Ефективність сонячних елементів знижується, коли електрон-діркові пари рекомбінують, перш ніж їх можна ефективно використовувати. Коли напівпровідник поглинає світло на відповідній довжині хвилі, генеруються електрон-діркові пари. Під впливом освітлення концентрація носіїв у матеріалі перевищує своє рівноважне значення. Після видалення джерела світла концентрація носіїв повертається до рівноважного стану в процесі, який зазвичай називають рекомбінацією. Нижче наведено кілька різних механізмів рекомбінації:
1. Радіаційна рекомбінація
Радіаційна рекомбінація є процесом, зворотним до поглинання світла, коли електрон переходить з високоенергетичного стану назад у нижчий, вивільняючи надлишкову енергію у вигляді світла. Цей тип рекомбінації є значним у напівпровідникових лазерах та світлодіодах (LED), але не є домінуючим у кремнієвих сонячних елементах.
2. Оже-рекомбінація
Оже-рекомбінація — це процес, зворотний ударній іонізації. Коли електрон і дірка рекомбінують, надлишкова енергія передається іншому електрону замість того, щоб вивільнятися у вигляді світла. Збуджений електрон потім релаксує назад до свого початкового стану, вивільняючи фонони (коливальну енергію). Оже-рекомбінація стає особливо вираженою в сильно легованих матеріалах, особливо коли концентрація домішок перевищує 10¹⁷ см⁻³, що робить її домінуючим процесом рекомбінації в таких випадках.
3. Рекомбінація з використанням пасток
Домішки та дефекти в напівпровідниках створюють дозволені рівні енергії в межах забороненої зони. Ці рівні енергії дефектів сприяють двоступеневому процесу рекомбінації: електрон спочатку релаксує із зони провідності на рівень дефекту, а потім у валентну зону, де він рекомбінує з діркою. Цей процес є дуже ефективним у сприянні рекомбінації та може суттєво впливати на продуктивність сонячних елементів.
4. Поверхнева рекомбінація
Поверхню напівпровідника можна розглядати як область з високою концентрацією дефектів через обрив кристалічної структури. Ці поверхневі дефекти створюють численні енергетичні стани в межах забороненої зони, де може легко відбуватися рекомбінація. Поверхнева рекомбінація є важливим фактором, оскільки кристалічна структура на поверхні є дуже нерегулярною, що робить рекомбінацію більш імовірною в цих областях.
Висновок
У практичних сонячних елементах ці механізми рекомбінації сприяють загальним втратам продуктивності. Завдання розробників елементів полягає в мінімізації цих втрат для підвищення ефективності. Кожен процес рекомбінації створює різні проблеми, і їх подолання шляхом вибору матеріалу, пасивації поверхні та оптимізованого рівня легування є важливим для підвищення продуктивності сонячних елементів. Крім того, різні комерційні сонячні елементи на ринку відрізняються різними конструктивними особливостями, впливаючи на їхню ефективність та потенціал застосування.
