كفاءة الخلايا الشمسية

إذا كان لدينا مصدر حرارة عند درجة حرارة T_{_s} ومشتت حراري عند درجة حرارة T_{_c} ، فإن القيمة القصوى الممكنة نظريًا لنسبة الشغل (أو الطاقة الكهربائية) المُتحصل عليه إلى الحرارة المُزوَّدة هي 1 - T _{_c} / T _{_s}، وذلك وفقًا لمحرك كارنو الحراري . وإذا افترضنا  أن درجة حرارة الشمس 6000 كلفن  ودرجة حرارة الأرض 300 كلفن، فإن هذه النسبة تصل إلى 95%. ^{[ 16 ]}

في عام 1981، أثبت ألكسيس دي فوس وهيرمان باولز إمكانية تحقيق ذلك باستخدام مجموعة من عدد لا نهائي من الخلايا ذات فجوات طاقة تتراوح من اللانهاية (الخلايا الأولى التي تصادفها الفوتونات الواردة) إلى الصفر، مع جهد في كل خلية قريب جدًا من جهد الدائرة المفتوحة، يساوي 95% من فجوة الطاقة لتلك الخلية، ومع إشعاع جسم أسود بدرجة حرارة  6000 كلفن قادم من جميع الاتجاهات. ومع ذلك، فإن كفاءة 95% المحققة تعني أن الطاقة الكهربائية تمثل 95% من صافي كمية الضوء الممتص - إذ تُصدر المجموعة إشعاعًا نظرًا لوجود درجة حرارة غير صفرية فيها، ويجب طرح هذا الإشعاع من الإشعاع الوارد عند حساب كمية الحرارة المنقولة والكفاءة. كما تناولا أيضًا المشكلة الأكثر أهمية المتمثلة في تعظيم خرج الطاقة لمجموعة مضاءة من جميع الاتجاهات بإشعاع جسم أسود بدرجة حرارة 6000 كلفن. في هذه الحالة، يجب خفض الجهود إلى أقل من 95% من فجوة الطاقة (النسبة ليست ثابتة في جميع الخلايا). تبلغ الكفاءة النظرية القصوى المحسوبة 86.8% لمجموعة من عدد لا نهائي من الخلايا، باستخدام إشعاع ضوء الشمس المركز الوارد. ^{[ 17 ]} وعندما يأتي الإشعاع الوارد فقط من منطقة في السماء بحجم الشمس، ينخفض ​​حد الكفاءة إلى 68.7%. ^{[ 18 ]} 

مع ذلك، تحتوي أنظمة الخلايا الكهروضوئية العادية على وصلة p-n واحدة فقط ، وبالتالي تخضع لحد أدنى للكفاءة، يُطلق عليه شوكلي وكويسر اسم "الكفاءة القصوى". لا تستطيع الفوتونات ذات الطاقة الأقل من فجوة النطاق لمادة الامتصاص توليد زوج إلكترون-فجوة ، لذا لا تُحوّل طاقتها إلى ناتج مفيد، وإنما تُولّد حرارة فقط عند امتصاصها.

بالنسبة للفوتونات ذات الطاقة الأعلى من طاقة فجوة النطاق، لا يُمكن تحويل سوى جزء ضئيل من هذه الطاقة إلى ناتج مفيد. عند امتصاص فوتون ذي طاقة أكبر، تتحول الطاقة الزائدة فوق فجوة النطاق إلى طاقة حركية لمجموعة حاملات الشحنة. وتتحول هذه الطاقة الحركية الزائدة إلى حرارة من خلال تفاعلات الفونونات مع تباطؤ الطاقة الحركية لحاملات الشحنة حتى تصل إلى سرعة التوازن. تتمتع الخلايا التقليدية أحادية الوصلة ذات فجوة النطاق المثلى للطيف الشمسي بكفاءة نظرية قصوى تبلغ 33.16%، وهي حد شوكلي-كويسر . ^{[ 19 ]}

تعمل الخلايا الشمسية المزودة بمواد امتصاص متعددة النطاقات على تحسين الكفاءة عن طريق تقسيم الطيف الشمسي إلى نطاقات أصغر حيث يكون حد الكفاءة الديناميكية الحرارية أعلى لكل نطاق. ^{[ 20 ]}

عندما تمتص الخلية الشمسية فوتونًا، فإنه يُنتج زوجًا من الإلكترونات والفجوات. قد يصل أحد هذه الأزواج إلى وصلة p-n ويساهم في التيار الناتج عن الخلية الشمسية؛ ويُقال إن هذا الزوج قد جُمع . أو قد تتحد الأزواج دون أن تُساهم في تيار الخلية.

تشير الكفاءة الكمية إلى النسبة المئوية للفوتونات التي تتحول إلى تيار كهربائي (أي حاملات الشحنة المجمعة) عند تشغيل الخلية في ظروف دارة قصر. ويُشار عادةً إلى نوعين من الكفاءة الكمية عند الحديث عن الخلايا الشمسية: الكفاءة الكمية الخارجية والكفاءة الكمية الداخلية. تتعلق الكفاءة الكمية الخارجية (EQE) بالخصائص القابلة للقياس للخلية الشمسية. وتشمل الكفاءة الكمية "الخارجية" لخلية شمسية من السيليكون تأثير الفقد الضوئي، مثل النفاذية والانعكاس. ويمكن اتخاذ تدابير لتقليل هذه الخسائر. ويمكن تقليل خسائر الانعكاس، التي قد تصل إلى 10% من إجمالي الطاقة الساقطة، بشكل كبير باستخدام تقنية تُسمى "التشكيل السطحي"، وهي طريقة لحصر الضوء تُعدّل متوسط ​​مسار الضوء. ^{[ 21 ]}

تُتيح الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) فهمًا أعمق لخصائص المادة الداخلية، مثل معامل الامتصاص أو الكفاءة الكمية للتألق الداخلي. ^{[ 22 ]} تُستخدم الكفاءة الكمية الداخلية بشكل أساسي لفهم إمكانات مادة معينة، وليس جهازًا بعينه. ^{[ 22 ]} يُعبّر عن الكفاءة الكمية بشكل أكثر فائدة كقياس طيفي (أي كدالة لطول موجة الفوتون أو طاقته). ونظرًا لأن بعض الأطوال الموجية تُمتص بفعالية أكبر من غيرها، فإن القياسات الطيفية للكفاءة الكمية تُوفر معلومات قيّمة حول جودة أشباه الموصلات، سواءً في بنيتها الداخلية أو أسطحها. لا تُعادل الكفاءة الكمية كفاءة تحويل الطاقة الكلية، إذ لا تُقدم معلومات حول نسبة الطاقة التي تُحوّلها الخلية الشمسية.

يمكن للخلايا الشمسية العمل ضمن نطاق واسع من الفولتية (V) والتيارات (I). من خلال زيادة المقاومة المؤثرة على الخلية المعرضة للإشعاع بشكل مستمر من الصفر ( دائرة قصر ) إلى قيمة عالية جدًا ( دائرة مفتوحة )، يمكن تحديد نقطة القدرة القصوى ، وهي النقطة التي تحقق أقصى حاصل ضرب V × I؛ أي الحمل الذي يمكن للخلية عنده توليد أقصى قدرة كهربائية عند مستوى الإشعاع هذا. (تكون القدرة الناتجة صفرًا في كلتا حالتي دائرة القصر والدائرة المفتوحة).

تتأثر نقطة القدرة القصوى للخلية الشمسية بدرجة حرارتها. بمعرفة البيانات الفنية لخلية شمسية معينة، يمكن الحصول على ناتج الطاقة الخاص بها عند درجة حرارة معينة.${\displaystyle P(T)=P_{STC}+{\frac {dP}{dT}}(T_{cell}-T_{STC})}$، أين${\displaystyle P_{STC}}$هي الطاقة المتولدة في ظروف الاختبار القياسية؛${\displaystyle T_{cell}}$هي درجة الحرارة الفعلية للخلية الشمسية.

 قد تُنتج خلية شمسية عالية الجودة مصنوعة من السيليكون أحادي البلورة، عند درجة حرارة 25 درجة مئوية، جهد دائرة مفتوحة ( V_{_OC} ) مقداره 0.60 فولت . في ضوء الشمس المباشر، حتى مع درجة حرارة هواء تبلغ 25 درجة مئوية، من المرجح أن تصل درجة حرارة الخلية إلى حوالي 45 درجة مئوية، مما يُقلل جهد الدائرة المفتوحة إلى 0.55 فولت لكل خلية. ينخفض ​​الجهد بشكل طفيف مع هذا النوع من الخلايا حتى يقترب من تيار الدائرة القصيرة ( I _{_SC} ). يتم إنتاج أقصى طاقة (عند درجة حرارة 45 درجة مئوية) عادةً بنسبة 75% إلى 80% من جهد الدائرة المفتوحة (0.43 فولت في هذه الحالة) و90% من تيار الدائرة القصيرة. يمكن أن تصل هذه الطاقة الناتجة إلى 70% من حاصل ضرب V_{_OC} × I_{_SC} . يتناسب تيار الدائرة القصيرة ( I _{_SC}) للخلية تناسبًا طرديًا تقريبًا مع شدة الإضاءة، بينما قد ينخفض ​​جهد الدائرة المفتوحة ( V _{_OC} ) بنسبة 10% فقط مع انخفاض شدة الإضاءة بنسبة 80%. تتميز الخلايا ذات الجودة المنخفضة بانخفاض أسرع في الجهد مع زيادة التيار، وقد لا تنتج سوى نصف جهد الدائرة المفتوحة (V _{_OC}) عند نصف تيار الدائرة القصيرة ( I _{_SC)} . وبالتالي، قد ينخفض ​​ناتج الطاقة القابل للاستخدام من 70% من حاصل ضرب V _{_OC} و I _{_SC} إلى 50% أو حتى إلى 25% فقط. إن البائعين الذين يصنفون "طاقة" خلاياهم الشمسية بناءً على V _{_OC} و I_{_SC} فقط ، دون تقديم منحنيات الحمل، قد يشوهون أداءها الفعلي بشكل كبير.        

تتغير نقطة القدرة القصوى للخلايا الكهروضوئية بتغير شدة الإضاءة الساقطة. فعلى سبيل المثال، يؤدي تراكم الغبار على الألواح الكهروضوئية إلى خفض نقطة القدرة القصوى. ^{[ 23 ]} وقد طُوّرت مؤخرًا أبحاث جديدة لإزالة الغبار من الألواح الشمسية باستخدام أنظمة التنظيف الكهروستاتيكي. في هذه الأنظمة، يتسبب تطبيق مجال كهروستاتيكي على سطح الألواح الشمسية في تحريك جزيئات الغبار بشكل متذبذب. ^{[ 24 ]} ثم، بفعل الجاذبية وميل الألواح الشمسية الطفيف، تُسحب جزيئات الغبار إلى الأسفل بفعل الجاذبية. ^{[ 24 ]}

لا تتطلب هذه الأنظمة سوى استهلاك ضئيل للطاقة، وتُحسّن أداء الخلايا الشمسية، لا سيما عند تركيبها في الصحراء، حيث يُساهم تراكم الغبار في تقليل كفاءة الألواح الشمسية. كذلك، بالنسبة للأنظمة الكبيرة بما يكفي لتبرير التكلفة الإضافية، يقوم جهاز تتبع نقطة الطاقة القصوى بتتبع الطاقة اللحظية من خلال قياس الجهد والتيار باستمرار (وبالتالي نقل الطاقة)، ​​ويستخدم هذه المعلومات لضبط الحمل ديناميكيًا بحيث يتم نقل أقصى طاقة دائمًا ، بغض النظر عن تغيرات الإضاءة.

يُعد عامل الملء ( FF ) مصطلحًا أساسيًا آخر في تحديد السلوك العام للخلايا الشمسية . وهو مقياس لجودة الخلية الشمسية، ويُحسب بقسمة القدرة المتاحة عند نقطة القدرة القصوى ( Pm ) على جهد الدائرة المفتوحة ( _VOC ) وتيار الدائرة القصيرة ₍ ISC ₎ .

${\displaystyle FF={\frac {P_{m}}{V_{OC}\times I_{SC}}}={\frac {\eta \times A_{c}\times G}{V_{OC}\times I_{SC}}}.}$

يمكن تمثيل عامل الملء بيانيًا من خلال مسح التيار-الجهد، حيث يُمثل نسبة المساحات المستطيلة المختلفة. ^{[ 25 ]} يتأثر عامل الملء بشكل مباشر بقيم مقاومة التوالي والتوازي للخلية، بالإضافة إلى فقد الطاقة في الثنائيات. تؤدي زيادة مقاومة التوازي (Rsh ₎ وتقليل مقاومة التوالي (Rs ₎ إلى زيادة عامل الملء، مما ينتج عنه كفاءة أعلى، ويقرب قدرة خرج الخلية من قيمتها القصوى النظرية. ^{[ 26 ]} تتراوح عوامل الملء النموذجية بين 50% و82%. ويبلغ عامل الملء لخلية السيليكون الكهروضوئية العادية 80%.

فترة استرداد الطاقة هي الفترة الزمنية اللازمة لاستعادة الطاقة المستهلكة في تصنيع وحدة كهروضوئية حديثة. تشير تقديرات عام 2008 إلى أنها تتراوح بين سنة واحدة وأربع  سنوات ^{[ 41 ] [ 42 ]} ، وذلك تبعًا لنوع الوحدة وموقعها. وبعمر افتراضي نموذجي يتراوح بين 20 و30 عامًا، فهذا يعني أن الخلايا الشمسية الحديثة ستكون منتجة صافية للطاقة، أي أنها ستنتج طاقة خلال عمرها الافتراضي أكثر من الطاقة المستهلكة في إنتاجها. ^{[ 41 ] [ 43 ] [ 44 ]} عمومًا، تحقق تقنيات الأغشية الرقيقة - على الرغم من كفاءتها التحويلية المنخفضة نسبيًا - فترات استرداد طاقة أقصر بكثير من الأنظمة التقليدية (غالبًا أقل من  سنة واحدة). ^{[ 45 ]}

أظهرت دراسة نُشرت عام 2013 أن فترة استرداد الطاقة تتراوح بين 0.75 و3.5 سنوات، حيث سجلت الخلايا الرقيقة أدنى هذه الفترة، بينما تراوحت فترة استرداد الطاقة لخلايا السيليكون متعدد البلورات (multi-Si) بين 1.5 و2.6 سنة. ^{[ 46 ]} وقد قيّمت مراجعة نُشرت عام 2015 فترة استرداد الطاقة وعائد الطاقة على الاستثمار (EROI) للخلايا الكهروضوئية الشمسية. في هذه الدراسة التحليلية، التي استخدمت إشعاعًا شمسيًا قدره 1700  كيلوواط ساعة/م² ^/ سنة وعمرًا افتراضيًا للنظام يبلغ 30 عامًا، وُجد أن متوسط ​​عائد الطاقة على الاستثمار الموحد يتراوح بين 8.7 و34.2. وتراوح متوسط ​​فترة استرداد الطاقة الموحدة بين 1.0 و4.1 سنوات. ^{[ 47 ]} وتحقق أجهزة السيليكون البلوري فترة استرداد طاقة تبلغ سنتين في المتوسط. ^{[ 41 ] [ 48 ]}

كغيرها من التقنيات، يعتمد تصنيع الخلايا الشمسية على وجود نظام صناعي عالمي معقد. يشمل هذا النظام أنظمة التصنيع التي تُؤخذ عادةً في الحسبان عند تقدير طاقة التصنيع؛ وأنظمة التعدين والتكرير والنقل العالمية؛ وأنظمة الدعم الأخرى كثيفة الاستهلاك للطاقة، بما في ذلك أنظمة التمويل والمعلومات والأمن. وتُضفي صعوبة قياس هذه التكاليف الإضافية للطاقة بعض الغموض على أي تقدير لفترات استرداد التكاليف. ^{[ 49 ]}

يحتوي الجانب المُضاء في بعض أنواع الخلايا الشمسية، وهي عبارة عن أغشية رقيقة، على طبقة موصلة شفافة تسمح بدخول الضوء إلى المادة الفعالة وجمع حاملات الشحنة المتولدة. وعادةً ما تُستخدم لهذا الغرض أغشية ذات نفاذية عالية وموصلية كهربائية عالية، مثل أكسيد الإنديوم والقصدير، أو البوليمرات الموصلة، أو شبكات الأسلاك النانوية الموصلة. يوجد توازن دقيق بين النفاذية العالية والموصلية الكهربائية، لذا يجب اختيار الكثافة المثلى للأسلاك النانوية الموصلة أو بنية الشبكة الموصلة لتحقيق كفاءة عالية. ^{[ 11 ]}

يُعدّ تضمين تأثيرات تشتت الضوء في الخلايا الشمسية استراتيجيةً ضوئيةً لزيادة امتصاص فوتونات ضوء الشمس ذات الطاقة المنخفضة (وخاصةً في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة)، والتي تتميز بمعامل امتصاص منخفض للمادة الكهروضوئية. ويتحقق هذا الأسلوب في حصر الضوء عن طريق انحراف أشعة الضوء عن اتجاه سقوطها، مما يزيد من طول مسارها داخل مادة امتصاص الخلايا. ^{[ 51 ]}

تعتمد الأساليب التقليدية المستخدمة في تشتيت الضوء على الأسطح الخلفية/الأمامية ذات الملمس الخاص، ولكن تم إثبات العديد من التصاميم البصرية البديلة بنتائج واعدة، وذلك باستخدام محززات حيود، ومصفوفات من جسيمات نانوية/ميكروية معدنية أو عازلة، وهياكل دقيقة بصرية موجية، وغيرها. ^{[ 52 ] [ 53 ]} عند تطبيق هذه الهياكل في واجهة الأجهزة، يمكنها أن تعمل كطلاءات هندسية مضادة للانعكاس، مما يقلل في الوقت نفسه من انعكاس الضوء الخارج.

على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تبطين السطح المستقبل للضوء في الخلية بدبابيس معدنية نانوية الحجم إلى زيادة كفاءة الخلية بشكل ملحوظ. ينعكس الضوء عن هذه الدبابيس بزاوية مائلة على الخلية، مما يزيد من طول مسار الضوء عبرها. وهذا بدوره يزيد من عدد الفوتونات التي تمتصها الخلية وكمية التيار المتولد. ^{[ 54 ]} المواد الرئيسية المستخدمة في صناعة الدبابيس النانوية هي الفضة والذهب والألومنيوم . لا يتميز الذهب والفضة بكفاءة عالية، إذ يمتصان معظم الضوء في الطيف المرئي، الذي يحتوي على أغلب الطاقة الموجودة في ضوء الشمس، مما يقلل من كمية الضوء التي تصل إلى الخلية. ^{[ 54 ]} يمتص الألومنيوم الأشعة فوق البنفسجية فقط، ويعكس كلاً من الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، مما يقلل من فقد الطاقة. يمكن للألومنيوم أن يزيد من كفاءة الخلية بنسبة تصل إلى 22% (في ظروف المختبر). ^{[ 55 ]}

صُممت الطلاءات المضادة للانعكاس لتقليل ضوء الشمس المنعكس من الخلايا الشمسية، وبالتالي تعزيز الضوء المنقول إلى الممتص الكهروضوئي. ^{[ 56 ]} ويمكن تحقيق ذلك عن طريق إحداث تداخل هدام لموجات الضوء المنعكسة، كما هو الحال مع الطلاءات القائمة على تركيب الطبقات الأمامية (المتعددة)، و/أو عن طريق مطابقة معامل الانكسار الهندسي الناتج عن تضاريس السطح، مع العديد من التصاميم المستوحاة من الطبيعة. ^{[ 57 ]}

على سبيل المثال، يمكن رؤية مصفوفة الحلمات، وهي عبارة عن مصفوفة سداسية من هياكل نانوية مخروطية الشكل ذات أبعاد دون الطول الموجي، على سطح عيون العثة. ^{[ 57 ]} وقد ذُكر أن استخدام هذا النوع من بنية السطح يقلل من فقدان الانعكاس بنسبة 25%، مما يحول الفوتون الإضافي الملتقط إلى زيادة بنسبة 12% في طاقة الخلية الشمسية. ^{[ 57 ]}

يمكن استخدام البنى المجهرية الأمامية، كتلك التي تُحقق من خلال التخشين أو غيرها من الخصائص الضوئية، كوسيلة لتحقيق خاصية مقاومة الانعكاس، حيث يتم تعديل سطح الخلية الشمسية بحيث يتعرض الضوء الساقط لمعامل انكسار فعال متزايد تدريجيًا عند انتقاله من الهواء إلى المادة الكهروضوئية. ويمكن إنشاء هذه الأسطح عن طريق الحفر أو الطباعة الحجرية. وفي الوقت نفسه، تُعزز هذه البنى تأثيرات تشتت الضوء، مما يزيد من امتصاصه، لا سيما فوتونات ضوء الشمس ذات الأطوال الموجية الأطول. ^{[ 50 ]} كما أن إضافة سطح خلفي مستوٍ إلى جانب تخشين السطح الأمامي يُساعد على حصر الضوء داخل الخلية، مما يوفر مسارًا بصريًا أطول.

تؤدي زيادة درجة حرارة الخلية الشمسية بمقدار  درجة مئوية واحدة تقريبًا إلى انخفاض كفاءتها بنسبة 0.45%. ولمنع ذلك، يمكن تطبيق طبقة من بلورات السيليكا الشفافة على الألواح الشمسية. تعمل طبقة السيليكا كجسم أسود حراري ، حيث تُشع الحرارة على شكل إشعاع تحت أحمر إلى الفضاء، مما يُبرد الخلية حتى 13  درجة مئوية. ^{[ 58 ]} وبالتالي، يُمكن للتبريد الإشعاعي إطالة عمر الخلايا الشمسية. ^{[ 59 ]} يُشار إلى التكامل الكامل بين الطاقة الشمسية والتبريد الإشعاعي بنظام SE–RC المُدمج، والذي أظهر كسبًا أعلى للطاقة لكل وحدة مساحة مقارنةً بالأنظمة غير المُدمجة. ^{[ 60 ]}

يُعدّ تخميل السطح عاملاً حاسماً في كفاءة الخلايا الشمسية. ^{[ 61 ]} وقد أُدخلت تحسينات عديدة على الجانب الأمامي للخلايا الشمسية المنتجة بكميات كبيرة، إلا أن السطح الخلفي المصنوع من الألومنيوم يُعيق تحسين الكفاءة. ^{[ 62 ]} وقد تحسّنت كفاءة العديد من الخلايا الشمسية بفضل ابتكار ما يُعرف بخلايا الباعث والسطح الخلفي المُخَمَّلة (PERCs). ويُسهم الترسيب الكيميائي لطبقة تخميل عازلة على السطح الخلفي، تتكون أيضاً من طبقة رقيقة من السيليكا أو أكسيد الألومنيوم مغطاة بطبقة من نتريد السيليكون ، في تحسين كفاءة الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون. وقد ساعد ذلك في زيادة كفاءة الخلايا المصنوعة من رقائق السيليكون التجارية (Cz-Si) من ما يزيد قليلاً عن 17% إلى ما يزيد عن 21% بحلول منتصف العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ^{[ 63 ]} ورفع كفاءة الخلايا المصنوعة من السيليكون شبه أحادي الطور إلى مستوى قياسي بلغ 19.9%.

تم تطبيق مفاهيم تخميل السطح الخلفي للخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون على خلايا CIGS الشمسية أيضًا. ^{[ 64 ]} يُظهر تخميل السطح الخلفي إمكانية تحسين الكفاءة. استُخدم كل من أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) كمواد تخميل. توفر نقاط التلامس النانوية على طبقة أكسيد الألومنيوم [ _{65 ] وخطوط} التلامس _على طبقة ثاني _أكسيد ^{السيليكون [ 66} ] ^{التوصيل الكهربائي بين} مادة امتصاص CIGS والقطب الخلفي المصنوع _من الموليبدينوم . تُصنع نقاط التلامس على طبقة أكسيد الألومنيوم باستخدام _{الطباعة} الحجرية الإلكترونية، بينما تُصنع خطوط التلامس على طبقة _{ثاني أكسيد السيليكون باستخدام} الطباعة الحجرية الضوئية . كما أن تطبيق طبقات التخميل لا يُغير من بنية طبقات CIGS.

على الرغم من أنها لا تُشكّل استراتيجية مباشرة لتحسين الكفاءة، إلا أن مواد الأغشية الرقيقة تُبشّر بمستقبل واعد للخلايا الشمسية من حيث انخفاض التكاليف وقابلية التكيف مع الهياكل والتقنيات الحالية. ^{[ 67 ]} ونظرًا لرقّة هذه المواد، فإنها تفتقر إلى امتصاص الضوء الذي تتميز به الخلايا الشمسية المصنوعة من مواد صلبة. وقد تمّ إثبات جدوى بعض المحاولات لمعالجة هذا الأمر، مثل استخدام تقنيات حصر الضوء لتعزيز تشتته. ^{[ 68 ]} كما يُعدّ إعادة التركيب على سطح الأغشية الرقيقة أمرًا بالغ الأهمية. وبما أن هذه العملية هي السائدة في إعادة تركيب الخلايا الشمسية النانوية ذات الأغشية الرقيقة، فإنها تُشكّل عاملًا حاسمًا في كفاءتها. ويمكن تقليل إعادة التركيب عن طريق إضافة طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون كطبقة واقية.

تجمع الخلايا الشمسية الترادفية بين مادتين لزيادة الكفاءة. في عام 2022، أُعلن عن جهاز يجمع بين طبقات متعددة من البيروفسكايت وطبقات متعددة من السيليكون. تمتص البيروفسكايت الضوء الأزرق، بينما يمتص السيليكون أطوال الموجات الحمراء والأشعة تحت الحمراء. وقد حققت الخلية كفاءة بلغت 32.5%. ^{[ 69 ]}