Célula solar de unión múltiple

Las células fotovoltaicas tradicionales suelen estar compuestas de silicio dopado con contactos metálicos depositados en la parte superior e inferior. El dopaje se aplica normalmente a una capa delgada en la parte superior de la célula, produciendo una unión p-n con una energía de banda prohibida particular , E _g .

Los fotones que inciden en la parte superior de la celda solar se reflejan o se transmiten hacia el interior de la misma. Los fotones transmitidos tienen el potencial de ceder su energía, hν , a un electrón si hν ≥ E _g , generando un par electrón- hueco . ^{[ 13 ]} En la región de agotamiento, el campo eléctrico de deriva E _drift acelera tanto a los electrones como a los huecos hacia sus respectivas regiones dopadas con n y p (arriba y abajo, respectivamente). La corriente resultante I _g se denomina fotocorriente generada . En la región cuasineutral, el campo eléctrico de dispersión E _scatt acelera los huecos (electrones) hacia la región dopada con p (dopada con n), lo que genera una fotocorriente de dispersión I _pscatt ( I _nscatt ). En consecuencia, debido a la acumulación de cargas , aparece un potencial V y una fotocorriente I _ph . La expresión para esta fotocorriente se obtiene sumando las fotocorrientes de generación y dispersión: I _ph = I _g + I _nscatt + I _pscatt .

Las características JV (donde J es la densidad de corriente, es decir, la corriente por unidad de área) de una celda solar bajo iluminación se obtienen desplazando hacia abajo las características JV de un diodo en la oscuridad en I _ph . Dado que las celdas solares están diseñadas para suministrar energía y no absorberla, la potencia P = VI _ph debe ser negativa. Por lo tanto, el punto de operación ( V _m , J _m ) se encuentra en la región donde V > 0 e I _ph < 0 , y se elige para maximizar el valor absoluto de la potencia | P | . ^{[ 14 ]}

El rendimiento teórico de una célula solar se estudió en profundidad por primera vez en la década de 1960 y hoy se conoce como el límite de Shockley-Queisser . Este límite describe varios mecanismos de pérdida inherentes a cualquier diseño de célula solar.

La primera es la pérdida debida a la radiación de cuerpo negro , un mecanismo de pérdida que afecta a cualquier objeto material por encima del cero absoluto . En el caso de las células solares a temperatura y presión estándar , esta pérdida representa aproximadamente el 7 % de la potencia. La segunda es un efecto conocido como "recombinación", donde los electrones creados por el efecto fotoeléctrico se encuentran con los huecos de electrones que quedaron tras excitaciones anteriores. En el silicio, esto representa otro 10 % de la potencia.

Sin embargo, el principal mecanismo de pérdida radica en la incapacidad de una célula solar para extraer toda la energía de la luz , y el problema conexo de que no puede extraer energía alguna de ciertos fotones. Esto se debe a que los fotones deben tener la energía suficiente para superar la banda prohibida del material.

Si el fotón tiene menos energía que la banda prohibida, no se capta en absoluto. Esto es una consideración importante para las células solares convencionales, que no son sensibles a la mayor parte del espectro infrarrojo , aunque este representa casi la mitad de la energía proveniente del sol. Por el contrario, los fotones con más energía que la banda prohibida, como la luz azul, inicialmente expulsan un electrón a un estado muy por encima de la banda prohibida, pero esta energía adicional se pierde por colisiones en un proceso conocido como "relajación". Esta energía perdida se convierte en calor en la célula, lo que tiene como efecto secundario un aumento adicional de las pérdidas por cuerpo negro. ^{[ 15 ]}

Considerando todos estos factores, la eficiencia máxima para un material de banda prohibida única, como las células de silicio convencionales, es de aproximadamente el 34%. Es decir, se pierde el 66% de la energía de la luz solar que incide sobre la célula. Factores prácticos reducen aún más esta eficiencia, en particular la reflexión en la superficie frontal o en los terminales metálicos, que en las células modernas de alta calidad ronda el 22%.

Los materiales con menor banda prohibida, también llamada banda prohibida estrecha, convierten fotones de mayor longitud de onda y menor energía. Los materiales con mayor banda prohibida, o banda prohibida ancha, convierten luz de menor longitud de onda y mayor energía. Un análisis del espectro AM1.5 muestra que el equilibrio óptimo se alcanza alrededor de 1,1  eV (aproximadamente 1100  nm, en el infrarrojo cercano), valor muy cercano a la banda prohibida natural del silicio y de otros semiconductores útiles.

Las células fabricadas con múltiples capas de materiales pueden tener múltiples brechas de banda y, por lo tanto, responderán a múltiples longitudes de onda de luz, capturando y convirtiendo parte de la energía que de otro modo se perdería por relajación, como se describió anteriormente.

Por ejemplo, si se tuviera una celda con dos brechas de banda, una sintonizada a la luz roja y la otra a la verde, la energía adicional de la luz verde, cian y azul se perdería únicamente en la brecha de banda del material sensible al verde, mientras que la energía de la luz roja, amarilla y naranja se perdería únicamente en la brecha de banda del material sensible al rojo. Siguiendo un análisis similar al realizado para dispositivos de una sola brecha de banda, se puede demostrar que las brechas de banda ideales para un dispositivo de dos brechas se encuentran en 0,77  eV y 1,70  eV. ^{[ 16 ]}

Afortunadamente, la luz de una longitud de onda específica no interactúa fuertemente con materiales de mayor banda prohibida. Esto permite construir una celda multijunción superponiendo diferentes materiales, con las longitudes de onda más cortas (mayor banda prohibida) en la capa superior y aumentando progresivamente hacia el interior de la celda. Dado que los fotones deben atravesar la celda para alcanzar la capa adecuada para su absorción, es necesario utilizar conductores transparentes para recolectar los electrones generados en cada capa.

La producción de una celda en tándem no es tarea fácil, principalmente debido al escaso grosor de los materiales y a las dificultades para extraer la corriente entre las capas. La solución más sencilla consiste en utilizar dos celdas solares de película delgada separadas mecánicamente y conectarlas entre sí por separado fuera de la celda. Esta técnica es ampliamente utilizada en celdas solares de silicio amorfo ; los productos de Uni-Solar utilizan tres de estas capas para alcanzar eficiencias cercanas al 9 %. Ejemplos de laboratorio con materiales de película delgada más exóticos han demostrado eficiencias superiores al 30 %. ^{[ 17 ]}

La solución más compleja es la celda "integrada monolíticamente", donde la celda consta de varias capas conectadas mecánica y eléctricamente. Estas celdas son mucho más difíciles de producir porque las características eléctricas de cada capa deben coincidir con precisión. En particular, la fotocorriente generada en cada capa debe coincidir; de lo contrario, se producirá la absorción de electrones entre capas. Esto limita su construcción a ciertos materiales, siendo los semiconductores III-V los que mejor se ajustan . ^{[ 17 ]}

En una pila de dos celdas, donde no se produce acoplamiento radiativo, y donde cada una de las celdas tiene una característica JV dada por la ecuación del diodo, la característica JV de la pila viene dada por ^{[ 25 ].}

${\displaystyle J={\frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1}}+J_{\text{SC,2}}\right)-{\sqrt {{\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{SC}}}^{2}+J_{0}^{2}\mathrm {e} ^{\frac {qV}{kT}}}},}$

dónde ${\displaystyle J_{\text{SC,1}}}$y${\displaystyle J_{\text{SC,2}}}$son las corrientes de cortocircuito de las celdas individuales en la pila,${\displaystyle \Delta J_{\text{SC}}}$es la diferencia entre estas corrientes de cortocircuito y${\displaystyle J_{0}^{2}=J_{\mathrm {0,1} }J_{\mathrm {0,2} }}$es el producto de las corrientes de recombinación térmica de las dos celdas. Nótese que los valores insertados para las corrientes de cortocircuito y las corrientes de recombinación térmica son los medidos o calculados para las celdas cuando se colocan en una pila de múltiples uniones (no los valores medidos para celdas de unión simple de los respectivos tipos de celdas). La característica JV para dos celdas ideales (que operan en el límite radiativo) a las que se les permite intercambiar luminiscencia y, por lo tanto, están acopladas radiativamente, viene dada por ^{[ 25 ].}

${\displaystyle J={\frac {1}{2}}\left(J_{\text{SC,1}}+J_{\text{SC,2}}\right)+{\frac {1}{2}}T^{-}\Delta J_{\text{SC}}-\left(1-T^{+}\right){\sqrt {{\frac {1}{4}}{\Delta J_{\text{SC}}}^{2}+{\tilde {J}}_{0}^{2}\mathrm {e} ^{\frac {qV}{kT}}}}.}$

Aquí, los parámetros${\displaystyle T^{-}}$y${\displaystyle T^{+}}$Son coeficientes de transferencia que describen el intercambio de fotones entre las células. Estos coeficientes dependen del índice de refracción de las células.${\displaystyle {\tilde {J}}_{0}^{2}}$También depende del índice de refracción de las células. Si las células tienen el mismo índice de refracción${\displaystyle n_{\text{r}}}$, entonces${\displaystyle {\tilde {J}}_{0}^{2}=\left(1+2n_{\text{r}}^{2}\right)\left(J_{0,2}+2n_{\text{r}}^{2}J_{0,1}\right)J_{0,1}}$.

Para lograr la máxima eficiencia, cada subcelda debe operarse con sus parámetros JV óptimos, que no necesariamente son iguales para cada subcelda. Si son diferentes, la corriente total a través de la celda solar es la más baja de las tres. Por aproximación, ^{[ 26 ]} se obtiene la misma relación para la corriente de cortocircuito de la celda solar MJ: J _SC = min( J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 ) donde J _{SC i} ( λ ) es la densidad de corriente de cortocircuito a una longitud de onda λ dada para la subcelda i .

Debido a la imposibilidad de obtener J _SC1 , J _SC2 , J _SC3 directamente de la característica JV total, se utiliza la eficiencia cuántica QE ( λ ). Esta mide la relación entre la cantidad de pares electrón-hueco creados y los fotones incidentes a una longitud de onda λ dada . Sea φ _i ( λ ) el flujo de fotones de la luz incidente correspondiente en la subcelda i y QE _i ( λ ) la eficiencia cuántica de la subcelda i . Por definición, esto equivale a: ^{[ 27 ]}

${\displaystyle QE_{i}(\lambda )={\frac {J_{{\text{SC}}i}(\lambda )}{q\phi _{i}(\lambda )}}\Rightarrow J_{{\text{SC}}i}=\int _{0}^{\lambda 2}q\phi _{i}(\lambda )QE_{i}(\lambda )\,d\lambda }$

El valor de${\displaystyle QE_{i}(\lambda )}$se obtiene al vincularlo con el coeficiente de absorción${\displaystyle \alpha (\lambda )}$, es decir, el número de fotones absorbidos por unidad de longitud por un material. Si se supone que cada fotón absorbido por una subcelda crea un par electrón/hueco (lo cual es una buena aproximación), esto conduce a: ^{[ 24 ]}

${\displaystyle QE_{i}(\lambda )=1-e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}}$donde d _i es el espesor de la subcelda i y${\displaystyle e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}}$es el porcentaje de luz incidente que no es absorbida por la subcélula i .

De manera similar, porque

${\displaystyle V=\sum _{i=1}^{3}V_{i}}$Se puede utilizar la siguiente aproximación:${\displaystyle V_{\text{OC}}=\sum _{i=1}^{3}V_{{\text{OC}}i}}$.

Los valores de${\displaystyle V_{{\text{OC}}i}}$se obtienen entonces mediante la ecuación del diodo JV:

${\displaystyle J_{i}=J_{0i}\left(e^{\frac {qV_{i}}{kT}}-1\right)-J_{{\text{SC}}i}\Rightarrow V_{{\text{OC}}i}\approx {\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {J_{{\text{SC}}i}}{J_{0i}}}\right)}$

Podemos estimar la eficiencia límite de las células solares multijunción infinitas ideales utilizando el análisis gráfico de eficiencia cuántica (QE) inventado por CH Henry. ^{[ 28 ]} Para aprovechar al máximo el método de Henry, la unidad de la irradiancia espectral AM1.5 debe convertirse a la del flujo de fotones (es decir, número de fotones/m ² ·s). Para ello, es necesario realizar una conversión de unidad intermedia de la potencia de la radiación electromagnética incidente por unidad de área por energía de fotón al flujo de fotones por energía de fotón (es decir, de [W/m ² ·eV] a [número de fotones/m ² ·s·eV]). Para esta conversión de unidad intermedia, se deben considerar los siguientes puntos: Un fotón tiene una energía distinta que se define de la siguiente manera.

(1) E _ph = hf = h ( c / λ )

donde E _ph es la energía del fotón, h es la constante de Planck ( h ≈  6,626 × 10 ⁻³⁴  J⋅Hz ⁻¹ ), c ​​es la velocidad de la luz ( c =  299 792 458  m⋅s ⁻¹ ), f es la frecuencia y λ es la longitud de onda.

Entonces, el flujo de fotones por energía de fotón, d n _ph /d h ν, con respecto a cierta irradiancia E [W/m ² ·eV] se puede calcular de la siguiente manera.

(2)${\displaystyle {\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}={\frac {E}{E_{\text{ph}}}}={\frac {E}{\frac {hc}{\lambda }}}\,}$= E [W/m ² ⋅eV] × λ [nm]/(1,998 × 10 ⁻²⁵ [J⋅s⋅m/s]) = Eλ × 5,03 × 10 ¹⁵ [(número de fotones)/m ² ⋅s⋅eV]

Como resultado de esta conversión de unidades intermedias, la irradiancia espectral AM1.5 se da en unidades de flujo de fotones por energía de fotón, [n.º de fotones/m ² ·s·eV], como se muestra en la Figura 1.

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  Figura 1. Flujo de fotones por energía fotónica del espectro de energía solar estándar (AM de 1,5).

Basándonos en el resultado anterior de la conversión de unidades intermedias, podemos derivar el flujo de fotones integrando numéricamente el flujo de fotones por energía de fotón con respecto a la energía del fotón. El flujo de fotones integrado numéricamente se calcula utilizando la regla trapezoidal, como se muestra a continuación.

(3)${\displaystyle n_{\text{ph}}(E_{g})=\int _{E_{\text{g}}}^{\infty }{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}\,dhv=\sum _{i=E_{\text{g}}}^{\infty }(hv_{i+1}-hv_{i}){\frac {1}{2}}\left[{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}(hv_{i+1})+{\frac {dn_{\text{ph}}}{dhv}}(hv_{i})\right]\,}$

Como resultado de esta integración numérica, la irradiancia espectral AM1.5 se da en unidades de flujo de fotones, [número de fotones/m ² /s], como se muestra en la Figura 2.

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  Figura 2. Flujo de fotones del espectro de energía solar estándar (AM de 1,5).

No hay datos de flujo de fotones en los rangos de energía de fotones pequeños de 0–0,3096  eV porque el espectro de energía solar estándar (AM1.5) para hν < 0,31  eV no está disponible. Sin embargo, a pesar de esta falta de disponibilidad de datos, el análisis gráfico de QE se puede realizar utilizando los únicos datos disponibles con una suposición razonable de que los semiconductores son opacos para energías de fotones mayores que su energía de banda prohibida, pero transparentes para energías de fotones menores que su energía de banda prohibida. Esta suposición explica la primera pérdida intrínseca en la eficiencia de las células solares, que es causada por la incapacidad de las células solares de unión simple para coincidir adecuadamente con el amplio espectro de energía solar. Sin embargo, el análisis gráfico de QE actual todavía no puede reflejar la segunda pérdida intrínseca en la eficiencia de las células solares, la recombinación radiativa. Para tener en cuenta la recombinación radiativa, primero necesitamos evaluar la densidad de corriente radiativa, J _rad . Según el método de Shockley y Queisser, ^{[ 29 ]}

J _rad se puede aproximar de la siguiente manera.

(4)${\displaystyle J_{\text{rad}}=A\exp \left({\frac {eV-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,}$

(5)${\displaystyle A={\frac {2\pi \,\exp \left(n^{2}+1\right)E_{\text{g}}^{2}kT}{h^{3}c^{2}}}\,}$

donde E _g está en electronvoltios y n se evalúa como 3,6, el valor para GaAs. La radiación térmica absorbida incidente J _th viene dada por J _rad con V = 0.

(6)${\displaystyle J_{th}=A\exp \left({\frac {-E_{\text{g}}}{kT}}\right)\,}$

La densidad de corriente suministrada a la carga es la diferencia entre las densidades de corriente debidas a la radiación solar y térmica absorbida y la densidad de corriente de la radiación emitida desde la superficie superior o absorbida en el sustrato. Definiendo J _ph = en _ph , tenemos

(7) J = J _ph + J _th − J _rad

El segundo término, J _th , es despreciable comparado con J _ph para todos los semiconductores con E _g ≥ 0,3  eV, como se puede demostrar evaluando la ecuación J _th anterior . Por lo tanto, despreciaremos este término para simplificar la siguiente discusión. Entonces podemos expresar J de la siguiente manera.

(8)${\displaystyle J=en_{\text{ph}}-A\exp \left({\frac {eV-E_{\text{g}}}{kT}}\right)}$

La tensión en circuito abierto se obtiene ajustando J = 0.

(9)${\displaystyle eV_{\text{OC}}=E_{\text{g}}-kT\ln \left({\frac {A}{en_{\text{ph}}}}\right)}$

El punto de máxima potencia ( J _m , V _m ) se encuentra al establecer la derivada.${\displaystyle {\frac {dJV}{dV}}\,=0}$El resultado habitual de este cálculo es:

(10)${\displaystyle eV_{\text{m}}=eV_{\text{OC}}-kT\ln \left(1+{\frac {eV_{\text{m}}}{kT}}\right)}$

(11)${\displaystyle J_{\text{m}}={\frac {en_{\text{ph}}}{1+kT/eV_{\text{m}}}}}$

Finalmente, el trabajo máximo ( W _m ) realizado por fotón absorbido viene dado por

(12)${\displaystyle W_{\text{m}}={\frac {J_{\text{m}}V_{\text{m}}}{n_{\text{ph}}}}={\frac {eV_{\text{m}}}{1+kT/eV_{\text{m}}}}=eV_{\text{m}}-kT}$

Combinando las últimas tres ecuaciones, tenemos

(13)${\displaystyle W_{\text{m}}=E_{\text{g}}-kT\left[\ln \left({\frac {A}{en_{\text{ph}}}}\right)+\ln \left(1+{\frac {eV_{\text{m}}}{kT}}\right)+1\right]\,}$

Utilizando la ecuación anterior, W _m (línea roja) se representa en la Figura 3 para diferentes valores de E _g (o n _ph ).

• 
  Figura 3. Trabajo máximo de células solares multijunción infinitas ideales bajo irradiancia espectral estándar AM1.5.

Ahora, podemos utilizar plenamente el análisis gráfico de QE de Henry, teniendo en cuenta las dos principales pérdidas intrínsecas en la eficiencia de las células solares. Las dos principales pérdidas intrínsecas son la recombinación radiativa y la incapacidad de las células solares de unión simple para igualar adecuadamente el amplio espectro de energía solar. El área sombreada bajo la línea roja representa el trabajo máximo realizado por células solares multijunción infinitas ideales. Por lo tanto, la eficiencia límite de las células solares multijunción infinitas ideales se evalúa en 68,8% al comparar el área sombreada definida por la línea roja con el área total de flujo de fotones determinada por la línea negra. (Por eso este método se llama análisis gráfico de QE). Aunque este valor de eficiencia límite es consistente con los valores publicados por Parrott y Vos en 1979: 64% y 68,2% respectivamente, ^{[ 30 ] [ 31 ]} hay una pequeña diferencia entre el valor estimado en este informe y los valores de la literatura. Esta pequeña diferencia se debe probablemente a las distintas formas de aproximar el flujo de fotones en el rango de 0 a 0,3096  eV. En este caso, aproximamos el flujo de fotones de 0 a 0,3096  eV como el mismo que el flujo de fotones a 0,31  eV.

Las celdas de doble unión se pueden fabricar sobre obleas de arseniuro de galio. Las aleaciones de fosfuro de indio y galio en el rango In _0.5 Ga _0.5 P a In _0.53 Ga _0.47 P sirven como aleación de banda prohibida ancha. Este rango de aleación permite obtener bandas prohibidas de entre 1,92 y 1,87  eV. La unión inferior de GaAs tiene una banda prohibida de 1,42  eV.

Las celdas de triple unión, compuestas de fosfuro de indio y galio (InGaP), arseniuro de galio (GaAs) o arseniuro de indio y galio ₍ InGaAs) y germanio (Ge), pueden fabricarse sobre obleas de germanio. Las primeras celdas utilizaban arseniuro de galio puro en la unión central. Las celdas posteriores han utilizado In₀.₀₁₅Ga₀.₉₈₅As _, debido a su mejor coincidencia de red con el germanio, lo que resulta en una menor densidad de defectos.

Debido a la enorme diferencia de banda prohibida entre el GaAs (1,42  eV) y el Ge (0,66  eV), la coincidencia de corriente es muy deficiente, y la unión de Ge opera con una limitación de corriente significativa.

Las eficiencias actuales de las células comerciales InGaP/GaAs/Ge se aproximan al 40% bajo luz solar concentrada. ^{[ 32 ] [ 33 ]} Las células de laboratorio (que utilizan parcialmente uniones adicionales entre la unión de GaAs y Ge) han demostrado eficiencias superiores al 40%. ^{[ 34 ]}

El fosfuro de indio puede utilizarse como sustrato para fabricar celdas con brechas de banda entre 1,35  eV y 0,74  eV. El fosfuro de indio tiene una brecha de banda de 1,35  eV. El arseniuro de indio y galio (In _0,53 Ga _0,47 As) tiene una red cristalina similar a la del fosfuro de indio, con una brecha de banda de 0,74  eV. Una aleación cuaternaria de fosfuro de arseniuro de indio y galio puede tener una red cristalina similar para cualquier brecha de banda entre ambos.

Las celdas basadas en fosfuro de indio tienen el potencial de funcionar en conjunto con celdas de arseniuro de galio. Ambas celdas pueden conectarse ópticamente en serie (con la celda de InP debajo de la celda de GaAs) o en paralelo mediante la división del espectro utilizando un filtro dicroico .

El nitruro de indio y galio (InGaN) es un material semiconductor compuesto por una mezcla de nitruro de galio (GaN) y nitruro de indio (InN). Es un semiconductor ternario de banda prohibida directa del grupo III-V . Su banda prohibida se puede ajustar variando la cantidad de indio en la aleación de 0,7  eV a 3,4  eV, lo que lo convierte en un material ideal para células solares. ^{[ 35 ]} Sin embargo, sus eficiencias de conversión, debido a factores tecnológicos no relacionados con la banda prohibida, aún no son lo suficientemente altas como para ser competitivas en el mercado. ^{[ 36 ] [ 37 ]}

Muchas células fotovoltaicas MJ utilizan materiales semiconductores III-V . Los diodos túnel de heterounión basados ​​en GaAsSb , en lugar de los diodos túnel convencionales de InGaP altamente dopados descritos anteriormente, tienen una menor distancia de tunelización. De hecho, en la heteroestructura formada por GaAsSb e InGaAs , la banda de valencia del GaAsSb es más alta que la banda de valencia de la capa p-dopada adyacente. ^{[ 22 ]} En consecuencia, la distancia de tunelización _dtun se reduce y, por lo tanto, la corriente de tunelización, que depende exponencialmente de _dtun , aumenta. Por lo tanto, el voltaje es menor que el de la unión túnel de InGaP. Los diodos túnel de heterounión de GaAsSb ofrecen otras ventajas. Se puede lograr la misma corriente utilizando un dopaje menor. ^{[ 38 ]} En segundo lugar, debido a que la constante de red es mayor para el GaAsSb que para el Ge, se puede utilizar una gama más amplia de materiales para la celda inferior porque más materiales están emparejados con la red del GaAsSb que con el Ge. ^{[ 22 ]}

Se pueden agregar componentes químicos a algunas capas. Agregar alrededor de un uno por ciento de indio en cada capa mejora la coincidencia de las constantes de red de las diferentes capas. ^{[ 39 ]} Sin él, hay aproximadamente un 0,08 por ciento de desajuste entre capas, lo que inhibe el rendimiento. Agregar aluminio a la celda superior aumenta su banda prohibida a 1,96  eV, ^{[ 39 ]} cubriendo una parte mayor del espectro solar y obteniendo un voltaje de circuito abierto V _OC más alto .

La eficiencia teórica de las células solares MJ es del 86,8 % para un número infinito de uniones pn, ^{[ 14 ]} lo que implica que un mayor número de uniones aumenta la eficiencia. La eficiencia teórica máxima es del 37 %, 50 %, 56 % y 72 % para 1, 2, 3 y 36 uniones pn adicionales, respectivamente, con un aumento exponencial del número de uniones para lograr incrementos de eficiencia iguales. ^{[ 24 ]} La relación exponencial implica que , a medida que la célula se acerca al límite de eficiencia, el coste y la complejidad aumentan rápidamente. Disminuir el grosor de la capa superior de la célula aumenta el coeficiente de transmisión T. ^{[ 24 ]}

Se puede agregar una heterocapa de InGaP entre la capa de p-Ge y la capa de InGaAs para crear automáticamente la capa de n-Ge mediante dispersión durante el crecimiento MOCVD y aumentar significativamente la eficiencia cuántica QE (λ) de la celda inferior. ^{[ 39 ]} El InGaP es ventajoso debido a su alto coeficiente de dispersión y baja solubilidad en Ge.

Actualmente, existen varias tecnologías comerciales (no de perovskita ) de múltiples uniones, incluyendo módulos en tándem y de triple y cuádruple unión que suelen utilizar semiconductores III-V, con una eficiencia de conversión de energía prometedora que rivaliza e incluso supera a las células solares de silicio de referencia. ^{[ 40 ] [ 41 ]}

El espectro solar en la superficie terrestre cambia constantemente dependiendo del clima y la posición del sol. Esto resulta en la variación de φ ( λ ), QE ( λ ), α ( λ ) y, por lo tanto, de las corrientes de cortocircuito JSCi _. Como resultado, las densidades de corriente Ji no necesariamente coinciden y la corriente total disminuye. Estas variaciones se pueden cuantificar utilizando la energía promedio de fotones (APE), que es la relación entre la irradiancia espectral _G ( λ ) (la densidad _de potencia de la fuente de luz en una longitud de onda específica λ ) y la densidad de flujo total de fotones. Se puede demostrar que un valor alto (bajo) de APE significa condiciones espectrales de longitudes de onda bajas (altas) y eficiencias más altas (más bajas). ^{[ 42 ]} Por lo tanto, la APE es un buen indicador para cuantificar los efectos de las variaciones del espectro solar en el rendimiento y tiene la ventaja adicional de ser independiente de la estructura del dispositivo y del perfil de absorción del mismo. ^{[ 42 ]}

Los concentradores de luz aumentan la eficiencia y reducen la relación costo/eficiencia. Los tres tipos de concentradores de luz en uso son lentes refractivas como las lentes de Fresnel , reflectores parabólicos (o Cassegraine) y ópticas de guía de luz . Gracias a estos dispositivos, la luz que incide sobre una superficie grande se puede concentrar en una celda más pequeña. La relación de concentración de intensidad (o "soles") es la intensidad promedio de la luz enfocada dividida por 1  kW/m² ⁽ valor razonable relacionado con la constante solar ). Si su valor es X, entonces la corriente MJ aumenta X bajo iluminación concentrada. ^{[ 43 ] [ 44 ]}

El uso de concentraciones del orden de 500 a 1000, lo que significa que una celda de 1 ^{cm² puede}  usar la luz recolectada de 0,1 ^m² ( ya que 1 m² equivale a 10000 cm² ⁾ , produce las eficiencias más altas observadas hasta la fecha. Las celdas de tres capas están fundamentalmente limitadas al 63%, pero los prototipos comerciales existentes ya han demostrado más del 40%. ^{[ 45 ] [ 46 ]} Estas celdas capturan aproximadamente 2/3 de su rendimiento máximo teórico, por lo que, suponiendo que lo mismo sea cierto para una versión no concentrada del mismo diseño, se podría esperar una celda de tres capas con una eficiencia del 30%. Esta no es una ventaja suficiente sobre los diseños de silicio tradicionales para compensar sus costos de producción adicionales. Por esta razón, casi toda la investigación de celdas de unión múltiple para uso terrestre se dedica a sistemas concentradores, normalmente usando espejos o lentes de Fresnel.   

El uso de un concentrador también ofrece la ventaja adicional de reducir considerablemente el número de células necesarias para cubrir una superficie determinada. Un sistema convencional que cubra 1  m² requeriría 625 células de 16 ^{cm² ,}  pero con un sistema concentrador solo se necesita una célula, junto con el concentrador. El argumento a favor de las células multijunción concentradas es que el alto coste de las células se compensaría con creces gracias a la reducción en el número total de células. Sin embargo, la desventaja del enfoque del concentrador es que la eficiencia disminuye muy rápidamente en condiciones de baja iluminación. Para maximizar su ventaja sobre las células tradicionales y, por lo tanto, ser competitivo en costes, el sistema concentrador debe seguir el movimiento del sol para mantener la luz enfocada en la célula y conservar la máxima eficiencia el mayor tiempo posible. Esto requiere un sistema de seguimiento solar , que aumenta el rendimiento, pero también el coste.