Эффективность солнечных элементов снижается, когда электронно-дырочные пары рекомбинируют до того, как их можно будет эффективно использовать. Когда полупроводник поглощает свет соответствующей длины волны, генерируются электронно-дырочные пары. Под воздействием освещения концентрация носителей заряда в материале превышает его равновесное значение. После прекращения воздействия света концентрация носителей заряда возвращается к своему равновесному состоянию в процессе, обычно называемом рекомбинацией. Ниже приведены несколько различных механизмов рекомбинации:
1. Радиационная рекомбинация
Радиационная рекомбинация — это обратный процесс поглощения света, при котором электрон переходит из высокоэнергетического состояния обратно в низкоэнергетическое, высвобождая избыточную энергию в виде света. Этот тип рекомбинации имеет важное значение в полупроводниковых лазерах и светодиодах (LED), но не является доминирующим в кремниевых солнечных элементах.
2. Рекомбинация Оже
Оже-рекомбинация — это обратный процесс ударной ионизации. При рекомбинации электрона и дырки избыточная энергия передается другому электрону, а не высвобождается в виде света. Затем возбужденный электрон возвращается в исходное состояние, высвобождая фононы (вибрационную энергию). Оже-рекомбинация становится особенно выраженной в сильно легированных материалах, особенно когда концентрация примесей превышает 10¹⁷ см⁻³, что делает ее доминирующим процессом рекомбинации в таких случаях.
3. Рекомбинация с участием ловушек
Примеси и дефекты в полупроводниках создают разрешенные энергетические уровни внутри запрещенной зоны. Эти дефектные энергетические уровни способствуют двухступенчатому процессу рекомбинации: электрон сначала релаксирует из зоны проводимости на уровень дефекта, а затем в валентную зону, где рекомбинирует с дыркой. Этот процесс очень эффективен для стимулирования рекомбинации и может существенно влиять на производительность солнечных элементов.
4. Поверхностная рекомбинация
Поверхность полупроводника можно рассматривать как область с высокой концентрацией дефектов, обусловленных завершением кристаллической структуры. Эти поверхностные дефекты создают многочисленные энергетические состояния в запрещенной зоне, где легко происходит рекомбинация. Поверхностная рекомбинация является важным фактором, поскольку кристаллическая структура на поверхности сильно нерегулярна, что делает рекомбинацию более вероятной в этих областях.
Заключение
В практических солнечных элементах эти механизмы рекомбинации приводят к общим потерям производительности. Задача разработчиков элементов — минимизировать эти потери для повышения эффективности. Каждый процесс рекомбинации представляет собой различные проблемы, и их преодоление посредством выбора материалов, пассивации поверхности и оптимизации уровней легирования имеет важное значение для повышения производительности солнечных элементов. Кроме того, различные конструктивные особенности отличают разные коммерческие солнечные элементы на рынке, влияя на их эффективность и потенциал применения.
