Wielozłączowe ogniwa słoneczne (MJSC, ang. multijunction solar cells) składają się z wielu warstw półprzewodników o różnych wartościach przerwy energetycznej Eg.
Aby maksymalizować wydajność ogniwa wielozłączowego grubość ogniwa powinna być tak dobrana, by największa część promieniowania została zaabsorbowana. Ogniwa wielozłączowe to optycznie układ warstw, z których każda absorbuje inną cześć widma słonecznego. Uzasadnione jest więc zaprojektowanie kolejnych warstw półprzewodników by licząc od warstwy transparentnej, kolejne warstwy miały mniejszą przerwę energetyczną, niż warstwa poprzednia. Przykładem jest układ GaInP / GaAs/Ge, gdzie przerwy energetyczne wynoszą odpowiednio GaInP (1,9 eV), GaAs (1,4 eV) i Ge (0,7 eV) o wydajności ok. \( 33\% \) [1], czy też AlGaInP/AlGaAs/GaInP/GaInAs/GaInNAs, o przerwach energetycznych wynoszących AlGaInP (2,2eV), AlGaAs (1,6 eV), GaInP (1,7 eV), GaInAs (1,2 eV), GaInNAs (1,0-1,1 eV). W zależność od składu procentowego powyższe układy osiągają wydajność \( 30-40\% \) [2], [3].

Dla zoptymalizowania przepływu ładunków w ogniwie wielozłączowym dwa kolejne złącza są ze sobą połączone za pomocą złącz tunelowych (złącz, w których cząstka może przeniknąć przez barierę potencjału wyższą od jej energii kinetycznej). Składa się ono z silnie domieszkowanych warstw o niskiej absorpcji i spadku napięcia oraz wysokiej wartości szczytowej prądu. Jego grubość powinna wynieść około 10mm. W przypadku braku złącz tunelowych, fotonapięcia z kolejnych złączy mające przeciwny znak częściowo by się kompensowały [4]. Na Rys. 1 przedstawiono układ ogniw wraz z odpowiadającymi złączami. Złącza p-n są symbolizowane przez diody kolorowe skierowane do góry. Złącza tunelowe (czarno-szare) są skierowane w dół.

Dzięki wielu złączom można osiągnąć wysokie wydajności, przekraczające ograniczenie Shockley’ego–Queissera (ang. SQ limit) [5].
Wydajność ogniw wielozłączowych może jeszcze wzrosnąć. W zależności od liczby półprzewodników symulacje wskazują na ponad \( 60\% \) wydajność ( Rys. 2 na podstawie [6]). Maksymalna wydajność, przy nieskończonej liczbie warstw wyniosłaby \( 86,8\% \) [6] – jest to tzw. limit termodynamiczny [7].

Układy wielowarstwowe są droższe i robione najczęściej na bazie arsenku galu, na temat którego toksyczności jak i możliwości bezpiecznej utylizacji trwają intensywne badania [8]. Według danych NREL wielozłączowe ogniwa słoneczne osiągnęły wydajność \( 47\% \). Początkowo, ze względu na cenę były używane jedynie w kosmosie. Obecnie są podejmowanie próby wprowadzenia ich do sprzedaży.