Eficiența celulelor solare este redusă atunci când perechile electron-gaură se recombină înainte de a putea fi utilizate eficient. Când semiconductorul absoarbe lumina la lungimea de undă corespunzătoare, se generează perechi electron-gaură. Sub iluminare, concentrația purtătorilor de sarcină din material depășește valoarea sa de echilibru. Odată ce sursa de lumină este îndepărtată, concentrația purtătorilor de sarcină scade înapoi la starea sa de echilibru într-un proces denumit în mod obișnuit recombinare. Mai jos sunt prezentate câteva mecanisme diferite de recombinare:
1. Recombinarea radiativă
Recombinarea radiativă este inversul procesului de absorbție a luminii, în care un electron trece de la o stare de energie ridicată înapoi la o stare de energie mai scăzută, eliberând excesul de energie sub formă de lumină. Acest tip de recombinare este semnificativ în laserele semiconductoare și diodele emițătoare de lumină (LED-uri), dar nu este dominant în celulele solare din siliciu.
2. Recombinarea Auger
Recombinarea Auger este procesul invers ionizării prin impact. Când un electron și o gaură se recombină, excesul de energie este transferat către un alt electron în loc să fie eliberat sub formă de lumină. Electronul excitat se relaxează apoi înapoi la starea sa inițială, eliberând fononi (energie vibrațională). Recombinarea Auger devine deosebit de pronunțată în materialele puternic dopate, în special atunci când concentrația de impurități depășește 10¹⁷ cm⁻³, ceea ce o face procesul de recombinare dominant în astfel de cazuri.
3. Recombinare asistată de capcane
Impuritățile și defectele din semiconductori creează niveluri de energie permise în interiorul benzii interzise. Aceste niveluri de energie ale defectelor facilitează un proces de recombinare în doi pași: un electron se relaxează mai întâi din banda de conducție la nivelul defectului și apoi la banda de valență, unde se recombină cu o gaură. Acest proces este extrem de eficient în promovarea recombinării și poate afecta semnificativ performanța celulelor solare.
4. Recombinarea suprafeței
Suprafața unui semiconductor poate fi văzută ca o zonă cu o concentrație mare de defecte din cauza terminării structurii cristaline. Aceste defecte de suprafață creează numeroase stări energetice în interiorul benzii interzise, unde recombinarea poate avea loc cu ușurință. Recombinarea de suprafață este un factor semnificativ deoarece structura cristalină de la suprafață este foarte neregulată, ceea ce face ca recombinarea să aibă loc mai probabil în aceste regiuni.
Concluzie
În celulele solare practice, aceste mecanisme de recombinare contribuie la pierderile generale de performanță. Sarcina proiectanților de celule este de a minimiza aceste pierderi pentru a îmbunătăți eficiența. Fiecare proces de recombinare prezintă provocări diferite, iar depășirea acestora prin selecția materialelor, pasivizarea suprafeței și niveluri optimizate de dopare este esențială pentru îmbunătățirea performanței celulelor solare. În plus, caracteristici distincte de design diferențiază diversele celule solare comerciale de pe piață, influențând eficiența și potențialul lor de aplicare.
