Η απόδοση των ηλιακών κυψελών μειώνεται όταν τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών ανασυνδυάζονται πριν μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά. Όταν ο ημιαγωγός απορροφά φως στο κατάλληλο μήκος κύματος, δημιουργούνται ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Υπό φωτισμό, η συγκέντρωση φορέων στο υλικό υπερβαίνει την τιμή ισορροπίας της. Μόλις αφαιρεθεί η πηγή φωτός, η συγκέντρωση φορέων μειώνεται ξανά στην κατάσταση ισορροπίας της σε μια διαδικασία που συνήθως αναφέρεται ως ανασυνδυασμός. Παρακάτω παρατίθενται διάφοροι μηχανισμοί ανασυνδυασμού:
1. Ακτινοβολικός Ανασυνδυασμός
Ο ακτινοβολικός ανασυνδυασμός είναι το αντίστροφο της διαδικασίας απορρόφησης φωτός, όπου ένα ηλεκτρόνιο μεταβαίνει από μια κατάσταση υψηλής ενέργειας πίσω σε μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, απελευθερώνοντας την περίσσεια ενέργειας ως φως. Αυτός ο τύπος ανασυνδυασμού είναι σημαντικός στα λέιζερ ημιαγωγών και στις διόδους εκπομπής φωτός (LED), αλλά δεν είναι κυρίαρχος στα ηλιακά κύτταρα πυριτίου.
2. Ανασυνδυασμός Auger
Ο ανασυνδυασμός Auger είναι η αντίστροφη διαδικασία του ιονισμού κρούσης. Όταν ένα ηλεκτρόνιο και μια οπή ανασυνδυάζονται, η περίσσεια ενέργειας μεταφέρεται σε ένα άλλο ηλεκτρόνιο αντί να απελευθερώνεται ως φως. Το διεγερμένο ηλεκτρόνιο στη συνέχεια χαλαρώνει και επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, απελευθερώνοντας φωνόνια (ενέργεια δόνησης). Ο ανασυνδυασμός Auger γίνεται ιδιαίτερα έντονος σε υλικά με έντονες προσμίξεις, ειδικά όταν η συγκέντρωση προσμίξεων υπερβαίνει τα 10¹⁷ cm⁻³, καθιστώντας τον την κυρίαρχη διαδικασία ανασυνδυασμού σε τέτοιες περιπτώσεις.
3. Ανασυνδυασμός με τη βοήθεια παγίδευσης
Οι ακαθαρσίες και τα ελαττώματα στους ημιαγωγούς δημιουργούν επιτρεπόμενα επίπεδα ενέργειας εντός του απαγορευμένου ενεργειακού χάσματος. Αυτά τα επίπεδα ενέργειας ελαττωμάτων διευκολύνουν μια διαδικασία ανασυνδυασμού δύο σταδίων: ένα ηλεκτρόνιο αρχικά χαλαρώνει από τη ζώνη αγωγιμότητας στο επίπεδο ελαττώματος και στη συνέχεια στη ζώνη σθένους, όπου ανασυνδυάζεται με μια οπή. Αυτή η διαδικασία είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική στην προώθηση του ανασυνδυασμού και μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση των ηλιακών κυψελών.
4. Επιφανειακή Ανασύνθεση
Η επιφάνεια ενός ημιαγωγού μπορεί να θεωρηθεί ως μια περιοχή με υψηλή συγκέντρωση ελαττωμάτων λόγω του τερματισμού της κρυσταλλικής δομής. Αυτά τα επιφανειακά ελαττώματα δημιουργούν πολυάριθμες ενεργειακές καταστάσεις εντός του απαγορευμένου ενεργειακού χάσματος, όπου μπορεί εύκολα να συμβεί ανασυνδυασμός. Ο επιφανειακός ανασυνδυασμός είναι ένας σημαντικός παράγοντας επειδή η κρυσταλλική δομή στην επιφάνεια είναι εξαιρετικά ακανόνιστη, καθιστώντας τον ανασυνδυασμό πιο πιθανό να συμβεί σε αυτές τις περιοχές.
Σύναψη
Στα πρακτικά ηλιακά κύτταρα, αυτοί οι μηχανισμοί ανασυνδυασμού συμβάλλουν στις συνολικές απώλειες απόδοσης. Το καθήκον των σχεδιαστών κυψελών είναι να ελαχιστοποιήσουν αυτές τις απώλειες για να βελτιώσουν την απόδοση. Κάθε διαδικασία ανασυνδυασμού παρουσιάζει διαφορετικές προκλήσεις και η υπερνίκηση αυτών μέσω της επιλογής υλικού, της παθητικοποίησης της επιφάνειας και των βελτιστοποιημένων επιπέδων πρόσμιξης είναι απαραίτητη για τη βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών κυψελών. Επιπλέον, τα ξεχωριστά χαρακτηριστικά σχεδιασμού διαφοροποιούν διάφορα εμπορικά ηλιακά κύτταρα στην αγορά, επηρεάζοντας την αποδοτικότητα και το δυναμικό εφαρμογής τους.
