تنخفض كفاءة الخلايا الشمسية عندما تتحد أزواج الإلكترون-فجوة قبل أن تُستغل بكفاءة. عندما يمتص شبه الموصل الضوء عند الطول الموجي المناسب، تتولد أزواج الإلكترون-فجوة. تحت تأثير الإضاءة، يتجاوز تركيز حاملات الشحنة في المادة قيمة التوازن. بمجرد إزالة مصدر الضوء، يعود تركيز حاملات الشحنة إلى حالة التوازن في عملية تُعرف عادةً بإعادة التركيب. فيما يلي بعض آليات إعادة التركيب المختلفة:
1. إعادة التركيب الإشعاعي
إعادة التركيب الإشعاعي هي عكس عملية امتصاص الضوء، حيث ينتقل الإلكترون من حالة طاقة عالية إلى حالة طاقة منخفضة، مطلقًا الطاقة الزائدة على شكل ضوء. يُعد هذا النوع من إعادة التركيب مهمًا في ليزرات أشباه الموصلات والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs)، ولكنه ليس سائدًا في الخلايا الشمسية المصنوعة من السيليكون.
2. إعادة التركيب اللولبي
إعادة التركيب الأوجيري هي العملية العكسية للتأين التصادمي. فعندما يتحد إلكترون مع فجوة، تنتقل الطاقة الزائدة إلى إلكترون آخر بدلاً من أن تُطلق على شكل ضوء. ثم يعود الإلكترون المُثار إلى حالته الأصلية، مُطلقًا فونونات (طاقة اهتزازية). تبرز إعادة التركيب الأوجيري بشكل خاص في المواد المُطعّمة بكثافة عالية، لا سيما عندما يتجاوز تركيز الشوائب 10¹⁷ سم⁻³، مما يجعلها عملية إعادة التركيب السائدة في مثل هذه الحالات.
3. إعادة التركيب بمساعدة الفخاخ
تُنشئ الشوائب والعيوب في أشباه الموصلات مستويات طاقة مسموحة ضمن فجوة النطاق المحظورة. تُسهّل مستويات طاقة العيوب هذه عملية إعادة تركيب ثنائية المراحل: حيث ينتقل الإلكترون أولًا من نطاق التوصيل إلى مستوى العيب، ثم إلى نطاق التكافؤ، حيث يُعاد تركيبه مع فجوة. تُعدّ هذه العملية فعّالة للغاية في تعزيز إعادة التركيب، ويمكن أن تؤثر بشكل كبير على أداء الخلايا الشمسية.
4. إعادة التركيب السطحي
يمكن اعتبار سطح أشباه الموصلات منطقة ذات تركيز عالٍ من العيوب نتيجةً لنهايات البنية البلورية. تُنشئ هذه العيوب السطحية مستويات طاقة متعددة ضمن فجوة النطاق المحظورة، حيث يسهل حدوث إعادة التركيب. يُعدّ إعادة التركيب السطحي عاملاً مهماً لأن البنية البلورية على السطح غير منتظمة للغاية، مما يزيد من احتمالية حدوث إعادة التركيب في هذه المناطق.
خاتمة
في الخلايا الشمسية العملية، تُسهم آليات إعادة التركيب هذه في انخفاض الأداء العام. ويتمثل دور مصممي الخلايا في تقليل هذا الانخفاض لتحسين الكفاءة. تُمثل كل عملية إعادة تركيب تحديات مختلفة، ويُعد التغلب عليها من خلال اختيار المواد، وتخميل السطح، ومستويات التطعيم المُثلى أمرًا ضروريًا لتعزيز أداء الخلايا الشمسية. بالإضافة إلى ذلك، تُميز خصائص التصميم المختلفة الخلايا الشمسية التجارية المتوفرة في السوق، مما يؤثر على كفاءتها وإمكانية استخدامها.
