حد شوكلي-كويسر

أي مادة لا تصل درجة حرارتها إلى الصفر المطلق (صفر كلفن) تُصدر إشعاعًا كهرومغناطيسيًا بفعل تأثير إشعاع الجسم الأسود . في خلية عند درجة حرارة الغرفة ، يُمثل هذا الإشعاع حوالي 7% من إجمالي الطاقة الساقطة على الخلية.

تتحول أي طاقة مفقودة في الخلية إلى حرارة، لذا فإن أي قصور في كفاءة الخلية يزيد من درجة حرارتها عند تعرضها لأشعة الشمس. ومع ارتفاع درجة حرارة الخلية، يزداد الإشعاع الخارج وفقدان الحرارة عبر التوصيل والحمل الحراري، حتى الوصول إلى حالة توازن. عمليًا، يتحقق هذا التوازن عادةً عند درجات حرارة تصل إلى 360 كلفن، وبالتالي، تعمل الخلايا عادةً بكفاءة أقل من كفاءتها المُصنفة عند درجة حرارة الغرفة. تُدرج بيانات الوحدات عادةً هذا الاعتماد على درجة الحرارة تحت مسمى T _NOCT (درجة حرارة التشغيل الاسمية للخلية).

بالنسبة لجسم أسود عند درجات الحرارة العادية، فإن جزءًا ضئيلاً جدًا من هذا الإشعاع (عدد الفوتونات في وحدة الزمن ووحدة المساحة يُعطى بالرمز Q _{_c}، حيث "c" اختصارًا لكلمة "خلية") عبارة عن فوتونات ذات طاقة أكبر من فجوة النطاق (طول موجي أقل من 1.1  ميكرومتر تقريبًا للسيليكون)، وجزء من هذه الفوتونات (يستخدم شوكلي وكويسر العامل t_{_c}) يتولد عن طريق إعادة تركيب الإلكترونات والفجوات، مما يقلل من كمية التيار التي كان من الممكن توليدها لولا ذلك. هذا تأثير ضئيل للغاية، لكن شوكلي وكويسر يفترضان أن معدل إعادة التركيب الكلي (انظر أدناه) عندما يكون الجهد عبر الخلية صفرًا (دارة قصر أو انعدام الضوء) يتناسب طرديًا مع إشعاع الجسم الأسود Q_{_c} . يلعب معدل إعادة التركيب هذا دورًا سلبيًا في الكفاءة. وقد حسب شوكلي وكويسر قيمة Q_{_c} لتكون 1700 فوتون في الثانية لكل سنتيمتر مربع للسيليكون عند 300 كلفن.

يؤدي امتصاص الفوتون إلى تكوين زوج إلكترون-فجوة، والذي قد يُساهم في التيار. مع ذلك، يجب أن تكون العملية العكسية ممكنة أيضًا، وفقًا لمبدأ التوازن التفصيلي : إذ يمكن للإلكترون والفجوة أن يلتقيا ويتحدا، مُصدرين فوتونًا. تُقلل هذه العملية من كفاءة الخلية. قد توجد عمليات إعادة تركيب أخرى (انظر "اعتبارات أخرى" أدناه)، لكن هذه العملية ضرورية للغاية.

في نموذج شوكلي-كويسر، يعتمد معدل إعادة التركيب على فرق الجهد عبر الخلية، ولكنه يظل ثابتًا سواءً سقط ضوء على الخلية أم لا. يُعطي العامل f_{_c} نسبة إعادة التركيب التي تُنتج إشعاعًا إلى إجمالي إعادة التركيب، لذا فإن معدل إعادة التركيب لكل وحدة مساحة عندما V  =  0 هو 2t_{_c} Q_{_c} / f _{_c}، وبالتالي يعتمد على Q _{_c} ، وهو تدفق فوتونات الجسم الأسود فوق طاقة فجوة النطاق. أُدرج العامل 2 بافتراض أن الإشعاع المنبعث من الخلية ينتشر في كلا الاتجاهين. (هذا الافتراض قابل للنقاش في حال استخدام سطح عاكس على الجانب المظلل). عندما يكون الجهد غير صفري، تتغير تركيزات حاملات الشحنة (الإلكترونات والفجوات) (انظر معادلة ثنائي شوكلي )، ووفقًا للمؤلفين، يتغير معدل إعادة التركيب بمعامل exp( V / V_{_c} )، حيث V _{_c} هو الجهد المكافئ لدرجة حرارة الخلية، أو " الجهد الحراري ".

${\displaystyle V_{c}=kT_{c}/q}$

( _حيث q هي شحنة الإلكترون). وبالتالي، فإن معدل إعادة التركيب، في هذا النموذج، يتناسب مع exp( V / Vc ) مضروبًا في إشعاع الجسم الأسود فوق طاقة فجوة النطاق:

${\displaystyle Q_{c}=\int _{\nu _{g}}^{\infty }{\frac {1}{\exp \left({\frac {h\nu }{kT_{c}}}\right)-1}}e^{\frac {qV}{kT_{c}}}{\frac {2\pi \nu ^{2}}{c^{2}}}d\nu }$

(هذا في الواقع تقريب، صحيح طالما أن الخلية سميكة بما يكفي لتعمل كجسم أسود، إلى التعبير الأكثر دقة ^{[ 7 ] [ 8 ]}

${\displaystyle Q_{c}=\int _{\nu _{g}}^{\infty }{\frac {1}{\exp \left({\frac {h\nu -qV}{kT_{c}}}\right)-1}}{\frac {2\pi \nu ^{2}}{c^{2}}}d\nu ,}$

إلا أن الفرق في الكفاءة النظرية القصوى ضئيل للغاية، باستثناء فجوات النطاق الصغيرة التي تقل عن 200 ملي إلكترون فولت. ^{[ 9 ]} )

يظل معدل توليد أزواج الإلكترون-فجوة غير الناتج عن ضوء الشمس الساقط ثابتًا، لذا فإن إعادة التركيب مطروحًا منها التوليد التلقائي هو

${\displaystyle I_{0}[\exp(V/V_{c})-1].}$

أين${\displaystyle I_{0}=2qt_{c}Q_{c}/f_{c}.}$

(يعتبر شوكلي وكويسر f _c ثابتًا، على الرغم من اعترافهما بأنه قد يعتمد هو نفسه على الجهد.)

معدل توليد أزواج الإلكترون-فجوة بفعل ضوء الشمس هو

${\displaystyle I_{sh}=q(t_{s}f_{\omega }Q_{s}-2t_{c}Q_{c})}$

أين${\displaystyle f_{\omega }Q_{s}}$يمثل عدد الفوتونات التي تتجاوز طاقة فجوة النطاق والتي تسقط على الخلية لكل وحدة مساحة، و t _s يمثل نسبة هذه الفوتونات التي تولد زوج إلكترون-فجوة. يُطلق على معدل التوليد هذا اسم I _sh لأنه يمثل تيار "الدائرة القصيرة" (لكل وحدة مساحة). عند وجود حمل، لن تكون V صفرًا، وسيكون لدينا تيار يساوي معدل توليد الأزواج الناتج عن ضوء الشمس مطروحًا منه الفرق بين معدل إعادة التركيب ومعدل التوليد التلقائي.

${\displaystyle I=I_{sh}-I_{0}[\exp(V/V_{c})-1].}$

وبالتالي، يُعطى جهد الدائرة المفتوحة (بافتراض أن f _c لا يعتمد على الجهد) بالعلاقة التالية

${\displaystyle V_{oc}=V_{c}\ln \left({\frac {I_{sh}}{I_{0}}}+1\right).}$

يُطلق شوكلي وكويسر على حاصل ضرب تيار الدائرة القصيرة I _sh وجهد الدائرة المفتوحة V _oc اسم "القدرة الاسمية". من غير الممكن عمليًا الحصول على هذه القدرة من الخلية، ولكن يمكننا الاقتراب منها (انظر " مطابقة المعاوقة " أدناه).

نسبة جهد الدائرة المفتوحة إلى جهد فجوة النطاق، والتي يُطلق عليها شوكلي وكويسر اسم V. في ظروف الدائرة المفتوحة، لدينا

${\displaystyle \ln I_{sh}=\ln I_{0}+\ln[\exp(V/V_{c})-1].}$

وهذا يعطي تقريبًا

${\displaystyle -V_{g}/V_{s}\sim -V_{g}/V_{c}+V/V_{c}}$

أو

${\displaystyle V/V_{g}\sim 1-V_{c}/V_{s}}$

حيث V _{_s} هو الجهد المكافئ لدرجة حرارة الشمس. عندما تقترب نسبة V_{_c} / V _{_s} من الصفر، يقترب جهد الدائرة المفتوحة من جهد فجوة النطاق، وعندما تقترب من الواحد، يقترب جهد الدائرة المفتوحة من الصفر. لهذا السبب تنخفض الكفاءة عند ارتفاع درجة حرارة الخلية. في الواقع، يمثل هذا التعبير الحد الأعلى الديناميكي الحراري لكمية الشغل التي يمكن الحصول عليها من مصدر حراري عند درجة حرارة الشمس ومشتت حراري عند درجة حرارة الخلية.

بما أن انتقال الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل يتطلب طاقة، فإن الفوتونات التي تحمل طاقة أكبر من هذه الطاقة هي فقط التي تُنتج زوج إلكترون-فجوة. في السيليكون، يقع نطاق التوصيل على بُعد 1.1 إلكترون فولت تقريبًا من نطاق التكافؤ، وهذا يُقابل ضوءًا تحت أحمر بطول موجي يبلغ حوالي 1.1  ميكرومتر. بعبارة أخرى، تُساهم فوتونات الضوء الأحمر والأصفر والأزرق، وبعض فوتونات الأشعة تحت الحمراء القريبة، في إنتاج الطاقة، بينما لا تُساهم موجات الراديو والميكروويف ومعظم فوتونات الأشعة تحت الحمراء في ذلك. ^{[ 10 ]} هذا يُفرض حدًا مباشرًا على كمية الطاقة التي يُمكن استخلاصها من الشمس. من بين 1000 واط/م² ^في ضوء الشمس AM1.5، حوالي 19% منها تحمل طاقة أقل من 1.1 إلكترون فولت، ولن تُنتج طاقة في خلية سيليكون.

من العوامل المهمة الأخرى المساهمة في الفقدان فقدان أي طاقة تتجاوز طاقة فجوة النطاق . فبينما يمتلك الضوء الأزرق طاقةً تُقارب ضعف طاقة الضوء الأحمر، لا تستطيع الأجهزة ذات وصلة pn أحادية التقاط هذه الطاقة. إذ ينطلق الإلكترون بطاقة أعلى عند اصطدامه بفوتون أزرق، لكنه يفقد هذه الطاقة الزائدة أثناء انتقاله نحو وصلة pn (حيث تتحول الطاقة إلى حرارة). ^{[ 10 ]} يُمثل هذا حوالي 33% من ضوء الشمس الساقط، ما يعني أن كفاءة التحويل النظرية للسيليكون، الناتجة عن فقدان الطيف وحده، تبلغ حوالي 48%، مع إهمال جميع العوامل الأخرى.

هناك مفاضلة في اختيار فجوة النطاق. فإذا كانت فجوة النطاق كبيرة، فإن عدد الفوتونات التي تُكوّن أزواجًا أقل، بينما إذا كانت فجوة النطاق صغيرة، فإن أزواج الإلكترون-فجوة لا تحتوي على قدر كبير من الطاقة.

أطلق شوكلي وكويسر على عامل الكفاءة المرتبط بفقدان الطيف اسم u ، اختصارًا لـ "دالة الكفاءة القصوى". وقد حسبا أن أفضل فجوة نطاق لضوء الشمس هي 1.1 إلكترون فولت، وهي القيمة الخاصة بالسيليكون، مما يعطي قيمة u تبلغ 44%. استخدما إشعاع الجسم الأسود عند درجة حرارة 6000 كلفن لضوء الشمس، ووجدا أن فجوة النطاق المثلى ستكون طاقتها 2.2 كيلوجول/ _ثانية . (عند هذه القيمة، سيكون 22% من طاقة إشعاع الجسم الأسود أقل من فجوة النطاق). قد يؤدي استخدام طيف أكثر دقة إلى قيمة مثلى مختلفة قليلاً. ينتج الجسم الأسود عند درجة حرارة 6000 كلفن طاقة قدرها 7348 واط لكل سنتيمتر مربع، وبالتالي تكون قيمة u تساوي 44% وقيمة أخرى تساوي 1.2 كيلوجول/ثانية.   5.73 × 10^ ¹⁸ فوتون لكل جول (وهو ما يتوافق مع فجوة نطاق تبلغ 1.09  فولت، وهي القيمة التي استخدمها شوكلي وكويسر) تعطي Q _s مساوية لـ1.85 × 10 ²² فوتون في الثانية لكل سنتيمتر مربع.

إذا كانت مقاومة الحمل عالية جدًا، فسيكون التيار منخفضًا جدًا، بينما إذا كانت مقاومة الحمل منخفضة جدًا، فسيكون انخفاض الجهد عبره منخفضًا جدًا. توجد مقاومة حمل مثالية تسحب أكبر قدر من الطاقة من الخلية الشمسية عند مستوى إضاءة معين. يُطلق شوكلي وكويسر على نسبة الطاقة المستخرجة إلى I_{_sh} V _{_oc} اسم عامل مطابقة المعاوقة، m . (يُسمى أيضًا عامل الملء ). تعتمد القيمة المثلى على شكل منحنى I مقابل V. في حالة الإضاءة المنخفضة جدًا، يكون المنحنى خطًا قطريًا تقريبًا، ويكون m مساويًا لـ 1/4. أما في حالة الإضاءة العالية، فيقترب m من 1. يُقدم شوكلي وكويسر رسمًا بيانيًا يوضح m كدالة لنسبة z_{_oc} بين جهد الدائرة المفتوحة والجهد الحراري V_{_c} . بحسب المؤلفين، يمكن تقريب هذه النسبة جيدًا بالمعادلة ln(fQs/Qc)، حيث f هي مجموعة العوامل fs و fωts/(2tc ₎ ، حيث _fω هي _{الزاوية} المجسمة للشمس مقسومة على π _. القيمة القصوى لـ _f بدون تركيز الضوء ( مع العاكسات على _سبيل المثال ) هي fω / ₂ فقط _.1.09 × 10⁻⁵ ، وفقًا للمؤلفين. باستخدام القيم المذكورة أعلاه لـ _Qs و Qc ، _نحصل على نسبة جهد الدائرة المفتوحة إلى الجهد الحراري تساوي 32.4 ( _{حيث Voc} يساوي 77% من فجوة النطاق). وقد استنتج المؤلفون المعادلة ^.

${\displaystyle z_{oc}=z_{m}+\ln(1+z_{m})}$

والتي يمكن حلها لإيجاد z_{_m} ، وهي نسبة الجهد الأمثل إلى الجهد الحراري. عند قيمة z _{_oc} تساوي 32.4، نجد أن z _{_m} تساوي 29.0. يمكن بعد ذلك استخدام الصيغة

${\displaystyle m={\frac {z_{m}^{2}/z_{oc}}{1+z_{m}-\exp(-z_{m})}}}$

لإيجاد عامل مطابقة المعاوقة. بالنسبة لمعاوقة الدائرة المفتوحة (z _oc) التي تبلغ 32.4، فإن هذا يساوي 86.5%.

بالنظر إلى فقدان الطيف وحده، تبلغ الكفاءة النظرية القصوى للخلايا الشمسية 48% (أو 44% وفقًا لشوكلي وكويسر - "عامل الكفاءة القصوى"). وبالتالي، يمثل فقدان الطيف الجزء الأكبر من الطاقة المفقودة. وبإضافة تأثيرات إعادة التركيب ومنحنى التيار مقابل الجهد ، تُوصف الكفاءة بالمعادلة التالية:

${\displaystyle \eta =t_{s}u(x_{g})v(f,x_{c},x_{g})m(vx_{g}/x_{c})}$

مع

${\displaystyle x_{g}=V_{g}/V_{s}}$

${\displaystyle x_{c}=V_{c}/V_{s}}$

حيث يُمثل كل من u و v و m على التوالي عامل الكفاءة القصوى، ونسبة جهد الدائرة المفتوحة V _{_op} إلى جهد فجوة النطاق V_{_g}، وعامل مطابقة المعاوقة (جميعها مُناقشة أعلاه)، و V_{_c} هو الجهد الحراري، و V _{_s} هو الجهد المُكافئ لدرجة حرارة الشمس. بافتراض أن t _{_s} يساوي 1، وباستخدام القيم المذكورة أعلاه وهي 44% و77% و86.5% للعوامل الثلاثة، نحصل على كفاءة إجمالية تبلغ حوالي 29%. يذكر شوكلي وكويسر في مُلخصهما نسبة 30%، لكنهما لا يُقدمان حسابًا مُفصلاً. يُشير مرجع أحدث، بالنسبة لخلية أحادية الوصلة، إلى أداء ذروة نظري يبلغ حوالي 33.7%، أو حوالي 337 واط/م^² في AM1.5. ^{[ 1 ] [ 10 ]}

عند زيادة كمية ضوء الشمس باستخدام العاكسات أو العدسات، يرتفع عامل fω (وبالتالي f ). وهذا _بدوره يزيد من كلٍّ من v و m . وقد أدرج شوكلي وكويسر رسمًا بيانيًا يوضح الكفاءة الإجمالية كدالة لفجوة النطاق لقيم مختلفة من f . عند قيمة 1، يُظهر الرسم البياني كفاءة قصوى تزيد قليلًا عن 40%، مقتربةً من الكفاءة القصوى (حسب حساباتهما) البالغة 44%.

لم يأخذ عمل شوكلي وكويسر في الاعتبار سوى أبسط الفيزياء؛ وهناك عدد من العوامل الأخرى التي تقلل من القوة النظرية.

يُعدّ استخدام الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات ، والمعروفة أيضًا باسم "الخلايا الترادفية"، المسار الأكثر شيوعًا لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية . تستخدم هذه الخلايا وصلات pn متعددة، كل منها مُصممة لتردد معين من الطيف . يُقلل هذا من مشكلة عدم قدرة المادة ذات فجوة النطاق المحددة على امتصاص ضوء الشمس دون مستوى فجوة النطاق، وعدم قدرتها على الاستفادة الكاملة من ضوء الشمس ذي النطاق الأعلى بكثير. في التصميم الأكثر شيوعًا، توضع خلية شمسية ذات فجوة نطاق عالية في الأعلى، تمتص الضوء عالي الطاقة ذي الطول الموجي الأقصر، وتُمرر الباقي. أسفلها توجد خلية شمسية ذات فجوة نطاق منخفضة تمتص جزءًا من الضوء منخفض الطاقة ذي الطول الموجي الأطول. قد توجد خلية أخرى أسفلها، ليصل عدد الطبقات إلى أربع.

يتم حساب حدود الكفاءة الأساسية لهذه الخلايا متعددة الوصلات بطريقة مشابهة لحسابها في الخلايا أحادية الوصلة، مع الأخذ في الاعتبار أن جزءًا من الضوء سيتحول إلى ترددات أخرى ويُعاد إصداره داخل البنية. وباستخدام طرق مشابهة لتحليل شوكلي-كويسر الأصلي مع مراعاة هذه الاعتبارات، نحصل على نتائج مماثلة؛ إذ يمكن أن تصل كفاءة الخلية ثنائية الطبقات إلى 42%، والخلايا ثلاثية الطبقات إلى 49%، والخلية النظرية ذات الطبقات اللانهائية إلى 68% في ضوء الشمس غير المركز. ^{[ 5 ]}

تستخدم غالبية الخلايا الترادفية المنتجة حتى الآن ثلاث طبقات، مُضبوطة على اللون الأزرق (في الأعلى)، والأصفر (في الوسط)، والأحمر (في الأسفل). تتطلب هذه الخلايا استخدام أشباه موصلات قابلة للضبط على ترددات محددة، مما أدى إلى تصنيع معظمها من مركبات زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وغالبًا ما يكون الجرمانيوم للون الأحمر، وGaAs للون الأصفر، وGaInP₂ _للون الأزرق. تُعد هذه الخلايا باهظة الثمن، وتتطلب تقنيات مشابهة لتصنيع المعالجات الدقيقة ، ولكن بأحجام "رقائق" تصل إلى عدة سنتيمترات. في الحالات التي يكون فيها الأداء هو الاعتبار الوحيد، أصبحت هذه الخلايا شائعة الاستخدام؛ فهي تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الأقمار الصناعية ، على سبيل المثال، حيث تتفوق نسبة الطاقة إلى الوزن على الاعتبارات الأخرى. كما يمكن استخدامها في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية المركزة (انظر أدناه)، حيث يمكن لخلية شمسية صغيرة نسبيًا أن تُغطي مساحة كبيرة.

لا تقتصر الخلايا الترادفية على التطبيقات عالية الأداء فحسب، بل تُستخدم أيضًا في تصنيع خلايا كهروضوئية متوسطة الكفاءة من مواد رخيصة الثمن ولكنها منخفضة الكفاءة. ومن الأمثلة على ذلك خلايا السيليكون غير المتبلور ، حيث تتوفر الخلايا الترادفية ثلاثية الوصلات تجاريًا من شركة Uni-Solar وغيرها من الشركات.

في عام 2023، أعلنت شركة LONGi Green Energy Technology Co. الصينية المصنعة عن خلية سيليكون/بيروفسكايت مزدوجة حققت كفاءة بنسبة 33.9%، وهي المرة الأولى التي تتجاوز فيها خلية سيليكونية حد SQ. ^{[ 15 ]}

يمكن تركيز ضوء الشمس باستخدام العدسات أو المرايا لزيادة شدته بشكل كبير. تُعد شدة ضوء الشمس أحد العوامل في حساب شوكلي-كويسر، ومع زيادة التركيز، يرتفع الحد النظري للكفاءة إلى حد ما. مع ذلك، إذا تسبب الضوء الشديد في تسخين الخلية، وهو ما يحدث غالبًا في الواقع، فقد ينخفض ​​الحد النظري للكفاءة مع الأخذ في الاعتبار جميع العوامل الأخرى.

عملياً، يعتمد اختيار استخدام تقنية تركيز الضوء من عدمه بشكل أساسي على عوامل أخرى إلى جانب التغير الطفيف في كفاءة الخلايا الشمسية. تشمل هذه العوامل التكلفة النسبية لكل وحدة مساحة للخلايا الشمسية مقارنةً بالبصريات المركزة كالعدسات أو المرايا، وتكلفة أنظمة تتبع ضوء الشمس، ونسبة الضوء الذي يتم تركيزه بنجاح على الخلية الشمسية، وما إلى ذلك.

يمكن استخدام مجموعة متنوعة من الأنظمة البصرية لتركيز ضوء الشمس، بما في ذلك العدسات العادية والمرايا المنحنية، وعدسات فريسنل ، ومصفوفات المرايا المسطحة الصغيرة، ومُركِّزات الطاقة الشمسية المُضيئة . ^{[ 16 ] [ 17 ]} ويقترح اقتراح آخر نشر مصفوفة من الخلايا الشمسية المجهرية على سطح ما، وتركيز الضوء عليها عبر مصفوفات العدسات المجهرية ، ^{[ 18 ]} بينما يقترح اقتراح آخر تصميم مصفوفة من الأسلاك النانوية لأشباه الموصلات بطريقة تُركِّز الضوء في هذه الأسلاك النانوية. ^{[ 19 ]}

أُجريت بعض الأبحاث حول إنتاج حالات طاقة متوسطة ضمن هياكل بلورية أحادية . تجمع هذه الخلايا بين بعض مزايا الخلية متعددة الوصلات وبساطة تصميمات السيليكون الحالية. تشير حسابات تفصيلية لحدود هذه الخلايا ذات النطاقات اللانهائية إلى كفاءة قصوى تبلغ 77.2% ^{[ 20 ].} حتى الآن، لم تُنتج أي خلية تجارية باستخدام هذه التقنية.

كما ذُكر سابقًا، تُهدر الفوتونات ذات الطاقة الأقل من فجوة النطاق في الخلايا الشمسية أحادية الوصلة العادية. إحدى طرق تقليل هذا الهدر هي استخدام تحويل الفوتونات إلى طاقة أعلى ، أي دمج جزيء أو مادة في الوحدة قادرة على امتصاص فوتونين أو أكثر ذات طاقة أقل من فجوة النطاق، ثم إطلاق فوتون واحد ذي طاقة أعلى من فجوة النطاق. ثمة إمكانية أخرى تتمثل في استخدام امتصاص فوتونين ، لكن هذه الطريقة لا تُجدي إلا عند تركيزات ضوئية عالية للغاية. ^{[ 21 ]}

تعتمد عملية التحويل الحراري للترددات على امتصاص الفوتونات ذات الطاقات المنخفضة في جهاز التحويل، الذي يسخن ويعيد إصدار فوتونات ذات طاقات أعلى. ^{[ 22 ]} يمكن تحسين كفاءة التحويل عن طريق التحكم في الكثافة الضوئية للحالات في المادة الماصة ^{[ 23 ]} ، وكذلك عن طريق ضبط خصائص الانبعاث الانتقائي الزاوي. على سبيل المثال، يمكن أن تحتوي منصة التحويل الحراري المستوية على سطح أمامي يمتص الفوتونات منخفضة الطاقة الساقطة ضمن نطاق زاوي ضيق، وسطح خلفي يُصدر بكفاءة الفوتونات عالية الطاقة فقط. ^{[ 24 ]} وقد تنبأت الدراسات النظرية بأن منصة كهروضوئية حرارية هجينة تستغل التحويل الحراري للترددات ستُظهر كفاءة تحويل قصوى تبلغ 73% تحت إضاءة ضوء الشمس غير المركز. وأظهر تحليل مفصل للمنصات الهجينة غير المثالية، التي تسمح بفقدان يصل إلى 15% من الطاقة نتيجة الامتصاص/إعادة الانبعاث، قيمة كفاءة قصوى تبلغ 45% لخلايا السيليكون الكهروضوئية.

إحدى آليات الفقد الرئيسية هي فقدان طاقة حاملات الشحنة الزائدة فوق فجوة النطاق. لذا، ليس من المستغرب وجود كمٍّ كبير من الأبحاث حول طرق استخلاص طاقة حاملات الشحنة قبل أن تفقدها في البنية البلورية. ^{[ 25 ]} ومن الأنظمة قيد الدراسة في هذا الصدد النقاط الكمومية . ^{[ 26 ]}

ثمة مفهوم ذو صلة يتمثل في استخدام أشباه الموصلات التي تولد أكثر من إلكترون مُثار واحد لكل فوتون ممتص، بدلاً من إلكترون واحد عند حافة نطاق الطاقة. وقد خضعت النقاط الكمومية لدراسات مكثفة لتحقيق هذا التأثير، وثبتت فعاليتها في أطوال موجية مناسبة للطاقة الشمسية في نماذج أولية للخلايا الشمسية. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

ثمة طريقة أخرى أكثر مباشرة للاستفادة من توليد الإكسيتونات المتعددة، وهي عملية تُسمى انشطار الإكسيتون الأحادي (أو انشطار الإكسيتون الأحادي)، حيث يُحوّل الإكسيتون الأحادي إلى إكسيتونين ثلاثيين ذوي طاقة أقل. وهذا يسمح بكفاءات نظرية أعلى عند اقترانه بأشباه موصلات ذات فجوة نطاق طاقة منخفضة ^{[ 28 ]} ، وقد سُجّلت كفاءات كمية تتجاوز 100% ^{[ 29 ] .}

كذلك في المواد التي تتفاعل فيها الإلكترونات (المثارة) بقوة مع الإلكترونات المتبقية، مثل عوازل موت، يمكن توليد إكسيتونات متعددة. ^{[ 30 ]}

ثمة إمكانية أخرى لزيادة الكفاءة تتمثل في تحويل تردد الضوء نحو طاقة فجوة النطاق باستخدام مادة فلورية . وللتغلب على حد شوكلي-كويسر، يجب أن تحوّل المادة الفلورية فوتونًا واحدًا عالي الطاقة إلى عدة فوتونات منخفضة الطاقة ( كفاءة كمية > 1). على سبيل المثال، يمكن تحويل فوتون واحد تزيد طاقته عن ضعف طاقة فجوة النطاق إلى فوتونين أعلى من طاقة فجوة النطاق. مع ذلك، عمليًا، تميل عملية التحويل هذه إلى أن تكون غير فعالة نسبيًا. في حال التوصل إلى نظام عالي الكفاءة، يمكن طلاء السطح الأمامي لخلية قياسية بهذه المادة، مما يعزز كفاءتها بتكلفة زهيدة. ^{[ 31 ]} في المقابل، أُحرز تقدم ملحوظ في استكشاف تقنية التحويل الفلوري للترددات المنخفضة، التي تحوّل الضوء عالي الطاقة (مثل الأشعة فوق البنفسجية) إلى ضوء منخفض الطاقة (مثل الضوء الأحمر) بكفاءة كمية أقل من 1. وقد تصبح الخلية أكثر حساسية لهذه الفوتونات منخفضة الطاقة. تُجرى دراسات مكثفة على الأصباغ والفوسفورات الأرضية النادرة والنقاط الكمومية لتحسين كفاءة التألق الضوئي. ^{[ 32 ]} فعلى سبيل المثال، أدى استخدام النقاط الكمومية المصنوعة من السيليكون في تحسين كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون الحديثة. ^{[ 33 ]}

تُشبه الخلايا الكهروضوئية الحرارية أنظمة الفسفورية، لكنها تستخدم صفيحة تعمل كمحول تنازلي. تُعاد إشعاع الطاقة الشمسية الساقطة على الصفيحة، وهي عادةً معدن مطلي باللون الأسود، على شكل أشعة تحت حمراء ذات طاقة أقل، والتي يمكن بعد ذلك التقاطها في خلية تعمل بالأشعة تحت الحمراء. يعتمد هذا على توفر خلية عملية تعمل بالأشعة تحت الحمراء، ولكن يمكن حساب كفاءة التحويل النظرية. بالنسبة لمحول ذي فجوة نطاق تبلغ 0.92 إلكترون فولت، تقتصر الكفاءة على 54% مع خلية أحادية الوصلة، و85% للضوء المركز الساقط على مكونات مثالية بدون فقد بصري ومع إعادة تركيب إشعاعي فقط. ^{[ 34 ]}