ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์จะลดลงเมื่อคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลรวมตัวกันใหม่ก่อนที่จะสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อสารกึ่งตัวนำดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นที่เหมาะสม จะเกิดคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลขึ้น ภายใต้การส่องสว่าง ความเข้มข้นของตัวนำในวัสดุจะเกินค่าสมดุล เมื่อแหล่งกำเนิดแสงถูกกำจัดออกไป ความเข้มข้นของตัวนำจะลดลงกลับสู่สภาวะสมดุลในกระบวนการที่เรียกกันทั่วไปว่าการรวมตัวกันใหม่ กลไกการรวมตัวกันใหม่ที่แตกต่างกันหลายแบบมีดังต่อไปนี้:
1. การรวมตัวใหม่แบบแผ่รังสี
การรวมตัวกันใหม่แบบแผ่รังสีเป็นกระบวนการตรงกันข้ามกับการดูดกลืนแสง โดยอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนสถานะจากสถานะพลังงานสูงกลับไปยังสถานะพลังงานต่ำกว่า ปล่อยพลังงานส่วนเกินออกมาในรูปของแสง การรวมตัวกันใหม่แบบนี้มีความสำคัญในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และไดโอดเปล่งแสง (LED) แต่ไม่ใช่กระบวนการหลักในเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน
2. ปฏิกิริยาการรวมตัวใหม่ของออเกอร์
การรวมตัวแบบออเกอร์ (Auger recombination) เป็นกระบวนการย้อนกลับของการแตกตัวเป็นไอออนจากการชน (impact ionization) เมื่ออิเล็กตรอนและโฮลรวมตัวกัน พลังงานส่วนเกินจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนอีกตัวแทนที่จะถูกปล่อยออกมาเป็นแสง จากนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นจะคลายตัวกลับสู่สถานะเดิมโดยปล่อยโฟนอน (พลังงานการสั่น) ออกมา การรวมตัวแบบออเกอร์จะเด่นชัดเป็นพิเศษในวัสดุที่มีการเจือปนสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความเข้มข้นของสิ่งเจือปนเกิน 10¹⁷ cm⁻³ ทำให้เป็นกระบวนการรวมตัวที่เด่นในกรณีดังกล่าว
3. การรวมตัวใหม่โดยอาศัยกับดัก
สิ่งเจือปนและข้อบกพร่องในสารกึ่งตัวนำสร้างระดับพลังงานที่อนุญาตภายในช่องว่างพลังงานต้องห้าม ระดับพลังงานของข้อบกพร่องเหล่านี้อำนวยความสะดวกให้กับกระบวนการรวมตัวใหม่แบบสองขั้นตอน กล่าวคือ อิเล็กตรอนจะคลายตัวจากแถบนำไฟฟ้าไปยังระดับข้อบกพร่องก่อน แล้วจึงไปยังแถบวาเลนซ์ ซึ่งจะรวมตัวกับโฮล กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูงในการส่งเสริมการรวมตัวใหม่และสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์
4. การรวมตัวใหม่บนพื้นผิว
พื้นผิวของสารกึ่งตัวนำสามารถมองได้ว่าเป็นบริเวณที่มีความเข้มข้นของข้อบกพร่องสูง เนื่องจากการสิ้นสุดของโครงสร้างผลึก ข้อบกพร่องที่พื้นผิวเหล่านี้สร้างสถานะพลังงานจำนวนมากภายในช่องว่างแถบพลังงานต้องห้าม ซึ่งการรวมตัวใหม่สามารถเกิดขึ้นได้ง่าย การรวมตัวใหม่ที่พื้นผิวเป็นปัจจัยสำคัญ เนื่องจากโครงสร้างผลึกที่พื้นผิวมีความไม่สม่ำเสมอสูง ทำให้การรวมตัวใหม่มีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในบริเวณเหล่านี้มากขึ้น
บทสรุป
ในเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้งานจริง กลไกการรวมตัวใหม่เหล่านี้ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลง หน้าที่ของผู้ออกแบบเซลล์คือการลดการสูญเสียเหล่านี้ให้น้อยที่สุดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ กระบวนการรวมตัวใหม่แต่ละแบบนำเสนอความท้าทายที่แตกต่างกัน และการเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ผ่านการเลือกวัสดุ การปรับสภาพพื้นผิว และระดับการเจือปนที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ นอกจากนี้ คุณลักษณะการออกแบบที่แตกต่างกันยังทำให้เซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์ต่างๆ ในตลาดมีความแตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและศักยภาพในการใช้งาน
