태양 전지의 효율은 전자-정공 쌍이 효과적으로 활용되기 전에 재결합될 때 감소합니다. 반도체가 적절한 파장의 빛을 흡수하면 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 빛이 조사되면 물질 내 전하 운반체 농도가 평형 농도를 초과합니다. 광원이 제거되면 전하 운반체 농도는 재결합이라고 하는 과정을 통해 다시 평형 상태로 감소합니다. 아래는 몇 가지 다른 재결합 메커니즘입니다.
1. 복사 재결합
복사 재결합은 빛 흡수 과정의 역과정으로, 전자가 고에너지 상태에서 저에너지 상태로 전이하면서 과잉 에너지를 빛으로 방출하는 현상입니다. 이러한 유형의 재결합은 반도체 레이저와 발광 다이오드(LED)에서 중요하지만, 실리콘 태양 전지에서는 주된 현상이 아닙니다.
2. 오거 재조합
오제 재결합은 충격 이온화의 역과정입니다. 전자와 정공이 재결합할 때, 과잉 에너지는 빛으로 방출되는 대신 다른 전자로 전달됩니다. 들뜬 전자는 원래 상태로 되돌아가면서 포논(진동 에너지)을 방출합니다. 오제 재결합은 특히 불순물 농도가 10¹⁷ cm⁻³를 초과하는 고농도 도핑 물질에서 두드러지게 나타나며, 이러한 경우 지배적인 재결합 과정이 됩니다.
3. 트랩 보조 재조합
반도체 내 불순물과 결함은 금지된 밴드갭 내에 허용된 에너지 준위를 생성합니다. 이러한 결함 에너지 준위는 2단계 재결합 과정을 촉진합니다. 전자는 먼저 전도대에서 결함 준위로 이동한 다음, 가전자대로 이동하여 정공과 재결합합니다. 이 과정은 재결합을 매우 효과적으로 촉진하며 태양 전지의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
4. 표면 재결합
반도체 표면은 결정 구조의 끝부분으로 인해 결함이 고농도로 존재하는 영역으로 볼 수 있습니다. 이러한 표면 결함은 금지된 밴드갭 내에 수많은 에너지 상태를 생성하며, 이 영역에서 재결합이 쉽게 발생할 수 있습니다. 표면 재결합은 표면의 결정 구조가 매우 불규칙적이기 때문에 재결합이 더욱 쉽게 일어나는 중요한 요인입니다.
결론
실제 태양전지에서 이러한 재결합 메커니즘은 전체적인 성능 손실에 기여합니다. 셀 설계자의 과제는 효율을 향상시키기 위해 이러한 손실을 최소화하는 것입니다. 각 재결합 과정은 서로 다른 문제점을 가지고 있으며, 재료 선택, 표면 보호 처리 및 최적화된 도핑 수준을 통해 이러한 문제점을 극복하는 것이 태양전지 성능 향상에 필수적입니다. 또한, 시중에 판매되는 다양한 상용 태양전지는 각기 다른 설계 특징을 가지고 있으며, 이는 효율과 응용 가능성에 영향을 미칩니다.
