L'efficacité des cellules solaires diminue lorsque les paires électron-trou se recombinent avant d'avoir pu être utilisées efficacement. Lorsqu'un semi-conducteur absorbe de la lumière à la longueur d'onde appropriée, des paires électron-trou sont générées. Sous l'effet de la lumière, la concentration de porteurs dans le matériau dépasse sa valeur d'équilibre. Une fois la source lumineuse éteinte, la concentration de porteurs retombe à son état d'équilibre, un processus communément appelé recombinaison. Voici différents mécanismes de recombinaison :
1. Recombinaison radiative
La recombinaison radiative est le processus inverse de l'absorption de la lumière : un électron passe d'un état de haute énergie à un état de plus basse énergie, libérant l'énergie excédentaire sous forme de lumière. Ce type de recombinaison est important dans les lasers à semi-conducteurs et les diodes électroluminescentes (DEL), mais il est négligeable dans les cellules solaires en silicium.
2. Recombinaison Auger
La recombinaison Auger est le processus inverse de l'ionisation par impact. Lorsqu'un électron et un trou se recombinent, l'énergie excédentaire est transférée à un autre électron au lieu d'être libérée sous forme de lumière. L'électron excité retourne ensuite à son état initial, libérant des phonons (énergie de vibration). La recombinaison Auger est particulièrement marquée dans les matériaux fortement dopés, notamment lorsque la concentration d'impuretés dépasse 10¹⁷ cm⁻³, devenant ainsi le processus de recombinaison dominant.
3. Recombinaison assistée par piège
Les impuretés et les défauts présents dans les semi-conducteurs créent des niveaux d'énergie autorisés au sein de la bande interdite. Ces niveaux d'énergie de défaut facilitent un processus de recombinaison en deux étapes : un électron se relaxe d'abord de la bande de conduction vers le niveau du défaut, puis vers la bande de valence, où il se recombine avec un trou. Ce processus favorise fortement la recombinaison et peut influencer considérablement les performances des cellules solaires.
4. Recombinaison de surface
La surface d'un semi-conducteur peut être considérée comme une zone à forte concentration de défauts dus à la discontinuité de sa structure cristalline. Ces défauts de surface créent de nombreux états d'énergie au sein de la bande interdite, où la recombinaison est favorisée. La recombinaison de surface est un facteur important car la structure cristalline y est très irrégulière, ce qui augmente la probabilité de recombinaison dans ces régions.
Conclusion
Dans les cellules solaires, ces mécanismes de recombinaison contribuent aux pertes de performance globales. Le défi pour les concepteurs de cellules est de minimiser ces pertes afin d'améliorer le rendement. Chaque processus de recombinaison présente des défis spécifiques, et les surmonter grâce à une sélection rigoureuse des matériaux, une passivation de surface efficace et des niveaux de dopage optimisés est essentiel pour améliorer les performances des cellules solaires. De plus, des caractéristiques de conception distinctes différencient les cellules solaires commerciales disponibles sur le marché, influençant leur rendement et leurs applications potentielles.
