콘이다. 이 모듈은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하여 반사 방지 코팅과 도핑된 실리콘을 텍스처 처리된 유리 기판에 증착하여 생산된다. 유리 내의 텍스처는 태양 전지에서 반사되는 입사광의 양을 줄이고 태양 전지 내부에 빛을 가둠으로써 전지의 효율을 약 3% 향상시킨다. 실리콘 필름은 400~600 섭씨 온도의 어닐링 단계를 통해 결정화되어 다결정 실리콘을 생성한다.

이러한 새로운 장치는 8%의 에너지 변환 효율과 >90%의 높은 제조 수율을 보인다. 폴리실리콘이 1~2 마이크로미터인 유리 위의 결정질 실리콘(CSG)은 안정성과 내구성으로 유명하다. 박막 기술의 사용은 또한 벌크 태양광 발전에 비해 비용 절감에 기여한다. 이러한 모듈은 투명 전도성 산화물 층의 존재를 필요로 하지 않는다. 이는 생산 공정을 두 가지 측면에서 단순화한다. 이 단계를 건너뛸 수 있을 뿐만 아니라, 이 층의 부재로 인해 접점 구성 공정이 훨씬 단순해진다. 이러한 두 가지 단순화는 생산 비용을 더욱 절감시킨다. 대체 설계에 대한 수많은 장점에도 불구하고, 단위 면적당 생산 비용 추정치는 이러한 장치가 단일 접합 비정질 박막 전지와 비용이 비슷하다는 것을 보여준다.

 비소화 갈륨 

비소화 갈륨 (GaAs)은 III-V족 직접 띠틈 반도체이며 단결정 박막 태양 전지에 매우 흔하게 사용되는 재료이다. GaAs 태양 전지는 뛰어난 내열성과 높은 효율 덕분에 계속해서 최고 성능의 박막 태양 전지 중 하나이다. 2019년 현재, 단결정 GaAs 전지는 29.1%의 효율로 모든 단일 접합 태양 전지 중에서 가장 높은 태양 전지 효율을 보여주었다. 이 기록적인 전지는 후면에 후면 거울을 구현하여 광자 흡수를 증가시킴으로써 인상적인 단락 전류 밀도와 쇼클리-퀘이저 한계에 가까운 개방 회로 전압 값을 달성했다. 결과적으로 GaAs 태양 전지는 거의 최대 효율에 도달했지만, 빛 포집 전략을 사용하면 여전히 개선될 수 있다.

GaAs 박막은 일반적으로 기판 재료에 반도체를 에피택시얼 성장시켜 제작된다. 1978년에 처음 시연된 에피택시 리프트오프(ELO) 기술은 가장 유망하고 효과적인 것으로 입증되었다. 이 방법에서는 에피택시얼 필름과 기판 사이에 배치된 희생층을 선택적으로 에칭하여 박막층을 기판에서 벗겨낸다. GaAs 필름과 기판은 분리 과정에서 최소한의 손상만 입으며, 호스트 기판의 재사용이 가능하다. 기판의 재사용으로 제작 비용을 절감할 수 있지만, 기판은 제한된 횟수만 재사용할 수 있으므로 완전히 포기할 수는 없다. 이 과정은 여전히 상대적으로 비용이 많이 들고 있으며, 기판에 에피택시얼 필름 층을 성장시키는 더 비용 효율적인 방법을 찾기 위한 연구가 여전히 진행 중이다.

GaAs 박막 전지의 높은 성능에도 불구하고, 값비싼 재료 비용은 태양 전지 산업에서 광범위한 채택을 어렵게 한다. GaAs는 우주 태양광 발전에서 우주선용 태양 전지판을 위한 다중 접합 태양 전지에 더 흔하게 사용되는데, 이는 더 큰 전력 대 중량비가 InGaP/(In)GaAs/Ge 전지의 발사 비용을 낮추기 때문이다. 또한 집광형 태양광 발전에도 사용되는데, 이는 햇빛이 많이 드는 지역에 가장 적합한 신흥 기술로, 렌즈를 사용하여 햇빛을 훨씬 작고 따라서 덜 비싼 GaAs 집광형 태양 전지에 집중시킨다.섬네일|upright=0.8|샌디아 국립 연구소에서 개발된 실험용 실리콘 기반 태양 전지

 3세대 (신흥) 박막 재료 

국립재생에너지연구소는 여러 박막 기술을 신흥 태양광 발전 기술로 분류하고 있는데, 대부분 아직 상업적으로 적용되지 않았으며 연구 또는 개발 단계에 있다. 많은 기술이 유기금속 화합물뿐만 아니라 무기 물질과 같은 유기 재료를 사용한다. 이러한 기술 중 다수가 초기 단계에서 불안정성과 낮은 효율성으로 어려움을 겪었지만, 페로브스카이트와 같은 일부 신흥 재료는 단결정 실리콘 전지에 필적하는 효율성을 달성할 수 있었다. 이러한 기술 중 다수는 단일 접합 고체 전지의 효율에 대한 쇼클리-퀘이저 한계를 뛰어넘을 잠재력을 가지고 있다. 저렴하고 고효율이며 환경 영향이 적은 태양 전지를 생산하겠다는 목표를 달성할 것을 약속하기 때문에 이러한 기술에 상당한 연구 투자가 이루어졌다.

 구리 아연 주석 황화물 (CZTS) 

구리 아연 주석 황화물 또는 Cu(Zn,Sn)(S,Se)2는 일반적으로 CZTS로 약칭되며, 그 파생물인 CZTSe 및 CZTSSe는 칼코제나이드(CdTe 및 CIGS/CIS와 같은) 그룹에 속하며, 때로는 케스테라이트라고 불리며, 지구에 풍부하고 무독성 원소로 구성되어 있다. CdTe 및 CIGS와 달리 CZTS는 풍부하고 무독성 원료로 만들어진다. 또한 CZTS의 띠틈은 S/Se 비율을 변경하여 조절할 수 있는데, 이는 최적의 태양 전지 공학에 바람직한 특성이다.

CZTS는 또한 높은 빛 흡수 계수를 가지지만, 현재 연구는 높은 결함 밀도 및 띠 꼬리 효과로 인한 효율 손실을 극복하는 데 중점을 둔다. 오늘날 가장 효율적인 CZTS 태양 전지는 약 12.6%의 효율에 도달했으며, 이는 CdTe 및 CIGS 전지보다 낮다. 효율을 더욱 향상시키기 위해 연구는 광학 손실이 낮은(반사율이 높은) 대체 후면 접촉과 캐리어 전송을 최적화하고 재결합 손실을 줄이는 방법을 탐구하고 있다.

다른 신흥 칼코제나이드 PV 재료로는 Sb2(S,Se)3와 같은 안티몬 기반 화합물이 있다. CZTS와 마찬가지로 이들은 조절 가능한 띠틈과 우수한 빛 흡수율을 가진다. 안티몬 기반 화합물은 또한 장치 공학에 유용할 수 있는 유사 1차원 구조를 가진다. 이러한 모든 신흥 칼코제나이드 재료는 가장 성숙하고 효율적인 박막 기술 제품군 중 하나에 속한다는 장점이 있다. 2022년 현재 CZTS 전지는 약 12.6%의 최대 효율을 달성했으며 안티몬 기반 전지는 9.9%에 도달했다.

 염료감응형 (DSPV) 

염료감응형 전지, 또는 그레첼 전지 또는 DSPV로 알려진 이 혁신적인 전지는 일종의 인공 광합성을 수행하며, 벌크 고체 반도체나 p-n 접합이 필요 없다. 대신, 백금 또는 때로는 그래핀으로 만들어진 전기 접점으로 둘러싸여 유리로 캡슐화된 액체 전해질 용액 위에 반도체 전이 금속 산화물 나노 입자와 혼합된 광활성 염료 층을 사용하여 구성된다. 광자가 전지에 들어오면 염료 분자에 흡수되어 감광 상태가 된다. 이 상태에서 염료 분자는 전자를 반도체 전도띠에 주입할 수 있다. 그런 다음 염료 전자는 전극에 의해 보충되어 전자-정공 쌍의 재결합을 방지한다. 반도체 내의 전자는 전기 접점을 통해 전류로 흘러나온다.

염료감응형 태양 전지는 저렴하고 비용 효율적인 롤 기반 제조가 가능하기 때문에 매력적이다. 그러나 실제로는 백금 및 루테늄과 같은 값비싼 재료의 포함으로 인해 이러한 낮은 비용을 달성하기 어렵다. 염료감응형 전지는 특히 액체 전해질 때문에 안정성 및 열화 문제도 가지고 있다. 고온 환경에서는 전해질이 전지에서 누출될 수 있고 저온 환경에서는 전해질이 얼어붙을 수 있다. 이러한 문제 중 일부는 준고체 상태 전해질을 사용하여 극복할 수 있다.

2023년 현재, 염료감응형 태양 전지의 최대 실현 효율은 약 13%이다.

 유기 태양광 발전 (OPV) 

유기 태양 전지는 유기 반도체 폴리머를 광활성 물질로 사용한다. 이 유기 폴리머는 생산 비용이 저렴하고 높은 흡수 계수를 가진 조절 가능한 특성을 가진다. 유기 태양 전지 제조 또한 비용 효율적이며 효율적인 롤투롤 공정 기술을 활용할 수 있다. 또한 에너지 회수 시간, 지구 온난화 지수 등 광범위한 영향 요인에서 모든 PV 기술 중 가장 낮은 환경 영향 점수를 가진다.

유기 전지는 본질적으로 유연하여 다양한 응용 분야에 적합하다. 매사추세츠 공과대학교 (MIT) 유기 및 나노구조 전자 연구소 (ONE Lab)의 과학자들은 유기 PV를 유연한 직물 기판에 통합하여 500회 이상 말았다 펴도 성능 저하 없이 사용할 수 있도록 했다.

그러나 유기 태양 전지는 일반적으로 안정성이 좋지 않고 작동 수명이 짧은 경향이 있다. 또한 전자-정공 쌍에 대한 큰 결합 에너지와 같은 재료의 일부 본질적인 한계로 인해 다른 박막 전지보다 효율이 낮은 경향이 있다. 2023년 현재, 유기 태양 전지의 최대 달성 효율은 18.2%이다.

 페로브스카이트 태양 전지 

페로브스카이트는 광물학자 레프 페로프스키의 이름을 따서 명명된, 공유된 결정 구조를 가진 물질군이다. PV 응용 분야에 가장 자주 사용되는 페로브스카이트는 유기-무기 하이브리드 메틸암모늄 납 할라이드로, 넓게 조절 가능한 띠틈, 높은 흡수 계수, 전자와 양공 모두에 대한 우수한 전자 전달 특성을 포함한 여러 이점을 제공한다. 2023년 현재, 단일 접합 페로브스카이트 태양 전지는 최대 25.7%의 효율을 달성하여 단결정 실리콘에 필적한다. 페로브스카이트는 또한 결정질 실리콘, CIGS 및 기타 PV 기술과 함께 탠덤 및 다중 접합 전지에 일반적으로 사용되어 훨씬 더 높은 효율을 달성한다. 또한 광범위한 저비용 응용 분야를 제공한다.

그러나 페로브스카이트 전지는 수명이 짧은 경향이 있으며, 2016년 현재 일반적인 수명은 5년이다. 이는 주로 빛, 습기, 자외선 복사 및 고온에 노출될 때 화학적 불안정성 때문이며, 심지어 장치 작동에 영향을 미치는 구조적 전이를 겪을 수도 있다. 따라서 적절한 캡슐화가 매우 중요하다.

 퀀텀닷 태양광 발전 (QDPV) 

퀀텀닷 태양광 발전 (QDPV)은 일반적인 고체 반도체 활성층을 반도체 퀀텀닷으로 대체한다. 광활성층의 띠틈은 퀀텀닷의 크기를 변경하여 조절할 수 있다. QDPV는 다중 엑시톤 생성(MEG)이라는 과정에서 광자당 두 개 이상의 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 잠재력을 가지며, 이는 이론상 최대 변환 효율 87%를 가능하게 할 수 있지만, 2023년 현재 QDPV 전지의 최대 달성 효율은 약 18.1%이다. 이 효율은 쇼클리-퀘이저 한계를 초과하여 QDPV를 흥미로운 신흥 기술로 만든다. QDPV 전지는 또한 다른 태양 전지 유형보다 활성층 재료를 훨씬 적게 사용하여 저비용 제조 공정을 가능하게 한다.

이러한 장점에도 불구하고, 퀀텀닷 태양광 발전은 여전히 높은 결함 밀도, 안정성 문제, 높은 전하 재결합 수준과 같은 주요 과제에 직면해 있다. 또한, 퀀텀닷의 합성 및 처리에는 납과 카드뮴과 같은 독성 물질이 포함되는 경우가 많아 환경 문제가 제기된다. 현재 연구는 납이 없는 재료를 기반으로 한 친환경 퀀텀닷 개발과 안정성 및 효율성 향상을 위한 퀀텀닷 필름 처리 개선에 중점을 두고 있다.

 응용 분야 

 투명 태양 전지 
2022년에는 창문만큼 큰 반투명 태양 전지가 보고되었고, Lay summary:  연구 팀원들은 2020년에 높은 투명도로 기록적인 효율을 달성했다. 또한 2022년에는 다른 연구원들이 거의 보이지 않는 79%의 기록적인 평균 가시광 투과율을 가진 태양 전지 제작을 보고했다.

 건물일체형 태양광 발전 시스템 
박막 PV 재료는 가볍고 유연한 특성을 가지므로 건물일체형 태양광 발전 시스템 (BIPV)에 자연스럽게 적합하다. 일반적인 예로는 반투명 모듈을 창문 디자인에 통합하는 것과 견고한 박막 패널을 지붕 재료로 대체하는 것이 있다. BIPV는 태양 전지 모듈로 인한 수명 주기 환경 영향(예: 온실 가스(GHG) 배출)을 크게 줄일 수 있는데, 이는 일반적인 건축 자재를 사용하지 않음으로써 피할 수 있는 배출과 관련이 있기 때문이다.

 효율성 

초기 도입 당시에는 효율이 낮았지만, 많은 박막 기술은 2023년 현재 최대 효율이 26.1%인 기존의 단일 접합 비집중형 결정질 실리콘 태양 전지와 비교할 수 있는 효율을 갖는다. 실제로 GaAs 박막 및 GaAs 단결정 전지는 각각 29.1% 및 27.4%의 더 큰 최대 효율을 가진다. 다양한 주요 박막 재료의 단일 접합 비집중형 박막 전지에 대한 최대 효율은 차트에 나와 있다.

 상용 모듈 효율성 
실험실 환경에서 달성된 최대 효율은 일반적으로 제조된 전지의 효율보다 높으며, 제조된 전지는 종종 20-50% 낮은 효율을 가진다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 2021년 현재, 제조된 태양 전지의 최대 효율은 단결정 실리콘의 경우 24.4%, 다결정 실리콘의 경우 20.4%, 비정질 실리콘의 경우 12.3%, CIGS의 경우 19.2%, CdTe 모듈의 경우 19%였다. 최고의 효율을 가진 박막 전지 프로토타입은 20.4%(퍼스트 솔라)로, 파나소닉 홀딩스의 25.6%인 최고의 기존 태양 전지 프로토타입 효율과 비교할 만하다.

이전 박막 태양 전지 효율 기록인 22.3%는 세계 최대의 CIS (구리 인듐 셀레늄) 태양 에너지 공급업체인 솔라 프론티어가 달성했다. 일본의 신에너지산업기술종합개발기구 (NEDO)와 공동 연구에서 솔라 프론티어는 CIS 기술을 사용하여 0.5cm2 전지에서 22.3%의 변환 효율을 달성했다. 이는 업계의 이전 박막 기록인 21.7%보다 0.6% 포인트 증가한 수치였다.

 효율성 계산 
섬네일|left|국립재생에너지연구소가 추적한 다양한 전지 기술 (단결정 및 박막 기술 모두 포함)의 태양 전지 효율

태양 전지의 효율은 태양 전지에 입사되는 빛 중 유용한 전기로 변환되는 비율을 정량화한다. 태양 전지의 효율에 영향을 미치는 많은 요인이 있으므로, 효율은 단락 전류, 개방 회로 전압, 최대 전력점, 충전율, 양자효율을 포함한 추가적인 수치적 양으로 더 매개변수화될 수 있다. 단락 전류는 전압 부하가 없을 때 전지가 흐를 수 있는 최대 전류이다. 유사하게, 개방 회로 전압은 전류가 없을 때 장치 양단의 전압 또는 대안적으로 전류가 흐르지 않도록 요구되는 전압이다. 전류 대 전압 (IV) 곡선에서 개방 회로 전압은 전압 축과의 곡선 가로 절편이고 단락 전류는 전류 축과의 곡선 세로 절편이다. 최대 전력점은 태양 전지의 최대 전력 출력이 달성되는 곡선을 따라 있는 지점이며, 최대 전력점의 전류 및 전압 좌표와 같은 변 길이를 가진 직사각형의 면적을 충전율이라고 한다. 충전율은 이 최대 전력점에서 태양 전지가 달성하는 전력의 양을 측정한다. 직관적으로 더 정사각형 모양과 더 평평한 상단 및 측면을 가진 IV 곡선은 더 큰 충전율을 가지며 따라서 더 높은 효율을 가진다. 이러한 매개변수가 주로 거시적인 전기적 특성을 기반으로 태양 전지의 효율을 특성화하는 반면, 양자효율은 입사되는 광자 수에 대한 추출되는 전하 운반자 수의 비율 (외부 양자효율) 또는 전지에 흡수되는 광자 수에 대한 추출되는 전하 운반자 수의 비율 (내부 양자효율)을 측정한다. 어느 쪽이든, 양자효율은 태양 전지의 미시적 구조에 대한 더 직접적인 탐침이다.
섬네일|태양 전지 I-V 곡선의 개략도.

 효율성 증가 

일부 3세대 태양 전지는 집중기 및 다중 접합 장치 기하학을 통합하여 효율을 높인다. 이는 단일 태양 조사 조건에서 단일 접합 반도체 태양 전지의 쇼클리-퀘이저 한계인 약 42% 효율보다 더 큰 효율을 가져올 수 있다.

다중 접합 전지는 서로 다른 띠틈을 가진 여러 개의 반도체 활성층을 통합한 것이다. 일반적인 태양 전지에서는 태양 스펙트럼의 최고점 근처에 띠틈을 가진 단일 흡수체가 사용되며, 띠틈보다 크거나 같은 에너지를 가진 모든 광자는 원자가띠 전자를 전도띠로 여기시켜 전자-정공 쌍을 생성할 수 있다. 그러나 페르미 에너지 이상의 과도한 에너지는 열화로 인해 빠르게 소산되어 고에너지 광자의 에너지를 효율적으로 추출할 수 없어 전압 손실로 이어진다. 다중 접합 전지는 여러 흡수층을 서로 쌓아 올려 이러한 열화로 인한 에너지 손실의 일부를 회수할 수 있다. 맨 위층은 가장 높은 에너지 광자를 흡수하고 낮은 에너지 광자는 더 작은 띠틈을 가진 아래층으로 통과시킨다. 이 방식은 전지가 더 넓은 범위의 에너지에서 광자 에너지를 포착할 수 있을 뿐만 아니라 고에너지 광자로부터 광자당 더 많은 에너지를 추출할 수 있도록 한다.

집광형 태양광 발전은 전지 위에 놓인 렌즈 광학 시스템을 사용하여 더 넓은 영역의 빛을 장치에 집중시켜 햇빛을 위한 깔때기와 유사하게 만든다. 단순히 흡수에 사용할 수 있는 광자의 수를 늘려 더 많은 전자-정공 쌍을 생성하는 것 외에도, 더 높은 전하 운반자 농도를 가지면 전도도를 증가시켜 태양 전지의 효율을 높일 수 있다. 태양 전지에 집중기를 추가하면 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 전지를 생산하는 데 필요한 공간, 재료 및 비용을 줄일 수 있다.

이 두 가지 기술은 2023년 현재 최고 효율의 태양 전지인 4접합 집광형 전지(효율 47.6%)에 사용된다.

 흡수량 증가 
셀에 들어오는 빛의 양을 늘리고 흡수되지 않고 빠져나가는 빛의 양을 줄이기 위해 여러 기술이 사용되었다. 가장 확실한 기술은 셀 표면의 상단 접점 커버리지를 최소화하여 빛이 셀에 도달하는 것을 막는 영역을 줄이는 것이다.

약하게 흡수되는 긴 파장 빛은 실리콘으로 비스듬히 결합되어 필름을 여러 번 통과하여 흡수를 향상시킬 수 있다.

입사 광자가 셀 표면에서 반사되는 것을 줄여 흡수를 늘리기 위한 여러 가지 방법이 개발되었다. 추가적인 반사 방지 코팅은 표면 코팅의 굴절률을 조절하여 셀 내부에서 상쇄 간섭을 일으킬 수 있다. 상쇄 간섭은 반사파를 제거하여 모든 입사광이 셀 안으로 들어오게 한다.

표면 텍스처링은 흡수량을 늘리는 또 다른 옵션이지만 비용이 증가한다. 활성 물질 표면에 텍스처를 적용함으로써 반사된 빛이 다시 표면을 때리도록 굴절될 수 있어 반사율이 감소한다. 예를 들어, 반응성 이온 식각(RIE)에 의한 블랙 실리콘 텍스처링은 박막 실리콘 태양 전지의 흡수를 증가시키는 효과적이고 경제적인 접근 방식이다. 텍스처 처리된 후면 반사기는 빛이 셀 후면을 통해 빠져나가는 것을 방지할 수 있다. 활성 물질에 텍스처링을 적용하는 대신, 셀의 전면 접점에 적용되는 광자 미세 구조 코팅은 빛 포획에 흥미로운 대안이 될 수 있는데, 이는 기하학적 반사 방지 및 빛 산란을 모두 허용하면서 태양광 층의 거칠기(이로 인해 재결합이 증가하는 것을 방지)를 피하기 때문이다.

표면 텍스처링 외에도 플라스몬 광 포획 방식은 박막 태양 전지의 광전류 향상을 돕기 위해 많은 관심을 끌었다. 이 방법은 귀금속 나노입자 내 여기된 자유 전자의 집단 진동을 이용하며, 이는 입자 모양, 크기 및 주변 매체의 유전체 특성에 영향을 받는다. 박막 태양 전지 후면에 귀금속 나노입자를 적용하면 플라스몬 후면 반사기가 형성되어 광대역 광전류 향상을 가져온다. 이는 후면에 위치한 나노입자에서 약하게 흡수된 광자의 빛 산란과 입자 위에 셀 재료가 균일하게 증착될 때 형성되는 셀 전면 표면의 반구형 골격으로 인한 향상된 빛 결합(기하학적 반사 방지)의 결과이다.

반사 손실을 최소화하는 것 외에도, 태양 전지 재료 자체를 최적화하여 도달하는 광자를 흡수할 가능성을 높일 수 있다. 열처리 기술은 실리콘 전지의 결정 품질을 크게 향상시켜 효율을 높일 수 있다. 박막 전지를 층으로 쌓아 다중 접합 태양 전지를 만드는 것도 가능하다. 각 층의 띠틈은 서로 다른 파장 범위를 가장 잘 흡수하도록 설계되어, 함께 더 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수할 수 있다.

기하학적 고려 사항에 대한 추가 발전은 나노 물질의 차원성을 활용할 수 있다. 크고 평행한 나노 와이어 어레이는 와이어 길이를 따라 긴 흡수 길이를 가능하게 하면서 반경 방향을 따라 짧은 소수 캐리어 확산 길이를 유지한다. 나노 와이어 사이에 나노 입자를 추가하면 전도가 가능하다. 이러한 어레이의 자연적인 기하학적 구조는 더 많은 빛을 포획하는 텍스처 처리된 표면을 형성한다.

 생산, 비용 및 시장 

최근 몇 년간 기존의 결정질 실리콘 (c-Si) 기술의 발전과 심각한 글로벌 공급 부족 기간 이후 폴리실리콘 원료 비용 하락으로 인해 비정질 박막 실리콘 (a-Si), 카드 뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드 (CIGS)를 포함한 상업용 박막 기술 제조업체에 대한 압력이 증가하여 여러 회사가 파산했다.RenewableEnergyWorld.com How thin film solar fares vs crystalline silicon, 3 January 2011 2013년 현재 박막 제조업체는 중국 실리콘 정제업체 및 기존 c-Si 태양 전지판 제조업체와의 가격 경쟁에 계속 직면해 있다. 일부 회사(지급 불능)와 그들의 특허는 중국 기업에 원가 이하로 매각되었다.

 시장 점유율 

2013년 박막 기술은 전 세계 배치량의 약 9%를 차지했으며, 91%는 결정질 실리콘(모노-Si 및 멀티-Si)이 차지했다. 전체 시장의 5%를 차지하는 CdTe는 박막 시장의 절반 이상을 점유하고 있으며, CIGS와 비정질 실리콘은 각각 2%를 차지한다.

 CIGS 기술 

최근 몇 년간 기존 c-Si 기술의 발전으로 인한 압력에 여러 주요 제조업체가 버티지 못했다. 솔린드라는 2011년 모든 사업 활동을 중단하고 미국 파산법 11조를 신청했으며, CIGS 제조업체인 나노솔라도 2013년에 문을 닫았다. 두 회사 모두 CIGS 태양 전지를 생산했지만, 실패는 기술 자체 때문이 아니라 솔린드라의 원통형 기판과 같이 결함 있는 구조를 사용한 회사 자체 때문이었다고 지적되었다. 2014년, 한국의 LG전자는 태양광 사업을 재편하며 CIGS 연구를 중단했고, 삼성SDI는 CIGS 생산 중단을 결정했으며, 중국 PV 제조업체 하네르지는 15.5% 효율의 650mm×1650mm CIGS 모듈 생산 능력을 증설할 예정이다. CI(G)S 태양광 발전의 최대 생산업체 중 하나는 일본 회사 솔라 프론티어이며, 기가와트 규모의 제조 능력을 갖추고 있다.solar-frontier.com – PressRelease Solar Frontier to build 150 MW 150 MW CIS solar module plant in Tohoku, Japan, December 19, 2013 (CIGS 기업 목록 참조).

 CdTe 기술 

CdTe의 선두 제조업체인 퍼스트 솔라는 사막 햇빛 태양광 발전소와 토파즈 태양광 발전소와 같이 각각 550MW 용량을 가진 캘리포니아 사막의 여러 세계 최대 태양광 발전소를 건설해 왔으며, 2015년에 가동된 남반구 최대의 PV 발전소인 호주의 102메가와트 닝겐 태양광 발전소도 건설했다.

2011년 GE는 6억 달러를 들여 새로운 CdTe 태양 전지 공장을 짓고 이 시장에 진출할 계획을 발표했으며,Peralta, Eyder. (April 7, 2011) GE Unveils Plans To Build Largest Solar Panel Factory In U.S. : The Two-Way. NPR. Retrieved on 2011-05-05. 2013년에는 퍼스트 솔라가 GE의 CdTe 박막 지적 재산 포트폴리오를 인수하고 사업 제휴를 맺었다.PVTECH.org First Solar buys GE's CdTe thin-film IP and forms business partnership, August 6, 2013 2012년 카드뮴 텔루라이드 모듈 제조업체인 어바운드 솔라가 파산했다.

 a-Si 기술 

2012년, 한때 세계 최고의 비정질 실리콘(a-Si) 기술 제조업체 중 하나였던 ECD 솔라는 미국 미시간에서 파산 신청을 했다. 스위스 OC 오리콘은 a-Si/μc-Si 탠덤 전지를 생산하는 태양광 사업부를 도쿄 일렉트론에 매각했다.

비정질 실리콘 박막 시장을 떠난 다른 회사로는 듀폰, BP, 플렉스셀, 인벤텍스, 프라마크, 슈코, 센세라, EPV 솔라, 노바솔라(구 옵티솔라) 및 썬텍 파워가 있으며, 썬텍 파워는 2010년 a-Si 모듈 생산을 중단하고 기존 실리콘 태양 전지판에 집중했다. 2013년, 썬텍은 중국에서 파산 신청을 했다. 2013년 8월, 박막 a-Si 및 a-Si/μ-Si의 현물 시장 가격은 각각 €0.36 및 €0.46으로 하락했다. (약 $0.50 및 $0.60) 와트당.

 금속 지붕 위의 박막 태양광 

섬네일|스탠딩 심 금속 지붕에 설치된 박막 태양광의 3D 스케치
박막 태양광 효율이 증가함에 따라, 스탠딩 심 금속 지붕에 박막 태양광을 설치하는 것이 기존의 단결정 및 다결정 태양 전지와 비용 경쟁력을 갖게 되었다. 박막 패널은 유연하며 스탠딩 심 금속 지붕을 따라 설치되고 접착제로 금속 지붕에 부착되므로 설치를 위해 구멍을 뚫을 필요가 없다. 연결 전선은 지붕 상단의 용마루 캡 아래로 지나간다. 효율은 10~18% 범위이지만 설치 용량 와트당 약 $2.00~$3.00만 들고, 17~22% 효율의 단결정 패널은 와트당 $3.00~$3.50이다. 박막 태양광은 평방 피트당 7~10온스로 가볍다. 박막 태양광 패널은 10~20년 지속되지만 기존 태양 전지판보다 투자 수익률이 더 빠르며, 금속 지붕은 아스팔트 싱글 지붕의 12~20년에 비해 교체하기 전에 40~70년 지속된다.

+ 다양한 태양광 지붕 유형의 비용 유형  와트당 비용  효율  평균 6kW 시스템 비용 다결정  $2.80-$3.00  13-17%  $17,400 단결정  $3.00-$3.50  17-22%  $19,000 박막 패널  $2.00-$3.00  10-18%  $17,000

 비용 
1998년, 국립재생에너지연구소의 과학자들은 박막 PV 시스템을 평방미터당 50달러의 비용으로 생산하는 것이 언젠가 가능할 것이며, 이는 매우 경제적으로 실현 가능할 것이라고 예측했다. 이 가격에서는 박막 PV 시스템이 30% 이상의 투자 수익을 창출할 것이다.

이 목표 달성을 돕기 위해 2022년 국립재생에너지연구소는 2025년까지 박막 효율을 24% 이상, 와트당 비용을 20센트 미만으로, 2030년까지 효율을 26% 이상, 와트당 비용을 15센트 미만으로 달성하는 것을 목표로 카드 뮴 텔루라이드 가속 컨소시엄(CTAC)을 운영하기 시작했다.

 내구성 및 수명 
단결정 모듈에 비해 박막 태양 전지의 중요한 단점 중 하나는 수명이 짧다는 것이지만, 이것이 문제가 되는 정도는 재료에 따라 다르며, 일반적으로 더 오래 확립된 박막 재료가 더 긴 수명을 가진다. 단결정 실리콘 패널의 표준 수명은 일반적으로 30년으로 간주되며 연간 약 0.5%의 성능 저하율을 보인다. 비정질 실리콘 박막은 유사한 전지 수명과 연간 약 1%로 약간 더 높은 성능 저하율을 보이는 경향이 있다. CIGS 및 CIS와 같은 칼코제나이드 기술은 20-30년의 유사한 수명과 연간 1%를 약간 넘는 성능 저하율을 보이는 경향이 있다. 신흥 기술은 수명이 짧은 경향이 있다. 유기 태양광 발전은 2016년 최대 보고 수명이 7년이었고 평균 5년이었지만, 2020년 현재 일반적인 수명은 15-20년으로 증가했다. 유사하게 염료감응형 전지는 2007년에 최대 보고 수명이 10년이었지만, 2020년 현재 일반적인 수명은 15-30년으로 증가했다. 페로브스카이트 전지는 수명이 짧은 경향이 있으며, 2016년 현재 일반적인 수명은 5년이다. 퀀텀닷 태양 전지의 수명은 개발 중인 특성으로 인해 불분명하며, 일부는 수명이 25년에 도달할 것으로 예측하고 다른 일부는 현실적인 수명을 1년에서 10년 사이로 설정한다.

일부 박막 모듈은 또한 다양한 조건에서 열화 문제를 겪는다. 거의 모든 태양 전지는 합리적인 작동 온도 범위 내에서 온도가 증가함에 따라 성능이 저하된다. 확립된 박막 재료는 온도에 따른 성능 저하가 더 작을 수 있으며, 비정질 실리콘은 단결정 실리콘보다 약간 더 강하고, CIGS는 비정질 실리콘보다 더 강하며, CdTe는 온도에 따른 성능 저하에 가장 우수한 저항력을 보인다. 염료감응형 태양 전지는 작동 온도에 특히 민감하며, 고온에서는 전해질 용액이 누출될 수 있고 저온에서는 전해질이 얼어붙어 전지가 작동 불능 상태가 될 수 있다. 페로브스카이트 전지는 또한 고온에서 불안정한 경향이 있으며, 심지어 장치 작동에 영향을 미치는 구조적 변화를 겪을 수도 있다. 온도 유도 열화 외에도 비정질 실리콘 패널은 추가적으로 빛 유도 열화를 겪으며, 유기 태양광 전지는 훨씬 더 큰 정도로 겪는다. 퀀텀닷 전지는 습기나 자외선 복사에 노출되면 열화된다. 유사하게 페로브스카이트 전지는 화학적으로 불안정하며 고온, 빛, 습기 또는 자외선 복사에 노출되면 열화된다. 유기 전지 또한 일반적으로 다소 불안정한 것으로 간주되지만, 유기 전지의 내구성은 개선되었으며 2022년 현재 유연한 유기 전지가 상당한 성능 손실 없이 500회 말 수 있는 것이 개발되었다. 다른 박막 재료와 달리 CdTe는 온도 및 습기와 같은 환경 조건에 상당히 강한 경향이 있지만, 유연한 CdTe 패널은 가해진 응력이나 변형 하에서 성능 저하를 겪을 수 있다.

 환경 및 건강 영향 
국제적인 재생 가능 에너지 목표를 달성하기 위해서는 전 세계 태양광 발전 용량이 크게 증가해야 한다. 예를 들어, 국제 에너지 기구의 2050년까지 전 세계 태양광 발전 용량 4674GW 목표를 따라잡기 위해서는 2022년 기준 전 세계 설치 용량 1185GW에서 상당한 확장이 필요하다. 박막 태양 전지가 더욱 효율적이고 상업적으로 실현 가능해짐에 따라 이러한 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 것이 분명해졌다. 따라서 기존 기술을 비교하고 개발 중인 기술에서 개선이 필요한 주요 영역을 식별하기 위해 이들의 누적 환경 영향을 이해하는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 예를 들어, 기존 태양광 모듈에 비해 상대적으로 짧은 장치 수명의 효과를 평가하고, 효율성 증가 또는 장치 수명 증가가 기술의 전체 환경 영향에 큰 영향을 미치는지 확인하는 것이다. 온실 기체 배출과 같은 주요 요인 외에도 많은 태양 전지 기술에 사용되는 카드 뮴과 같은 잠재적으로 독성 물질의 환경 및 건강 영향에 대한 의문이 제기되었다. 많은 과학자들과 환경운동가들은 이러한 질문에 답하기 위해 전 과정 평가를 사용해 왔다.

 전 과정 평가 

전 과정 평가(LCA)는 원자재 수집 및 제조 공정부터 결과물 및 모든 폐기물 처리까지 제품 또는 공정의 총 환경 영향을 객관적인 방식으로 평가하려는 접근 방식이다. LCA 접근 방식은 편향되지 않은 것을 목표로 하지만, LCA 연구 결과는 특정 접근 방식 및 사용된 데이터에 민감할 수 있다. 따라서 LCA 결과는 설정된 가정과 포함 및 제외된 모든 공정을 명확하게 명시하는 것이 중요하다. 이는 종종 시스템 경계 및 전 과정 목록 프레임워크를 사용하여 지정된다. 새로운 태양광 기술의 신흥 특성으로 인해 높은 불확실성 때문에 폐기 공정이 때때로 전 과정 평가에서 제외될 수 있다. 이 경우 평가를 "요람에서 무덤까지"가 아닌 "요람에서 공장 문까지"라고 부르는데, 이는 계산된 영향이 제품의 전체 수명 주기를 다루지 않기 때문이다. 그러나 이러한 연구는 폐기 공정에서 발생하는 중요한 환경 문제를 놓칠 수 있으며, 이는 부정적 영향(수명이 다한 전지와 폐기물 쓰레기 소각의 경우)과 긍정적 영향(재활용의 경우) 모두에 해당한다. 운송, 설치 및 유지보수를 포함하는 균형 서비스(BOS) 단계의 효과를 포함하는 것도 중요한데, 이는 재료 및 전기 측면에서도 비용이 많이 들 수 있기 때문이다.

LCA 연구는 토지 사용부터 운송 관련 배출량에 이르기까지 많은 잠재적인 환경 영향을 정량화하는 데 사용될 수 있다. 환경 영향 범주는 표준화된 정량적 비교를 위해 소위 영향 요인으로 그룹화될 수 있다. 태양 전지의 경우, 아마도 가장 중요한 영향 요인은 총 수명 온실 기체 배출이다. 이는 종종 지구 온난화 지수(GWP) 측면에서 보고되며, 이는 환경 영향을 보다 직접적으로 나타낸다.

환경 영향의 또 다른 중요한 척도는 특정 태양 전지를 생산하는 데 필요한 에너지(일반적으로 전기)를 측정하는 1차 에너지 수요(PED)이다. 더 유용한 척도는 누적 에너지 수요(CED)일 수 있는데, 이는 특정 제품의 전체 수명 동안 생산, 사용 및 폐기하는 데 필요한 총 에너지 양을 정량화한다. 이와 관련하여 에너지 회수 시간(EPBT)은 태양 전지가 누적 에너지 수요를 충당하기에 충분한 에너지를 생산하는 데 필요한 작동 시간을 측정한다. 마찬가지로 탄소 회수 시간(CPBT)은 태양 전지가 일반적인 에너지 믹스로 생성된 동일한 양의 전기에서 회피된 탄소 배출량과 동일한 양의 전기를 생산하는 데 필요한 작동 시간을 측정한다. 즉, CPBT는 태양 전지가 자체 탄소 배출량을 완화하는 데 필요한 시간을 측정한다.

이러한 양은 태양 전지가 제조되고 배치되는 위치를 포함한 여러 요인에 따라 달라지는데, 이는 일반적인 에너지 믹스가 장소마다 다르기 때문이다. 따라서 생산 공정에서 발생하는 전기 관련 배출량뿐만 아니라 전지 작동 중 태양광 발전으로 인한 회피된 전기 관련 배출량도 특정 모듈 및 적용 분야에 따라 달라질 수 있다. 전지에서 발생하는 배출량은 모듈이 배치되는 방식에 따라서도 달라질 수 있는데, 이는 장착 하드웨어 생산과 관련된 원자재 및 에너지 비용 때문만이 아니라 건물일체형 태양광 발전 시스템의 경우처럼 태양 전지판이 지붕 타일과 같은 건축 자재를 대체할 때 회피되는 건축 자재 관련 배출량 때문이기도 하다.

에너지 사용 및 배출 관련 영향은 기술 평가 및 비교에 필수적이지만, 태양 전지의 환경 영향을 평가하는 유일한 중요한 양은 아니다. 다른 중요한 영향 요인으로는 중금속 배출, 금속 고갈, 인체 독성, 다양한 생태독성(해양, 담수, 육상), 그리고 황 및 질소 산화물 배출량을 측정하는 담수 산성화 가능성이 있다. 전 과정 평가에 광범위한 환경 영향을 포함하는 것은 온실 기체 배출과 같은 주요 영향 요인에서 인체 독성과 같이 덜 중요하지만 여전히 관련성 있는 영향 요인으로 환경 영향이 전가될 가능성을 최소화하는 데 필수적이다.

 온실 가스 배출량 
기존의 1세대 단결정 실리콘 태양 전지를 벤치마크로 삼을 때, 일부 박막 태양 전지는 대부분의 영향 요인에서 환경 영향이 더 낮은 경향이 있지만, 낮은 효율과 짧은 수명은 신흥 기술의 환경 영향을 1세대 전지보다 높게 만들 수 있다. 온실 가스 배출량의 표준화된 측정값은 다양한 박막 재료에 대해 킬로와트시(kWh) 전력 생산당 이산화탄소 등가 배출량(그램) 단위로 차트에 표시된다. 비교를 위해 결정질 실리콘도 포함되어 있다.

온실 기체 배출 측면에서만 보면, 가장 널리 사용되는 두 가지 박막 기술인 비정질 실리콘과 CdTe는 모두 단결정 실리콘 태양 전지보다 지구 온난화 지수(GWP)가 현저히 낮다. 비정질 실리콘 패널은 GWP가 약 1/3 낮고, CdTe는 거의 1/2 낮다. 유기 태양 전지는 모든 박막 태양광 발전 기술 중에서 GWP가 가장 낮으며, 단결정 실리콘보다 60% 이상 낮다.

그러나 모든 박막 재료에 대해 이러한 경우가 적용되는 것은 아니다. 많은 신흥 기술의 경우 낮은 효율성과 짧은 장치 수명이 환경 영향을 크게 증가시킬 수 있다. 신흥 칼코제나이드 기술과 CIS 및 CIGS와 같은 기존 칼코제나이드 기술은 염료감응형 태양전지 및 퀀텀닷 태양 전지와 마찬가지로 단결정 실리콘보다 지구 온난화 지수가 높다. 안티몬 기반 칼코제나이드 전지의 경우, 제조 공정에서 덜 유독한 재료를 사용한다는 이점이 있지만, 낮은 효율성과 그로 인한 더 넓은 면적 요구 사항이 환경 영향 증가의 주요 요인이며, 효율성이 약간 향상된 전지는 모든 관련 환경 영향 요인에서 단결정 실리콘을 능가할 가능성이 있다. 따라서 이러한 및 기타 신흥 칼코제나이드 전지의 효율성을 향상시키는 것이 우선 과제이다. 낮은 실제 효율성은 또한 단일 광자에서 다중 엑시톤 생성(MEG)을 나타낼 가능성에도 불구하고 퀀텀닷 태양 전지의 상대적으로 높은 GWP의 주요 요인이다. 더 높은 효율성은 또한 더 얇은 활성층의 사용을 가능하게 하여 퀀텀닷 자체의 재료 비용을 줄이고 캡슐화 재료와 관련된 재료 및 배출량을 절약할 수 있다. 이러한 잠재력을 실현하고 효율성을 높이는 것도 이러한 전지의 환경 영향을 줄이는 데 우선순위이다.

유기 태양 전지의 경우, 짧은 수명이 GWP의 주요 요인이다. 다른 태양광 발전 기술에 비해 OPV의 전반적인 인상적인 성능에도 불구하고 "요람에서 무덤까지" 대신 "요람에서 공장 문까지"(즉, 재료 추출 및 생산 공정만 고려하고 태양 전지의 유용한 수명을 제외하는) GWP를 고려할 때, OPV는 단결정 실리콘에 비해 온실 기체 배출량을 97% 줄이고 비정질 실리콘 박막에 비해 92% 줄였다. 이는 현재 실현된 단결정 실리콘에 비해 60% 감소보다 훨씬 우수하므로 OPV 전지 수명을 향상시키는 것이 전체 환경 영향을 줄이는 데 우선순위이다. 페로브스카이트 태양 전지의 경우, 약 5년의 짧은 수명으로 인해 이 효과는 훨씬 더 중요할 수 있다. 페로브스카이트 태양 전지(차트에 포함되지 않음)는 일반적으로 "요람에서 무덤까지" LCA에서 다른 박막 재료보다 지구 온난화 지수가 현저히 높으며, 단결정 실리콘보다 약 5-8배 더 나쁜 150g CO2-eq /kWh이다. 그러나 "요람에서 공장 문까지" LCA에서는 페로브스카이트 태양 전지가 단결정 실리콘보다 10-30% 더 낮은 성능을 보여주는데, 이는 이러한 짧은 수명으로 인해 단일 단결정 실리콘 패널과 동일한 양의 전기를 생성하기 위해 여러 페로브스카이트 태양 전지판을 생산하고 폐기해야 할 필요성과 관련된 환경 영향 증가의 중요성을 강조한다. 따라서 페로브스카이트 태양 전지 모듈의 수명을 늘리는 것이 환경 영향을 줄이는 최우선 과제이다. 풍력, 원자력 및 수력과 같은 다른 재생 가능 에너지원은 일부 태양광 발전 기술보다 GWP를 더 작게 달성할 수 있다.

신흥 박막 재료가 지구 온난화 지수 측면에서 단결정 실리콘 전지보다 우수하지 않더라도 여전히 비재생 에너지원보다 훨씬 낮은 탄소 배출량을 발생시킨다는 점에 유의해야 한다. 비재생 에너지원은 비교적 깨끗한 천연가스의 517g CO2-eq /kWh부터 최악의 오염원인 갈탄의 1100g CO2-eq /kWh 이상에 이르는 지구 온난화 지수를 가지고 있다. 박막 전지는 또한 종종 400-800g CO2-eq /kWh 범위에 있는 일반적인 에너지 믹스보다 훨씬 우수한 성능을 보인다.

지구 온난화 지수를 포함한 대부분의 영향 요인에 가장 크게 기여하는 것은 거의 항상 제조 공정 중의 에너지 사용이며, 이는 운송 비용 및 재료 조달과 같은 다른 잠재적 환경 영향 원인을 크게 능가한다. 예를 들어, CIGS 전지의 경우, 이는 지구 온난화 지수의 98%를 차지하며, 대부분은 흡수층 제조에 기인한다. 일반적으로 금속 증착이 포함된 공정의 경우, 이는 특히 중요한 환경 영향 집중 지점인 경우가 많다. 퀀텀닷 태양광 발전의 경우, 제조 공정 중에 사용되는 용매의 유해 폐기물 처리도 상당한 기여를 한다. 전기 사용과 관련된 지구 온난화 지수 수준은 제조가 이루어지는 위치, 특히 지역 에너지 믹스에서 재생 가능 에너지원과 비재생 에너지원의 비율에 따라 크게 달라질 수 있다.

 에너지 회수 시간 
일반적으로 박막 패널은 단결정 실리콘 패널보다 생산에 에너지가 덜 들며, 특히 일부 신흥 박막 기술은 효율적이고 저렴한 롤투롤 공정의 잠재력을 가지고 있다. 결과적으로 박막 기술은 에너지 회수 시간 측면에서 단결정 실리콘보다 더 나은 성능을 보이는 경향이 있지만, 비정질 실리콘 패널은 예외이다. 박막 전지는 일반적으로 단결정 실리콘 태양 전지보다 효율성이 낮으므로, 이러한 효과는 주로 전지 생산과 관련된 상대적으로 낮은 1차 에너지 수요(PED) 때문이다.

모듈이 사용되는 응용 분야와 재료의 재활용 과정(있는 경우) 또한 전지의 수명 동안 전반적인 효율적인 에너지 이용 및 온실 기체 배출에 큰 역할을 할 수 있다. 모듈을 건물 설계에 통합하면 일반적인 건축 자재 생산과 관련된 회피된 배출량, 예를 들어 건물일체형 태양광 발전 시스템 지붕의 지붕 타일 생산에서 회피된 배출량으로 인해 전지의 환경 영향이 크게 감소할 수 있다. 이 효과는 가볍고 유연한 특성상 건물일체형 태양광 발전 시스템에 자연스럽게 적합한 박막 태양 전지에 특히 중요하다. 휴대용 충전 응용 분야에서는 70-90% 낮은 배출량을 보인다. 이 효과는 다른 일부 응용 분야에서도 유효한데, 예를 들어 유기 태양 전지는 태양 전지판 응용 분야에서 결정질 실리콘보다 55% 낮은 배출량을 보인다. 마찬가지로, 새로운 재료를 수집하고 가공하는 대신 태양 전지 부품을 재활용하여 회피된 배출량은 누적 에너지 소비량과 온실 기체 배출량을 현저히 낮출 수 있다. 재활용 공정은 단결정 태양 전지의 여러 구성 요소뿐만 아니라 CdTe 태양 전지의 유리 기판, CdTe, CdS에도 사용할 수 있다. 재활용 공정이 없는 패널, 특히 유기 태양 전지와 같이 수명이 짧은 패널의 경우, 패널 폐기가 환경 영향에 크게 기여할 수 있으며, 패널이 쓰레기 소각되거나 매립될 경우 환경 영향 요인에서 거의 차이가 없을 수 있다.

 중금속 배출 및 인체 독성 
재료 선택 및 추출은 지구 온난화 지수에 큰 역할을 하지 않지만(제조 공정에서의 전기 사용이 거의 보편적으로 가장 큰 기여 요인), 인체 독성, 중금속 배출, 산성화 가능성, 금속 및 오존 고갈을 포함한 다른 중요한 환경 영향 요인에 종종 상당한 영향을 미친다.

인체 독성 및 중금속 배출은 박막 태양 전지 생산에 특히 중요한 영향 요인인데, 1990년대 CdTe 전지가 상업 시장에 도입되었을 때 카드뮴 함유 화합물의 위험이 잘 알려지지 않았던 이후로 카드뮴 사용의 잠재적 환경 및 건강 영향이 특히 우려되어 왔다. CdTe 태양 전지가 더욱 보편화됨에 따라 이에 대한 대중의 우려는 계속되고 있다. 카드뮴은 신장, 뼈, 폐 손상을 유발하고 암 발생 위험을 높이는 것으로 알려진 매우 유해한 물질이다. 처음에는 모든 카드뮴 함유 화합물이 유해한 것으로 분류되었지만, 이제 우리는 Cd와 Te가 개별적으로 유해함에도 불구하고 CdTe의 조합은 매우 화학적으로 안정적이며 용해도가 낮고 인체 건강에 최소한의 위험을 제공한다는 것을 알고 있다.

원료 카드뮴은 더 큰 위험을 초래하며, CdS 및 아세트산 카드뮴과 같은 전구체 물질도 다른 태양광 발전 전지에도 자주 사용되며 인체 독성 및 중금속 배출과 같은 환경 영향 요인에 상당한 기여를 한다. 이러한 영향은 QDPV용 퀀텀닷 제조와 같이 용액에서 카드뮴 이온을 생성하는 나노제조 공정에서 더욱 두드러질 수 있다. 이러한 효과로 인해 CdTe 태양 전지 생산은 다른 박막 태양광 제조보다 중금속 배출량이 실제로 더 낮은 것으로 나타났다. 사실, CdTe 생산은 리본 실리콘, 다결정 실리콘, 단결정 실리콘 또는 퀀텀닷 태양광 발전 제조보다 카드뮴 배출량이 낮으며, 니켈, 수은, 비소, 크롬, 납 배출량도 낮다. 총 중금속 배출량 측면에서 퀀텀닷 태양광 발전은 약 0.01mg/kWh로 PV 재료 중 가장 높은 배출량을 보이지만, 차트에서 볼 수 있듯이 다른 재생 가능 또는 비재생 발전 (전기)원보다 총 중금속 배출량이 여전히 낮다.

특히 카드뮴 및 CdTe 태양 전지와 관련된 안전 문제 완화에 대한 열망은 무독성 또는 독성이 낮은 다른 칼코제나이드 태양광 발전 재료, 특히 안티몬 기반 칼코제나이드의 개발을 촉발했다. 이러한 신흥 칼코제나이드 전지에서는 CdS의 사용이 인체 독성 및 금속 고갈과 같은 영향 요인에 가장 크게 기여하지만, 스테인리스 스틸 또한 이러한 및 기타 태양광 발전 재료의 영향에 상당한 기여를 한다. 예를 들어, CIGS 전지에서 스테인리스 스틸은 전지 생산과 관련된 총 독성의 80%를 차지하며 오존 고갈에도 상당한 기여를 한다.

PV 제조에 관심 있는 또 다른 잠재적 영향 요인은 산성화 가능성인데 이는 토양산화, 담수 산성화, 해양 산성화 및 그 부정적인 환경 영향에 기여하는 황 및 질소 산화물 배출량을 정량화한다. 이 측면에서 QDPV가 가장 낮은 배출량을 보이며, CdTe가 그 뒤를 바짝 쫓고 있다.

 같이 보기 

 태양광 회사 목록
 플라스몬 태양 전지
 요금상계제도
 태양 전지 타임라인
 태양광 발전 시스템 성능

 각주 

 출처 
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 외부 링크 
 Flexcellence , a STReP financed by the Sixth Framework Programme (FP6) of the EU. Full title : Roll-to-roll technology for the production of high-efficiency low cost thin-film silicon photovoltaic modules.

분류:박막 전지