에너지 하베스팅을 향상하는 차세대 PV셀 기술

오늘날 설치된 태양광(PV) 셀의 85%는 실리콘으로 제조된 것이다. 실리콘은 빛을 전기로 변환하기에 적합하며, 지구상에 풍부하게 존재한다. 뿐만 아니라 실리콘은 IC 업계에 구축된 웨이퍼 제조 기술을 이용해 PV 셀을 대량으로 제조할 수 있다. 하지만 실리콘은 최대 약 33%에 그치는 효율, 에너지 집약적인 고온 공정, 그리고 깨지기 쉽다는 단점이 있다.

실리콘의 이러한 단점을 극복하기 위해서 새로운 소재, 아키텍처, 어셈블리 기법을 사용하는 새로운 세대의 PV 기술들이 개발되고 있다. 새로운 소재로서 화합물 반도체인 갈륨비소(GaAs)와 갈륨인(GaP), 미네랄 페로브스카이트(CaTiO)를 들 수 있다. 새로운 집광형 PV(Concentrated PV) 아키텍처와 어셈블리 기법은 다중 접합, 다중 박막, 대형 결정을 사용해서 높은 에너지 효율과 내구성을 달성하도록 한다.

실리콘 PV 셀은 양산이 용이하고 가격이 떨어지고 있어서 앞으로도 여전히 대규모 발전 시장을 주도할 것으로 보이며, 대안 기술들은 틈새 애플리케이션을 메울 것이다. 그러한 틈새 애플리케이션의 한 예가 무선 IoT 센서이다. 이러한 애플리케이션에 효율적이면서, 컴팩트하고, 내구성이 좋고, 비싸지 않은 PV 기술을 사용하면 태양 에너지를 포집해서 시스템 배터리를 충전할 수 있다. 이러한 기술은 IoT를 가속화하도록 기여할 것이다. 무선 센서가 거의 유지보수 없이도 안정적으로 작동할 수 있기 때문이다.

이 글에서는 PV 셀의 작동 원리, 실리콘의 역할, 실리콘의 장단점, 그리고 새로운 반도체 소재, 아키텍처, 어셈블리 기법에 대해서 설명한다.

광기전 작용의 원리

광기전(photovoltaic) 작용을 깊이 있게 이해하기 위해서는 양자 역학에 대한 기초 지식이 필요할 것이다. 하지만 PV 셀의 기본적인 동작 원리는 간단하다. PV 셀은 반도체 p-n 접합을 활용한 것이다. n형 측에서는 전자가 전류 운반자이고, p형 측에서는 전자 정공이 그 일을 한다. 좁은 파장 범위의 광자가 반도체 결정 행렬 안으로 침투하면 n형 물질에서 원자에 묶여 있던 전자가 이 광자를 흡수한다. 이 입자가 에너지가 충분하면 전자가 모 원자에서 탈출한다. 그러면 n형 측에서 잉여 전자가 반대측으로 산란해서 p형 측에서 정공과 결합한다. 그럼으로써 양측에 전위 차가 생긴다. 그러면 양측 사이에 전도 리턴 경로로 직류(DC)가 흐를 수 있게 된다(그림 1).

[그림 1] 단일 접합 PV 셀 동작. 충분한 에너지의 광자가 전자를 탈출시키고, 이 전자가 반도체 접합부의 반대측으로 넘어가서 전위 차를 발생시킨다. (출처] Wikipedia)

PV 셀은 수천 개의 이러한 p-n 접합부로 이루어진다. 이러한 셀들을 모아서 모듈을 만들고, 모듈을 모아서 최종적인 패널을 생산한다. DC 전압을 인버터를 사용해서 AC로 변환해서 다양한 용도에 활용하고 남는 전기는 전력망으로 공급할 수 있다(그림 2).

[그림 2] PV 셀을 결합해서 모듈을 만들고, 모듈을 결합해서 최종적인 패널을 생산한다. (출처] Wikipedia)

1세대 PV 셀. 단일 접합 실리콘

1세대 PV 패널은 주로 결정질 실리콘(c-Si)을 사용해서 제조된다. 실리콘을 사용하는 이유는 PV 성능과 공급의 용이성 때문이다. 이 물질은 지구상에 풍부하게 존재하며(지각의 28% 차지), 반도체 업계의 제조 기술과 설비를 활용할 수 있다. 하지만 PV 패널용 대형 실리콘 웨이퍼를 생산하는 공정은 고온으로 에너지 집약적이고, 복잡하며, 비용이 많이 든다.

다만 전세계적인 생산 과잉으로 PV 패널의 가격이 부분적으로 떨어지고는 있다. 2020년 한 해에만 실리콘 PV 패널 가격이 30%가량 떨어졌다. 화석 연료에 대한 의존도를 낮추기 위한 정부 보조금도 실리콘 PV 패널의 도입을 가속화하는 역할을 한다. 그렇더라도 이 기술은 많은 틈새 애플리케이션에 활용하기에는 여전히 가격이 너무 비싸다.

실리콘의 장점: 효율과 밴드갭

실리콘은 PV에 사용하기에 많은 장점을 갖췄다. 첫째, PV 효율이 우수하다(PV 셀이 포착한 햇빛의 양에 대해서 생성된 에너지의 비). 지구 표면에서 평균적으로, 태양은 직사광선일 때 약 1100W/m2을 제공한다. 1m2 크기인 PV 패널이 직사광선에 노출되고 효율이 10%라고 가정하면 출력은 약 110W이다.

반도체의 최대 효율을 제한하는 가장 중요한 특성이 밴드갭(band gap)이다. 밴드갭은 원자로부터 전자를 ‘전도띠’로 탈출시키는 데 필요한 에너지의 양으로서, 단위는 전자볼트(eV)로 표시된다. 1eV는 약 1.602×10-19J에 해당한다.

광자의 에너지는 파장에 따라서 결정된다. 광자의 파장이 짧을수록(더 높은 주파수) 에너지가 높다. c-Si 격자로 침투하는 많은 태양 광자는 전자를 탈출시키기에 에너지가 충분하지 않아 소재를 따뜻하게 하는 것 말고는 별다른 역할을 하지 못한다. 하지만 광자의 에너지가 소재의 밴드갭보다 크면 단일 전자를 탈출시킬 수 있다. 다만, 이 에너지가 너무 높아도 결정을 뜨겁게 하는 것 말고는 어떤 유용한 일을 하지 못한다.

1961년에 윌리엄 쇼클리(William Shockley)와 한스-요아힘 퀘이서(Hans-Joachim Queisser)는 일련의 밴드갭에 걸쳐 단일 접합 PV 셀(단일 반도체로 만들어진 셀)에 이론적으로 가능한 최대 PV 효율을 계산했다(그림 3). 이 계산에 따르면 단일 접합 PV 셀에서 최적의 밴드갭은 1.13eV인 것으로 밝혀졌다. 이는 약 33%의 최대 효율에 해당된다. 실리콘의 밴드갭이 1.10eV이므로 이 최적 수치에 근접한다는 것을 알 수 있다.

[그림 3] 쇼클리와 퀘이서가 단일 접합 PV 셀 반도체로 밴드갭에 따른 최대 효율을 계산했다. 실리콘은 밴드갭이 1.1eV이다. (출처] Wikipedia)

실리콘의 단점: 결정 크기, 에너지, 효율, 깨지기 쉬움

하지만 실리콘이 PV 셀용으로 완벽한 소재는 아니다. 밴드갭만이 효율을 위한 결정적인 요소가 아니고, 결정의 크기 또한 중대한 영향을 미친다. 작은 결정으로 이루어진 소재는 결정의 계면이 늘어남으로써 전자의 이동도가 감소한다. 전자 이동도가 감소하면 전류 흐름을 제한하고, 그러므로 효율을 떨어트린다.

뿐만 아니라 실리콘은 다음과 같은 점들 때문에 PV 셀용으로 완벽하게 이상적이지는 않다:

• 이론적으로 가능한 최대 효율이 33%에 불과하다. 현재 가장 우수한 c-Si PV 패널의 효율이 약 24%이다. 그러므로 태양 에너지의 3/4 이상을 낭비한다.

• 깨지기 쉬운 특성 때문에 기계공학적으로 무거운 유리 패널을 사용해서 지지해야 한다. 그만큼 무게와 비용이 증가한다.

• 고온으로 에너지 집약적이며 복잡한 공정들을 필요로 한다.

• 기본적으로 비싼 재료이다. 그러므로 공급이 제한되거나 보조금이 철회되었을 때 어려움이 따를 수 있다.

새로운 세대의 PV 기술 개발

지난 몇 년 사이에 2세대 PV 제품이 상용화되고, 3세대 기술이 연구개발 단계로 접어들게 되었다. 2세대 및 3세대 기술은 성숙한 실리콘 기술을 토대로 해서 개발될 것이다. 실리콘의 단점을 극복하도록 향상되면서 아이솔레이터, 미터, 컨트롤러, 인버터 같은 지원 인프라는 PV 기술 타입에 크게 상관없이 사용할 수 있을 것이다.

2세대 PV 기술

2세대 PV 패널은 유리, 플라스틱, 금속 기판 상에 두께가 나노미터에서부터 마이크로미터에 이르는 PV 소재층들을 사용한다(그림 4). 이러한 ‘박막’ PV(TFPV) 셀은 제조 비용이 덜 들고 덜 에너지 집약적이고, 더 값싼 소재를 사용하고, 덜 무겁다. 따라서 예컨대 반투명 PV 글레이징 소재를 유리창 위에 접착할 수가 있다.

[그림 4] 다중 접합 TFPV 셀의 내부 구조 (출처] NREL)

TFPV 패널은 제조, 에너지, 비용, 무게 면에서 장점이 있는 반면, 효율이 떨어진다. 이들 박막은 극히 작은 결정들로 이루어지므로 전자 이동도에 영향을 미친다. 그러므로 벌크 소재 다중 접합 PV 패널의 효율 이점이 사라진다. 상용화 TFPV 패널들은 결정이 상대적으로 큰 c-Si가 아니라 다결정 실리콘(결정이 매우 작음)이나 비결정질 실리콘을 사용한다. TFPV 패널은 향후 약 20%의 효율이 기대되며, 현재로서는 상용화 제품들이 대체로 10% 효율을 나타낸다.

TFPV 패널의 두 번째 단점은 박막이 시간이 지나면서 급격하게 성능이 저하됨으로써 패널 수명을 떨어트린다는 것이다. 2세대 PV 셀은 대규모 발전용 시장에서 실리콘의 주도권을 위협할 것으로는 보이지 않으며, 효율은 조금 떨어지더라도 비용, 무게, 내구성이 중시되는 애플리케이션에 활용하기에 적합할 것이다.

3세대 PV 기술

1 ~ 2세대 기술을 향상시키기 위해서 PV 기술의 개발은 계속되고 있다. 다양한 측면에서 연구가 계속됨으로써 3세대 PV 기술을 개발하기 위한 토대를 놓고 있다. 이러한 연구개발은 다음과 같은 4가지 측면으로 범주화할 수 있다:

• 소재: 실리콘을 보완하기 위해서 다른 반도체 소재를 사용해서 에너지 수준이 더 낮은 광자가 전자를 탈출시키도록 할 수 있다. 그럼으로써 더 많은 에너지를 전기로 변환할 수 있다.

• 구조: 1세대 PV 패널을 생산할 때의 에너지 소모와 복잡성을 낮추기 위한 기법들이 도입되고 있다.

• 공정: 결정의 품질과 크기를 향상시키도록 반도체 공정을 향상시킴으로써 전자 이동도를 높일 수 있다.

• 기계공학: 거울이나 렌즈를 사용해서 입사 광을 집중시킴으로써 기판의 단위 면적당 받는 광자의 수를 늘릴 수 있다. 

소재의 개발

실리콘보다 밴드갭이 낮거나 높은 소재들을 도입해서 더 많은 입사 광자 에너지를 전기로 변환할 수 있다. 1.1eV인 실리콘의 밴드갭은 어떤 단일 반도체 물질보다도 가시 광으로부터 에너지를 포집하기에 우수하다. 그런데 태양으로부터 많은 에너지는 이 밴드갭보다 낮은 광자들에 의해서 운반된다. 예를 들어서 청색 광자는 적색 광자보다 3배나 더 많은 에너지를 운반하는데, 이 광자가 실리콘 전자로 흡수된다 하더라도 이 에너지의 2/3가 낭비된다. 

실리콘보다 밴드갭이 낮은 반도체를 사용해서 쓸모 없이 버려지는 광자들이 에너지 변환에 기여하도록 할 수 있다. 인듐비소(InAs)는 밴드갭이 0.36eV로서, 실리콘을 보완하기 위해서 성공적으로 도입되고 있다.

실리콘보다 밴드갭이 높은 반도체는 파장이 더 짧은 광자들이 전기 생산에 기여하도록 한다. 이러한 소재로서 밴드갭이 1.43eV인 갈륨비소(GaAs)와 밴드갭이 2.25eV인 갈륨인(GaP)이 성공적으로 도입되고 있다. 또한 많은 연구들에서 인듐갈륨비소(InGaAs)와 인듐갈륨인(InGaP) 같이 이들 소재를 추가적으로 화합해서 PV 효과를 추가적으로 극대화할 수 있는 것으로 밝혀지고 있다.

구조 상의 개발

대안적인 밴드갭 반도체들은 단독으로는 실리콘보다 최대 효율이 낮다. 그러므로 단독으로 사용해서는 이득이 없다. 대신, 다층 구조로 1가지 이상의 반도체 소재를 함께 사용할 수 있다. 맨 위 층에는 밴드갭이 가장 큰 소재(전자를 탈출시키기 위해서 짧은 파장(높은 에너지)의 광자 필요)를 사용한다. 에너지가 낮은 광자는 아무런 상호작용을 일으키지 않고 이 층을 통과하고 그 다음 층의 밴드갭이 낮은 소재들에 흡수된다. 광자들이 하위 층으로 통과할 수 있도록 하면서 생성된 전류를 운반하기 위해 각각의 층에 투명한 도체가 필요하다. 이 구조가 TFPV 패널로 성공적으로 도입되고 있으며 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

실리콘은 최대 효율이 33%인데, 다층 PV 패널을 사용해서 이 수치를 이론적으로 더 높일 수 있다. 예를 들어서 한 층은 밴드갭이 1.64eV이고 또 다른 층은 0.94eV인 2층 셀로는 44%의 최대 효율이 가능하다. 마찬가지로 1.83eV, 1.16eV, 0.71eV 밴드갭인 3층 PV 셀로는 이론적으로 48%의 최대 효율을 달성할 수 있다. 현재 2층, 3층, 4층짜리 다층 상용 제품들이 등장하고 있다.

공정 상의 개발

연구자들은 3세대 PV 패널용으로 1세대의 높은 효율과 2세대의 단순하면서 비용을 낮추는 제조가 모두 가능한 새로운 소재들을 연구하고 있다. 

관심을 끌고 있는 것이 미네랄 페로브스카이트(CaTiO)로부터 파생된 소재군이다. 이 소재군은 밴드갭이 1.4eV ~ 2.5eV에 이른다. 페로브스카이트 소재군은 이론적 최대 효율은 실리콘에 미치지 못하나 최근에 효율이 4%에서 20%로 빠르게 향상됨으로써 최종적인 상용화 제품은 TFPV 패널보다 효율이 더 우수할 것으로 기대된다.

실리콘과 비교할 때 페로브스카이트 소재군이 가진 가장 큰 장점은, 비교적 용이하게 낮은 공정 온도로 밀리미터 크기의 완벽한 결정을 성장할 수 있다는 것이다. 이것은 완전 결정 격자로 큰 크기이며, 따라서 제조 비용은 낮추면서 전자 이동도를 크게 높이고 그에 따라서 효율을 높일 수 있다. 한편으로 더 큰 완전 결정을 성장하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구로서 최근에 미국에서 MIT의 연구원들은 셀을 강한 빛에 노출시켜서 페로브스카이트 기반 PV 셀로 결정 결함을 ‘치유’하는 방법을 알아냈다.

UC 버클리의 연구원들은 페로브스카이트 결정의 각 면마다 효율이 크게 차이가 난다는 사실을 발견하고 벌크 소재를 가공할 때 효율이 가장 우수한 면이 PV 셀 전극과 맞닿도록 해서 전반적인 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 연구하고 있다.

페로브스카이트 기반의 PV 셀을 상용화하는 데 있어서 현재로서 가장 큰 난제는 TFPV 소재와 마찬가지로 소재의 성능이 시간이 지나면서 급격히 저하된다는 것이다.

기계공학적 개발

3세대 PV 패널의 또 다른 기술 개발로서 집광형 PV(CPV) 기술을 들 수 있다. CPV는 렌즈나 거울을 사용해서 햇빛을 집중시킴으로써 PV 패널의 단위 면적으로 입사되는 광자 수를 크게 늘리는 것이다. 이 기법은 통상적으로 그림 4에서 보는 것과 같은 고효율 다중 접합 PV 셀을 사용한다. 빛을 집중시킴으로써 효율을 높일 수 있고, 그럼으로써 패널 크기를 크게 줄이고, 패널 제품의 가격과 무게를 낮추고, 설치 가능한 장소를 확대할 수 있다.

‘저수준’ CPV는 패널 상에 2배 ~ 100배의 햇빛을 집광할 수 있으며, ‘고수준’ CPV는 1000배의 햇빛을 집광할 수 있다. 또한 CPV 시스템은 태양광 추적기와 경우에 따라 냉각 시스템을 사용해서 효율을 추가로 높일 수 있다. 표 1은 현행 PV 셀 기술들의 효율을 비교해서 나타낸 것이다.

[표 1] c-Si, TFPV, CPV 기술의 효율 (출처] IRENA)

사례 분석: 에너지 하베스팅을 활용한 무선 IoT 센서

PV 기술의 주된 애플리케이션은 재생 에너지를 사용해서 전기를 생산하여 전력망을 보완하는 것이다. 그런데 3세대 기술은 더 싸고 내구성이 좋고 크기가 작은 PV 패널 구현이 가능해, 틈새 애플리케이션으로 에너지 하베스팅에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

무선 IoT 센서

무선 IoT 센서 설계 엔지니어들은 오래 전부터 에너지 하베스팅을 활용할 수 있기를 원했다. IoT는 수십억 개의 센서들로 이루어지는데, 이러한 센서들은 원격지에 설치됨으로써 메인 전원을 사용하기가 여의치 않고 배터리 교체 같은 유지보수를 위해서 접근하기가 어려울 수 있다.

이러한 많은 제품이 블루투스 저에너지와 지그비 같은 저전력 무선 기술을 사용한다. 이러한 무선 기술은 애초부터 저전력으로 설계되었다. 많은 애플리케이션이 약 220mAh 용량의 소형 일차전지를 사용해서 구동된다. 낮은 듀티 사이클 동작일 때 저전력 무선 시스템온칩(SoC)의 평균적인 전류 소모가 마이크로암페어 대이다. 그러므로 배터리 수명을 수천 시간(수 개월)으로 연장할 수 있다.

그런데 일차전지를 이차전지로 교체하고 PV 셀을 사용해서 충전하면 배터리 수명을 수년까지 연장할 수 있다.

에너지 하베스팅 기술

에너지 하베스팅 기술은 소용량 리튬이온 셀 충전용으로서는 검증된 기술에 속한다. 일례로 Mikroe의 에너지 하베스팅 모듈은 실리콘 PV 셀로서 4V로 최대 0.4W를 생산할 수 있다. PV 셀의 전압과 전류는 크게 변동적일 수 있다. 그러므로 리튬이온 배터리를 충전하기 위해서는 전압/전류 출력을 레귤레이트해야 한다. 이러한 용도로 사용하도록 고도로 통합적인 전원관리 칩 제품들이 출시되어 있다.  

아나로그디바이스(구 맥심 인터그레이티드)의 MAX17710 전원관리 IC는 1μW부터 100mW까지 이르는 출력 레벨로 PV 셀 같이 레귤레이트되지 않은 전원 소스를 관리할 수 있다. 이 디바이스 제품은 부스트 레귤레이터 회로를 포함함으로써 최저 0.75V까지 이르는 소스를 사용해서 배터리를 충전할 수 있다. 내부 레귤레이터가 과충전을 방지한다. LDO 선형 레귤레이터를 통해서 무선 IoT 센서로 3.3V, 2.3V, 1.8V 출력을 제공한다.

텍사스 인스트루먼트도 전원관리 IC로서 bq25504를 제공한다. 이 제품은 PV 셀로부터 생산된 전력을 효율적으로 포착하고 관리하도록 설계되었다. 이 칩은 DC-DC 부스트 컨버터/차저를 포함하고, 마이크로와트 대의 전력을 소모하며, 최저 330mV의 전압으로 에너지 하베스팅을 시작한다(그림 5).

[그림 5] 에너지 하베스팅을 활용한 배터리 충전용으로 TI의 전원관리 IC를 사용하는 애플리케이션 회로 예시 (출처] Texas Instruments)

3세대 PV 기술의 활용

현재의 PV 셀 에너지 하베스팅 솔루션은 그런대로 만족스럽기는 하지만 몇 가지 단점이 존재한다. 예를 들어서 Mikroe의 에너지 하베스팅 모듈은 크기가 7cm x 6.5cm x 0.3cm로서(표면적은 45.5cm2), 비교적 무게가 무겁고 깨지기 쉽다. 현재로서는 이 제품 같은 실리콘 PV 셀이 다른 기술들에 비해서 효율이 우수하므로 현실적으로 유일한 선택이다.

3세대 셀은 여러 기술을 동원해서 현재 상용화 제품으로 달성하고 있는 10%보다 더 높은 효율을 달성할 것이다. 현재 연구되고 있는 기술들을 사용해서 앞으로 몇 년 안에 효율이 두 배로 높아질 것으로 기대된다. 그렇게 되면 TFPV 셀로 실리콘 PV 셀에 필적하는 성능을 달성하면서 부가적으로 비용을 낮추고, 무게를 가볍게 하고, 견고성을 높일 수 있을 것이다.

예를 들어서 3세대 TFPV 셀은 4cm2에 불과한 크기로 직사 광선을 통해 약 0.22W의 입사 전력을 받을 수 있다. 그러면 효율이 20%라고 가정할 때 TFPV 셀이 약 44mW를 출력할 수 있다. 평균 3.5V로 충전할 때(리튬이온 배터리 충전 시에 전압이 변동적일 수 있음) 전원관리 칩으로부터 공급되는 전류는 약 12mA일 것이다. 그러면 300mAh 리튬이온 배터리를 약 25시간에 걸쳐서 완전히 충전하기에 충분하다. 

이렇게 충전하려면 햇빛이 쨍쨍한 날씨일 때 며칠이 걸릴 것이다. 하지만 통상적인 저전력 무선 센서 동작일 때 리튬이온 배터리의 방전 비율이 하루에 수 mAh에 불과하므로 PV를 사용해서 배터리를 채우기만 하면 햇빛이 흐린 날씨에 며칠간 쓸 수 있는 에너지 요구량을 손쉽게 확보할 수 있다.

컴팩트한 3세대 PV 셀이 상용화되기까지는 상당한 시일이 걸릴 것이다. 또 양산이 시작된다고 하더라도 처음에는 가격이 무선 IoT 센서 애플리케이션에 사용하기에 비쌀 것이다. 그렇지만 기술이 성숙하고 수요가 증가함에 따라서 TFPV 셀이 값이 훨씬 떨어질 것이고 이와 같은 틈새 애플리케이션에 사용하기에 적합한 수준이 될 것이다.

TFPV 셀의 효율은 계속해서 향상될 것이다. 그러면 에너지 하베스팅 무선 센서 설계에서 다음과 같은 것들이 가능해질 것이다:

• 실내 센서용으로 인공 조명으로부터 에너지 하베스팅

• 극히 공간 제약적인 설계에서 주어진 전력 출력으로 패널 크기 축소

• 더 높은 전력을 사용해서 첨단 무선 SoC로 복잡한 소프트웨어 알고리즘 실행

• 무선 센서의 거리와 쓰루풋 향상

• 단일 PV 패널로 다중의 센서 구동

맺음말

현재 설치된 태양광(PV) 셀의 85%는 실리콘으로 제조된 것이다. 실리콘은 지구상에 풍부하게 존재하는 물질이고 빛을 전기로 변환하기에 적합하다. 실리콘은 약 33%에 그치는 최대 효율, 에너지 집약적인 고온 공정, 깨지기 쉽다는 점이 단점인데, 이러한 실리콘의 단점을 극복하기 위해서 2세대 및 3세대 PV 기술이 개발되고 있다.

2세대 PV 패널은 유리, 플라스틱, 금속 기판 상에 박막 PV 셀을 탑재한다. 2세대 기술은 제조하기 위해서 비용과 에너지가 덜 들고, 덜 비싼 소재를 사용하고, 무게가 가볍고, 반투명 PV 글레이징 소재를 유리창에 부착하는 것과 같은 애플리케이션이 가능하다. 대규모 전기 발전용으로 실리콘의 주도권을 위협할 것으로는 보이지 않으나, 효율은 좀 떨어지더라도 비용, 무게, 내구성을 중요하게 요구하는 애플리케이션에 잘 활용할 수 있을 것이다.

3세대 PV 셀은 실리콘과 같은 효율을 달성하면서 2세대 제품의 이점까지 겸비할 것이다. 그러므로 원격지 IoT 센서 애플리케이션에서 재충전가능 리튬이온 배터리를 태양 에너지로 지속적으로 보충하는 용도로 활용하기에 적합할 것이다. 새로운 세대의 PV 기술로 실리콘의 단점을 극복하기 위해서 소재, 구조, 공정, 기계공학적 측면에서 개발이 이루어지고 있다. 새로운 소재로서 화합물 반도체인 갈륨비소(GaAs)와 갈륨인(GaP), 미네랄 페로브스카이트(CaTiO)를 들 수 있다. 새로운 집광형 PV(CPV) 아키텍처와 어셈블리 기법은 다중 접합, 박막, 큰 크기의 결정을 사용해서 높은 에너지 효율과 내구성을 달성하도록 할 것이다.

에너지 하베스팅 무선 IoT 센서 같은 틈새 애플리케이션으로 3세대 PV 셀을 활용하기에 특히 적합하다. 이 애플리케이션은 효율적이며, 컴팩트하고, 내구성이 우수하고, 가격이 비싸지 않은 PV 기술을 필요로 한다. 3세대 기술을 사용해서 무선 센서가 유지보수가 거의 필요 없이 안정적으로 동작할 수 있을 것이다. 3세대 PV 기술이 진화함에 따라서 실내 조명으로부터 에너지를 포집하는 무선 센서 설계나 크기, 효율, 성능, 견고성을 중요하게 요구하는 그 밖에 다른 애플리케이션이 현실화될 수 있을 것이다. 

글/스티븐 키핑(Steven Keeping), 프리랜서