De efficiëntie van zonnecellen neemt af wanneer elektron-gatparen recombineren voordat ze effectief kunnen worden benut. Wanneer de halfgeleider licht absorbeert met de juiste golflengte, worden elektron-gatparen gegenereerd. Onder belichting overschrijdt de ladingsdragerconcentratie in het materiaal de evenwichtswaarde. Zodra de lichtbron wordt verwijderd, daalt de ladingsdragerconcentratie terug naar de evenwichtswaarde in een proces dat algemeen bekend staat als recombinatie. Hieronder staan verschillende recombinatiemechanismen:
1. Stralingsrecombinatie
Radiatieve recombinatie is het omgekeerde van het lichtabsorptieproces, waarbij een elektron overgaat van een hoge-energiestand naar een lagere-energiestand, waarbij de overtollige energie als licht vrijkomt. Dit type recombinatie is belangrijk in halfgeleiderlasers en lichtemitterende diodes (LED's), maar is niet dominant in siliciumzonnecellen.
2. Auger-recombinatie
Auger-recombinatie is het omgekeerde proces van botsingsionisatie. Wanneer een elektron en een gat recombineren, wordt de overtollige energie overgedragen aan een ander elektron in plaats van als licht te worden vrijgegeven. Het aangeslagen elektron keert vervolgens terug naar zijn oorspronkelijke toestand, waarbij fononen (trillingsenergie) vrijkomen. Auger-recombinatie is met name prominent aanwezig in sterk gedoteerde materialen, vooral wanneer de onzuiverheidsconcentratie hoger is dan 10¹⁷ cm⁻³, waardoor het in dergelijke gevallen het dominante recombinatieproces is.
3. Recombinatie met behulp van vallen
Onzuiverheden en defecten in halfgeleiders creëren toegestane energieniveaus binnen de verboden bandkloof. Deze defectenergieniveaus faciliteren een recombinatieproces in twee stappen: een elektron ontspant zich eerst van de geleidingsband naar het defectniveau en vervolgens naar de valentieband, waar het recombineert met een gat. Dit proces bevordert recombinatie zeer effectief en kan de prestaties van zonnecellen aanzienlijk beïnvloeden.
4. Oppervlakterecombinatie
Het oppervlak van een halfgeleider kan worden gezien als een gebied met een hoge concentratie defecten als gevolg van de beëindiging van de kristalstructuur. Deze oppervlaktedefecten creëren talrijke energietoestanden binnen de verboden bandkloof, waar recombinatie gemakkelijk kan optreden. Oppervlakterecombinatie is een belangrijke factor omdat de kristalstructuur aan het oppervlak zeer onregelmatig is, waardoor recombinatie in deze gebieden waarschijnlijker is.
Conclusie
In praktische zonnecellen dragen deze recombinatiemechanismen bij aan algehele prestatieverliezen. De taak voor celontwerpers is om deze verliezen te minimaliseren om de efficiëntie te verbeteren. Elk recombinatieproces brengt verschillende uitdagingen met zich mee, en het overwinnen hiervan door middel van materiaalselectie, oppervlaktepassivering en geoptimaliseerde doteringsniveaus is essentieel voor het verbeteren van de prestaties van zonnecellen. Bovendien onderscheiden verschillende ontwerpkenmerken de diverse commerciële zonnecellen op de markt, wat van invloed is op hun efficiëntie en toepassingspotentieel.
