多接合型太陽電池

従来の太陽電池は、一般的に、上部と下部に金属接点が堆積されたドーピングされたシリコンで構成されています。ドーピングは通常、セルの上部の薄い層に適用され、特定のバンドギャップエネルギーE _gを持つp-n 接合を生成します。

太陽電池の上部に当たった光子は、反射されるか、セル内に透過される。透過した光子は、 hν ≥ E _gの場合、電子にエネルギーhνを与える可能性があり、電子-正孔対を生成する。^{[ 13 ]}空乏層では、ドリフト電界E _{drift が}電子と正孔の両方をそれぞれの n ドープ領域と p ドープ領域 (それぞれ上と下) に向かって加速する。結果として生じる電流I _{gは、生成}光電流と呼ばれる。準中性領域では、散乱電界E _{scatt が}正孔 (電子) を p ドープ (n ドープ) 領域に向かって加速し、散乱光電流I _pscatt ( I _{nscatt ) が生じる。その結果、}電荷の蓄積により、電位Vと光電流I _{phが生じる。}この光電流の式は、生成光電流と散乱光電流を足し合わせることで得られる。I _ph = I _g + I _nscatt + I _pscatt。

光照射下における太陽電池のJV特性（Jは電流密度、すなわち単位面積あたりの電流）は、暗状態におけるダイオードのJV特性をIph_{だけ下方にシフトすることによって得られる。太陽電池は電力を供給するように設計されており、吸収するようには設計され}ていないため、電力P = VIph_は負でなければならない。したがって、動作点（Vm、Jm ）はV > 0かつIph < 0の領域に位置し_、電力|P|の絶対値を最大化するように選択される。^{[ 14 ]}

太陽電池の理論的な性能は1960年代に初めて詳細に研究され、今日ではショックレー・クイサー限界として知られている。この限界は、あらゆる太陽電池の設計に固有のいくつかの損失メカニズムを説明するものである。

一つ目は、絶対零度以上のあらゆる物質に影響を与える損失メカニズムである黒体放射による損失です。標準温度・圧力の太陽電池の場合、この損失は約7%を占めます。二つ目は「再結合」と呼ばれる現象で、光電効果によって生成された電子が、以前の励起によって残された正孔と出会うことで発生します。シリコンの場合、この再結合による損失はさらに約10%を占めます。

しかしながら、主な損失メカニズムは、太陽電池が光に含まれるエネルギーをすべて抽出できないこと、そして特定の光子からは全くエネルギーを抽出できないという問題である。これは、光子が材料のバンドギャップを克服するのに十分なエネルギーを持っていなければならないためである。

光子のエネルギーがバンドギャップよりも低い場合、光子は全く収集されません。これは、太陽光のほぼ半分を占める赤外線スペクトルの大部分に感度がない従来の太陽電池にとって重要な考慮事項です。逆に、バンドギャップよりもエネルギーの高い光子、例えば青色光は、最初は電子をバンドギャップよりもはるかに高い状態に放出しますが、この余分なエネルギーは「緩和」と呼ばれるプロセスでの衝突によって失われます。この失われたエネルギーはセル内で熱に変換され、黒体損失をさらに増加させる副作用があります。^{[ 15 ]}

これらの要因をすべて考慮すると、従来のシリコンセルなどの単一バンドギャップ材料の最大効率は約34%です。つまり、セルに当たる太陽光エネルギーの66%が失われることになります。さらに、前面や金属端子からの反射など、実用上の問題によって効率は低下し、最新の高品質セルでは約22%となっています。

バンドギャップが狭い（または低い）材料は、波長が長くエネルギーの低い光子を変換します。バンドギャップが広い（または高い）材料は、波長が短くエネルギーの高い光を変換します。AM1.5スペクトルの分析によると、最適なバランスは約1.1  eV（近赤外域の約1100  nm）で得られ、これはシリコンやその他の多くの有用な半導体の自然なバンドギャップに非常に近い値です。

複数の材料層から作られたセルは、複数のバンドギャップを持つことができ、そのため複数の光波長に反応し、上述のように緩和によって失われるはずだったエネルギーの一部を捕捉して変換することができる。

例えば、赤色光に同調したバンドギャップと緑色光に同調したバンドギャップが2つあるセルがあった場合、緑色、シアン、青色の光の余剰エネルギーは緑色に感応する材料のバンドギャップにのみ失われ、赤色、黄色、オレンジ色のエネルギーは赤色に感応する材料のバンドギャップにのみ失われます。単一バンドギャップデバイスに対して行われたのと同様の分析に従って、2つのギャップを持つデバイスの理想的なバンドギャップは0.77  eVと1.70  eVであることが実証できます。^{[ 16 ]}

都合の良いことに、特定の波長の光は、バンドギャップの大きい材料とは強く相互作用しません。つまり、異なる材料を層状に重ねることで多接合型太陽電池を作ることができます。最も波長の短い材料（バンドギャップの大きい材料）を「上」に配置し、セル本体に向かって波長を長くしていくのです。光子は吸収される適切な層に到達するためにセルを通過する必要があるため、各層で生成された電子を収集するために透明な導体を使用する必要があります。

タンデムセルを製造するのは容易な作業ではなく、主に材料の薄さと層間の電流抽出の難しさによるものです。簡単な解決策は、機械的に分離された2つの薄膜太陽電池を使用し、セルの外側で別々に配線することです。この技術はアモルファスシリコン太陽電池で広く使用されており、Uni-Solarの製品はこのような層を3つ使用して約9%の効率を達成しています。より特殊な薄膜材料を使用した実験室の例では、30%を超える効率が実証されています。^{[ 17 ]}

より難しい解決策は「モノリシック集積型」セルであり、これは機械的および電気的に接続された複数の層から構成される。これらのセルは、各層の電気的特性を慎重に一致させる必要があるため、製造がはるかに難しい。特に、各層で生成される光電流を一致させる必要があり、そうしないと電子が層間で吸収されてしまう。このため、その構築には特定の材料が制限され、III-V族半導体が最も適している。^{[ 17 ]}

放射結合が発生しない2つのセルのスタックでは、各セルのJV特性はダイオード方程式によって与えられ、スタックのJV特性は^{[ 25 ]によって与えられます。}

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

どこ ${\displaystyle J_{\text{SC,1}}}$そして${\displaystyle J_{\text{SC,2}}}$はスタック内の個々のセルの短絡電流であり、${\displaystyle \Delta J_{\text{SC}}}$これらの短絡電流の差は、${\displaystyle J_{0}^{2}=J_{\mathrm {0,1} }J_{\mathrm {0,2} }}$これは、2 つのセルの熱再結合電流の積です。短絡電流と熱再結合電流の両方に挿入されている値は、セルがマルチジャンクションスタックに配置されたときに測定または計算された値であることに注意してください (それぞれのセルタイプのシングルジャンクションセルで測定された値ではありません)。発光を交換することが許され、したがって放射的に結合されている 2 つの理想的な (放射限界で動作する) セルのJV特性は、 ^{[ 25 ]}で与えられます。

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

ここでは、パラメータ${\displaystyle T^{-}}$そして${\displaystyle T^{+}}$伝達係数は、細胞間の光子の交換を表す指標です。伝達係数は、細胞の屈折率に依存します。${\displaystyle {\tilde {J}}_{0}^{2}}$細胞の屈折率にも依存します。細胞の屈折率が同じ場合${\displaystyle n_{\text{r}}}$、 それから${\displaystyle {\tilde {J}}_{0}^{2}=\left(1+2n_{\text{r}}^{2}\right)\left(J_{0,2}+2n_{\text{r}}^{2}J_{0,1}\right)J_{0,1}}$。

最大の効率を得るには、各サブセルを最適な JV パラメータで動作させる必要がありますが、各サブセルで必ずしも同じではありません。これらが異なる場合、太陽電池を流れる総電流は 3 つのうちの最小値になります。近似的に、^{[ 26 ]} MJ 太陽電池の短絡電流について、次の同じ関係が得られます。J SC = min( J _SC1、J _SC2、J _SC3 ) ここで、J _{SC i} ( λ ) は_、サブセルiの特定の波長λにおける短絡電流密度です。

全JV特性からJSC1、JSC2、JSC3を直接得ることができないため、量子効率QE ( λ )が_利用されます。これは_{、特定の波長}λで生成された電子-正孔対の量と入射光子の比率を測定します。φi ₍ λ )をサブセルiにおける対応する入射光の光子束とし、QEi ( _λ )をサブセルiの量子効率とします。定義により、これは次の式に等しくなります。^{[ 27 ]}

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

価値${\displaystyle QE_{i}(\lambda )}$吸収係数と関連付けることで得られる。${\displaystyle \alpha (\lambda )}$つまり、物質が単位長さあたりに吸収する光子の数です。サブセルによって吸収される各光子が電子/正孔対を生成すると仮定すると（これは良い近似です）、次のようになります。^{[ 24 ]}

${\displaystyle QE_{i}(\lambda )=1-e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}}$ここで、d _iはサブセルiの厚さであり、${\displaystyle e^{-\alpha (\lambda )d_{i}}}$は、サブセルiに吸収されない入射光の割合です。

同様に、

${\displaystyle V=\sum _{i=1}^{3}V_{i}}$次のような近似式を用いることができる。${\displaystyle V_{\text{OC}}=\sum _{i=1}^{3}V_{{\text{OC}}i}}$。

値${\displaystyle V_{{\text{OC}}i}}$そして、それらはJVダイオード方程式によって与えられる。

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

CH Henry が考案したグラフィカル量子効率 (QE) 解析を使用して、理想的な無限多接合太陽電池の限界効率を推定できます。^{[ 28 ]} Henry の方法を最大限に活用するには、AM1.5 スペクトル放射照度の単位を光子束 (すなわち、光子数/m ² ·s) の単位に変換する必要があります。そのためには、単位面積あたりの光子エネルギーあたりの入射電磁放射のパワーから光子エネルギーあたりの光子束 (すなわち、[W/m ² ·eV] から [光子数/m ² ·s·eV] への中間単位変換を実行する必要があります。この中間単位変換では、次の点を考慮する必要があります。光子は、次のように定義される固有のエネルギーを持っています。

(1) E _ph = hf = h ( c / λ )

ここで、_Ephは光子エネルギー、hはプランク定数（h≈  6.626 × 10 ⁻³⁴  J⋅Hz ⁻¹ )、cは光速 ( c =  299 792 458  m⋅s ⁻¹ )、fは周波数、λは波長です。

すると、特定の放射照度E [W/m ² ·eV]に対する光子エネルギーあたりの光子束 d n _ph /d h νは次のように計算できます。

（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 [(光子数)/m ² ⋅s⋅eV]

この中間単位変換の結果、AM1.5スペクトル放射照度は、図1に示すように、光子エネルギーあたりの光子束[光子数/m²·s·eV]^{の単位で表されます。}

• 
  図1. 標準太陽エネルギースペクトル（AM 1.5）における光子エネルギーあたりの光子束。

上記の中間単位変換の結果に基づき、光子エネルギーあたりの光子束を光子エネルギーに関して数値積分することにより、光子束を導出することができる。数値積分された光子束は、台形公式を用いて以下のように計算される。

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

この数値積分の結果、AM1.5スペクトル放射照度は、図2に示すように、光子束の単位[光子数/m²/秒]で表され^ます。

• 
  図2. 標準太陽エネルギースペクトル（AM値1.5）からの光子束。

 標準 (AM1.5) hν < 0.31 eV の太陽エネルギー スペクトルが利用できないため、0～0.3096 eV の小さな光子エネルギー範囲には光子束データがありません 。しかし、このデータが利用できないにもかかわらず、半導体はバンドギャップ エネルギーよりも大きい光子エネルギーに対しては不透明であり、バンドギャップ エネルギーよりも小さい光子エネルギーに対しては透明であるという妥当な仮定の下で、利用可能な唯一のデータを使用してグラフィカル QE 解析を行うことができます。この仮定は、単接合太陽電池が広い太陽エネルギー スペクトルに適切に適合できないことによって引き起こされる、太陽電池の効率の最初の固有の損失を考慮に入れています。しかし、現在のグラフィカル QE 解析では、太陽電池の効率の 2 番目の固有の損失である放射再結合を反映することはできません。放射再結合を考慮に入れるには、まず放射電流密度J _radを評価する必要があります。Shockley と Queisser の方法によれば、^{[ 29 ]}

J _radは以下のように近似できます。

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

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

ここで、E _gは電子ボルト単位であり、nは GaAs の値である 3.6 と評価される。入射吸収熱放射J _thは、 V = 0の場合、J _radで与えられる。

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

負荷に供給される電流密度は、吸収された太陽放射および熱放射による電流密度と、上面から放射される、または基板に吸収される放射の電流密度との差である。J ph = en ph と定義すると、_次のよう_になる。

(7) J = J _ph + J _th − J _rad

上記のJ _{th の}式を評価することでわかるように、E _g ≥ 0.3 eVのすべての半導体において、第 2 項J _thはJ _phに比べて無視できるほど小さい。したがって、以降の議論を簡略化するためにこの項を無視する。すると、J は次のように表すことができる。 

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

開放電圧は、J = 0 と設定することで求められる。

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

最大電力点 ( J _m、V _m ) は、微分を設定することによって求められます。${\displaystyle {\frac {dJV}{dV}}\,=0}$この計算のよく知られた結果は

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

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

最後に、吸収された光子1個あたりに行われる最大仕事量（W _m）は次のように表される。

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

最後の３つの式を組み合わせると、次のようになります。

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

上記の式を用いて、図3ではE _g（またはn _ph ）の異なる値に対してW _m （赤線）をプロットした。

• 
  図3．標準AM1.5スペクトル放射照度下における理想的な無限多接合型太陽電池の最大仕事量。

これで、太陽電池の効率における 2 つの主要な固有損失を考慮して、ヘンリーのグラフィカル QE 解析を完全に利用できるようになりました。 2 つの主要な固有損失は、放射再結合と、単接合太陽電池が広い太陽エネルギー スペクトルに適切に適合できないことです。 赤線の下の網掛け領域は、理想的な無限多接合太陽電池が行う最大の仕事を表しています。 したがって、理想的な無限多接合太陽電池の限界効率は、赤線で定義される網掛け領域と黒線で決定される全光子束領域を比較することにより、68.8% と評価されます。 (これが、この方法が「グラフィカル」 QE 解析と呼ばれる理由です。) この限界効率の値は、1979 年に Parrott と Vos が発表した値 (それぞれ 64% と 68.2%) と一致していますが、^{[ 30 ] [ 31 ]}このレポートの推定値と文献値の間にはわずかなギャップがあります。このわずかな違いは、おそらく0～0.3096 eVの光子束を近似する方法の違いによるものと考えられます。ここでは、0～0.3096 eVの光子束を0.31 eVの光子束と同じ値として 近似しました。  

二接合型太陽電池は、ガリウムヒ素ウェハ上に作製することができる。インジウムガリウムリン合金のうち、In _0.5 Ga _0.5 PからIn _0.53 Ga _0.47 Pの範囲の合金が、高バンドギャップ合金として用いられる。この合金範囲により、1.92～1.87 eVのバンドギャップを実現できる 。下側のGaAs接合のバンドギャップは1.42  eVである。

インジウムガリウムリン（InGaP）、ガリウムヒ素（GaAs）、またはインジウムガリウムヒ素（InGaAs）とゲルマニウム（Ge）からなる三重接合セルは、ゲルマニウムウェハ上に作製することができる。初期のセルでは、中間接合部に純粋なガリウムヒ素が使用されていた。後のセルでは、Geとの格子整合性が優れているため、欠陥密度が低くなることから、In _0.015 Ga _0.985 Asが使用されるようになった。

 GaAs（1.42 eV）とGe（0.66 eV）のバンドギャップの差が非常に大きいため 、電流のマッチングが非常に悪く、Ge接合部では電流が著しく制限される。

市販のInGaP/GaAs/Geセルの現在の効率は、集光太陽光下で40%に近づいています。^{[ 32 ] [ 33 ]}ラボセル（GaAsとGeの接合部の間に追加の接合部を部分的に使用）は、40%を超える効率を実証しています。^{[ 34 ]}

リン化インジウムは 、1.35 eV～0.74  eVのバンドギャップを持つセルを作製するための基板として使用できます。リン化インジウムのバンドギャップは1.35  eVです。 インジウムガリウムヒ素（In _0.53 Ga _0.47 As）は、バンドギャップが0.74 eVでリン化インジウムと格子整合しています。インジウムガリウムヒ素リン化物 の四元合金は、この2つのバンドギャップの間の任意のバンドギャップに対して格子整合させることができます。

リン化インジウムをベースとした太陽電池は、ヒ化ガリウム太陽電池と連携して動作する可能性を秘めている。2つの太陽電池は、光学的に直列接続（InP太陽電池をGaAs太陽電池の下に配置する）することも、二色性フィルターを用いたスペクトル分割によって並列接続することも可能である。

インジウムガリウムナイトライド（InGaN）は、窒化ガリウム（GaN）と窒化インジウム（InN）の混合物からなる半導体材料です。これは、III-V族の直接バンドギャップ半導体です。合金中のインジウムの量を変化させることでバンドギャップを0.7  eVから3.4  eVまで調整できるため、太陽電池に理想的な材料となっています。^{[ 35 ]}しかし、バンドギャップとは無関係な技術的要因により、変換効率は市場で競争力を持つほど高くありません。^{[ 36 ] [ 37 ]}

多くのMJ太陽電池はIII-V族半導体材料を使用しています。上記の従来のInGaP高濃度ドープトンネルダイオードの代わりに、GaAsSbベースのヘテロ接合トンネルダイオードはトンネル距離が短くなっています。実際、GaAsSbとInGaAsによって形成されるヘテロ構造では、GaAsSbの価電子帯は隣接するp型ドープ層の価電子帯よりも高くなっています。^{[ 22 ]}その結果、トンネル距離d_{トンネルが短くなり、} d_トンネルに指数関数的に依存するトンネル電流が増加します。したがって、電圧はInGaPトンネル接合よりも低くなります。GaAsSbヘテロ接合トンネルダイオードには他にも利点があります。同じ電流は、より低いドーピングで実現できます。^{[ 38 ]}第二に、GaAsSbの格子定数はGeよりも大きいため、より多くの材料がGeよりもGaAsSbに格子整合するため、ボトムセルに使用できる材料の範囲が広くなります。^{[ 22 ]}

化学成分はいくつかの層に添加することができます。各層に約1パーセントのインジウムを添加すると、異なる層の格子定数がよりよく一致します。 ^{[ 39 ]}これがないと、層間に約0.08パーセントの不一致が生じ、性能が阻害されます。上部セルにアルミニウムを添加すると、バンドギャップが1.96  eVに増加し、^{[ 39 ]}太陽光スペクトルのより広い部分をカバーして、より高い開放電圧V _OCが得られます。

MJ太陽電池の理論効率は、pn接合が無限にある場合86.8%であり、^{[ 14 ]}接合数が増えるほど効率が上がることを示唆している。最大理論効率は、それぞれ1、2、3、36個の追加のpn接合に対して37、50、56、72%であり、接合数は指数関数的に増加して同等の効率増加を達成する。^{[ 24 ]}指数関数的な関係は、セルが効率の限界に近づくにつれて、コストと複雑さが急速に増加することを示唆している。トップセルの厚さを減らすと、透過係数Tが増加する。^{[ 24 ]}

p-Ge層とInGaAs層の間にInGaPヘテロ層を追加することで、MOCVD成長中の散乱によってn-Ge層を自動的に形成し、ボトムセルの量子効率QE (λ)を大幅に向上させることができます。 ^{[ 39 ]} InGaPは、高い散乱係数とGeへの低い溶解度のため有利です。

現在、ペロブスカイト以外の商用マルチジャンクション技術がいくつか存在し、タンデムやトリプルジャンクション、クワッドジャンクションモジュールなどがあり、これらは通常III-V族半導体を使用しており、ベンチマークであるシリコン太陽電池に匹敵し、場合によってはそれを上回る有望な電力変換効率を実現している。^{[ 40 ] [ 41 ]}

地球表面における太陽光スペクトルは、天候や太陽の位置によって常に変化します。これにより、φ ( λ ) 、QE ( λ ) 、α ( λ ) が変動し、短絡電流J _{SC i}も変動します。結果として、電流密度J _{i は}必ずしも一致せず、総電流は低下します。これらの変動は、スペクトル放射照度G ( λ ) (特定の波長λにおける光源のパワー密度) と総光子束密度の比である平均光子エネルギー (APE) を使用して定量化できます。APE の値が高い (低い) ほど、スペクトル条件が低波長 (高波長) であり、効率が高い (低い) ことが示されています。^{[ 42 ]}したがって、APE は、太陽光スペクトル変動が性能に及ぼす影響を定量化するための優れた指標であり、デバイス構造やデバイスの吸収プロファイルに依存しないという利点もあります。^{[ 42 ]}

集光器は効率を高め、コスト効率比を低減します。使用されている集光器には、フレネルレンズなどの屈折レンズ、反射皿（放物面またはカセグレン）、および導光光学系の 3 種類があります。これらの装置のおかげで、広い面に到達した光を小さなセルに集中させることができます。強度集中比（または「太陽」）は、集光された光の平均強度を 1  kW/m ^{2 （}太陽定数に関連する妥当な値）で割ったものです。その値がXの場合、集光照明下では MJ 電流がX高くなります。^{[ 43 ] [ 44 ]}

500～1000程度の集光率を使用することで、1  cm ^{2 の} セルが 0.1 m ²から集めた光を使用できることになり(1  m ²は10000  cm ²に等しい)、これまでに見られた最高の効率が得られます。3 層セルは基本的に 63% に制限されますが、既存の商用プロトタイプはすでに 40% を超えています。^{[ 45 ] [ 46 ]}これらのセルは理論上の最大性能の約 2/3 を捉えているため、同じ設計の非集光バージョンでも同じことが言えると仮定すると、3 層セルの効率は 30% になると予想されます。これは、従来のシリコン設計に対する利点としては、追加の製造コストを補うには十分ではありません。このため、地上での使用を目的とした多接合セルの研究は、ほとんどすべて、通常ミラーまたはフレネルレンズを使用する集光システムに特化しています。

集光器を使用すると、一定の面積をカバーするために必要なセルの数が大幅に削減されるという利点もあります。従来のシステムでは 1  m ² をカバーするのに 625 個の 16 cm ²セルが必要ですが、集光器システムでは、セル 1 個と集光器だけで済みます。集光型多接合セルの主張は、セル自体の高コストが、セルの総数の削減によって十分に相殺されるというものでした。しかし、集光器方式の欠点は、低照度条件下では効率が非常に急速に低下することです。従来のセルに対する優位性を最大限に高め、コスト競争力を維持するために、集光器システムは太陽の動きに合わせて太陽を追尾し、光をセルに集中させ、可能な限り最大効率を維持する必要があります。これには、収量を増加させるがコストも増加させるソーラートラッカーシステムが必要です。