A napelemek hatékonysága csökken, amikor az elektron-lyuk párok rekombinálódnak, mielőtt hatékonyan hasznosíthatók lennének. Amikor a félvezető a megfelelő hullámhosszon elnyeli a fényt, elektron-lyuk párok keletkeznek. Megvilágítás hatására az anyagban a töltéshordozó-koncentráció meghaladja az egyensúlyi értékét. A fényforrás eltávolítása után a töltéshordozó-koncentráció visszaáll egyensúlyi állapotába egy folyamat során, amelyet általában rekombinációnak neveznek. Az alábbiakban számos különböző rekombinációs mechanizmust mutatunk be:
1. Sugárzó rekombináció
A sugárzási rekombináció a fényelnyelési folyamat fordítottja, ahol egy elektron egy nagy energiájú állapotból egy alacsonyabb energiájú állapotba megy vissza, a felesleges energiát fényként leadva. Ez a fajta rekombináció jelentős a félvezető lézerekben és a fénykibocsátó diódákban (LED-ekben), de nem domináns a szilícium napelemekben.
2. Auger-rekombináció
Az Auger-rekombináció az ütközéses ionizáció fordított folyamata. Amikor egy elektron és egy lyuk rekombinálódik, a felesleges energia egy másik elektronra adódik át ahelyett, hogy fényként szabadulna fel. A gerjesztett elektron ezután visszatér eredeti állapotába, fononokat (rezgési energiát) szabadítva fel. Az Auger-rekombináció különösen kifejezetté válik erősen adalékolt anyagokban, főként akkor, ha a szennyezőanyag-koncentráció meghaladja a 10¹⁷ cm⁻³-t, így ilyen esetekben a domináns rekombinációs folyamattá válik.
3. Csapda-támogatású rekombináció
A félvezetőkben található szennyeződések és hibák megengedett energiaszinteket hoznak létre a tiltott tiltott sávon belül. Ezek a hibaenergiaszintek kétlépéses rekombinációs folyamatot tesznek lehetővé: egy elektron először a vezetési sávból a hibaszintre, majd a vegyértéksávba ereszkedik le, ahol rekombinálódik egy lyukkal. Ez a folyamat rendkívül hatékony a rekombináció elősegítésében, és jelentősen befolyásolhatja a napelemek teljesítményét.
4. Felületi rekombináció
Egy félvezető felülete a kristályszerkezet lezárása miatt nagyszámú hibával rendelkező területnek tekinthető. Ezek a felületi hibák számos energiaállapotot hoznak létre a tiltott tiltott sávon belül, ahol a rekombináció könnyen bekövetkezhet. A felületi rekombináció jelentős tényező, mivel a felületen lévő kristályszerkezet nagyon szabálytalan, így a rekombináció valószínűbb ezekben a régiókban.
Következtetés
A gyakorlatban használt napelemekben ezek a rekombinációs mechanizmusok hozzájárulnak az általános teljesítményveszteséghez. A cellatervezők feladata ezen veszteségek minimalizálása a hatékonyság javítása érdekében. Minden rekombinációs folyamat más és más kihívásokat jelent, és ezeknek az anyagválasztás, a felületi passziválás és az optimalizált adalékolási szintek révén történő leküzdése elengedhetetlen a napelemek teljesítményének növeléséhez. Ezenkívül a piacon kapható különféle kereskedelmi napelemeket eltérő tervezési jellemzők különböztetik meg, befolyásolva hatékonyságukat és alkalmazási potenciáljukat.
