Solcellers effektivitet minskar när elektron-hål-par rekombineras innan de kan utnyttjas effektivt. När halvledaren absorberar ljus vid lämplig våglängd genereras elektron-hål-par. Under belysning överstiger bärarkoncentrationen i materialet dess jämviktsvärde. När ljuskällan avlägsnas sjunker bärarkoncentrationen tillbaka till sitt jämviktstillstånd i en process som vanligtvis kallas rekombination. Nedan följer flera olika rekombinationsmekanismer:
1. Radiativ rekombination
Radiativ rekombination är motsatsen till ljusabsorptionsprocessen, där en elektron övergår från ett högenergitillstånd tillbaka till ett lägre energitillstånd och frigör överskottsenergin som ljus. Denna typ av rekombination är signifikant i halvledarlasrar och lysdioder (LED) men är inte dominerande i kiselsolceller.
2. Augerrekombination
Augerrekombination är den omvända processen till jonisering genom stötar. När en elektron och ett hål rekombineras överförs överskottsenergin till en annan elektron istället för att frigöras som ljus. Den exciterade elektronen återgår sedan till sitt ursprungliga tillstånd och frigör fononer (vibrationsenergi). Augerrekombination blir särskilt uttalad i kraftigt dopade material, särskilt när föroreningskoncentrationen överstiger 10¹⁷ cm⁻³, vilket gör den till den dominerande rekombinationsprocessen i sådana fall.
3. Fällassisterad rekombination
Föroreningar och defekter i halvledare skapar tillåtna energinivåer inom det förbjudna bandgapet. Dessa defekta energinivåer underlättar en tvåstegs rekombinationsprocess: en elektron relaxerar först från ledningsbandet till defektnivån och sedan till valensbandet, där den rekombinerar med ett hål. Denna process är mycket effektiv för att främja rekombination och kan avsevärt påverka solcellers prestanda.
4. Ytrekombination
Ytan på en halvledare kan ses som ett område med en hög koncentration av defekter på grund av kristallstrukturens terminering. Dessa ytdefekter skapar ett flertal energitillstånd inom det förbjudna bandgapet, där rekombination lätt kan ske. Ytrekombination är en viktig faktor eftersom kristallstrukturen på ytan är mycket oregelbunden, vilket gör rekombination mer sannolikt att inträffa i dessa områden.
Slutsats
I praktiska solceller bidrar dessa rekombinationsmekanismer till totala prestandaförluster. Uppgiften för cellkonstruktörer är att minimera dessa förluster för att förbättra effektiviteten. Varje rekombinationsprocess presenterar olika utmaningar, och att övervinna dessa genom materialval, ytpassivering och optimerade dopningsnivåer är avgörande för att förbättra solcellernas prestanda. Dessutom skiljer olika kommersiella solceller på marknaden åt genom distinkta designfunktioner, vilket påverkar deras effektivitet och tillämpningspotential.
