Wydajność ogniw słonecznych spada, gdy pary elektronowo-dziurowe ulegają rekombinacji, zanim będą mogły zostać efektywnie wykorzystane. Gdy półprzewodnik absorbuje światło o odpowiedniej długości fali, powstają pary elektronowo-dziurowe. Pod wpływem oświetlenia stężenie nośników w materiale przekracza wartość równowagową. Po odsunięciu źródła światła stężenie nośników spada z powrotem do stanu równowagowego w procesie powszechnie nazywanym rekombinacją. Poniżej przedstawiono kilka różnych mechanizmów rekombinacji:
1. Rekombinacja radiacyjna
Rekombinacja radiacyjna to proces odwrotny do absorpcji światła, w którym elektron przechodzi ze stanu wysokoenergetycznego z powrotem do stanu niskoenergetycznego, uwalniając nadmiar energii w postaci światła. Ten rodzaj rekombinacji jest istotny w laserach półprzewodnikowych i diodach elektroluminescencyjnych (LED), ale nie dominuje w krzemowych ogniwach słonecznych.
2. Rekombinacja świdra
Rekombinacja Augera to proces odwrotny do jonizacji uderzeniowej. Gdy elektron i dziura rekombinują, nadmiar energii jest przekazywany innemu elektronowi, zamiast być uwalniany w postaci światła. Wzbudzony elektron powraca następnie do stanu pierwotnego, uwalniając fonony (energię wibracyjną). Rekombinacja Augera staje się szczególnie wyraźna w materiałach silnie domieszkowanych, zwłaszcza gdy stężenie domieszek przekracza 10¹⁷ cm⁻³, co czyni ją dominującym procesem rekombinacji w takich przypadkach.
3. Rekombinacja wspomagana pułapką
Domieszki i defekty w półprzewodnikach tworzą dozwolone poziomy energetyczne w obrębie przerwy zabronionej. Te poziomy energetyczne defektów umożliwiają dwuetapowy proces rekombinacji: elektron najpierw relaksuje się z pasma przewodnictwa do poziomu defektu, a następnie do pasma walencyjnego, gdzie rekombinuje z dziurą. Proces ten jest wysoce skuteczny w promowaniu rekombinacji i może znacząco wpłynąć na wydajność ogniw słonecznych.
4. Rekombinacja powierzchni
Powierzchnię półprzewodnika można postrzegać jako obszar o dużej koncentracji defektów, wynikających z zakończenia struktury krystalicznej. Te defekty powierzchniowe tworzą liczne stany energetyczne w obrębie przerwy zabronionej, gdzie rekombinacja może łatwo zajść. Rekombinacja powierzchniowa jest istotnym czynnikiem, ponieważ struktura krystaliczna na powierzchni jest bardzo nieregularna, co zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia rekombinacji w tych obszarach.
Wniosek
W praktycznych ogniwach słonecznych te mechanizmy rekombinacji przyczyniają się do strat wydajności. Zadaniem projektantów ogniw jest minimalizacja tych strat w celu poprawy wydajności. Każdy proces rekombinacji wiąże się z innymi wyzwaniami, a ich pokonanie poprzez dobór materiałów, pasywację powierzchni i zoptymalizowane poziomy domieszkowania jest niezbędne do poprawy wydajności ogniw słonecznych. Ponadto, różne cechy konstrukcyjne odróżniają różne komercyjne ogniwa słoneczne dostępne na rynku, wpływając na ich wydajność i potencjał zastosowania.
