Die Effizienz von Solarzellen sinkt, wenn Elektron-Loch-Paare rekombinieren, bevor sie effektiv genutzt werden können. Absorbiert der Halbleiter Licht der entsprechenden Wellenlänge, entstehen Elektron-Loch-Paare. Unter Lichteinwirkung übersteigt die Ladungsträgerkonzentration im Material ihren Gleichgewichtswert. Nach Abschalten der Lichtquelle sinkt die Ladungsträgerkonzentration wieder auf ihren Gleichgewichtszustand ab – ein Prozess, der gemeinhin als Rekombination bezeichnet wird. Im Folgenden werden verschiedene Rekombinationsmechanismen beschrieben:
1. Strahlende Rekombination
Die strahlende Rekombination ist der umgekehrte Prozess der Lichtabsorption. Dabei wechselt ein Elektron von einem hochenergetischen Zustand zurück in einen niedrigeren Energiezustand und gibt die überschüssige Energie als Licht ab. Diese Art der Rekombination spielt eine wichtige Rolle in Halbleiterlasern und Leuchtdioden (LEDs), ist aber in Siliziumsolarzellen nicht dominant.
2. Auger-Rekombination
Die Auger-Rekombination ist der umgekehrte Prozess der Stoßionisation. Bei der Rekombination eines Elektrons und eines Lochs wird die überschüssige Energie auf ein anderes Elektron übertragen, anstatt als Licht freigesetzt zu werden. Das angeregte Elektron kehrt dann in seinen ursprünglichen Zustand zurück und setzt dabei Phononen (Schwingungsenergie) frei. Die Auger-Rekombination tritt besonders stark in hochdotierten Materialien auf, insbesondere wenn die Dotierungskonzentration 10¹⁷ cm⁻³ übersteigt, wodurch sie in solchen Fällen zum dominierenden Rekombinationsprozess wird.
3. Fallenunterstützte Rekombination
Verunreinigungen und Defekte in Halbleitern erzeugen erlaubte Energieniveaus innerhalb der verbotenen Bandlücke. Diese Defektniveaus ermöglichen einen zweistufigen Rekombinationsprozess: Ein Elektron relaxiert zunächst vom Leitungsband auf das Defektniveau und anschließend ins Valenzband, wo es mit einem Loch rekombiniert. Dieser Prozess fördert die Rekombination sehr effektiv und kann die Leistung von Solarzellen erheblich beeinflussen.
4. Oberflächenrekombination
Die Oberfläche eines Halbleiters kann aufgrund der Kristallstruktur als Bereich mit hoher Defektkonzentration betrachtet werden. Diese Oberflächendefekte erzeugen zahlreiche Energiezustände innerhalb der verbotenen Bandlücke, in denen Rekombination leicht auftreten kann. Oberflächenrekombination ist ein bedeutender Faktor, da die Kristallstruktur an der Oberfläche stark unregelmäßig ist, wodurch Rekombination in diesen Bereichen wahrscheinlicher wird.
Abschluss
In praktischen Solarzellen tragen diese Rekombinationsmechanismen zu Gesamtleistungsverlusten bei. Die Aufgabe der Zellentwickler besteht darin, diese Verluste zu minimieren, um die Effizienz zu steigern. Jeder Rekombinationsprozess birgt unterschiedliche Herausforderungen, deren Bewältigung durch Materialauswahl, Oberflächenpassivierung und optimierte Dotierungskonzentrationen essenziell für die Leistungssteigerung von Solarzellen ist. Darüber hinaus unterscheiden sich verschiedene kommerzielle Solarzellen auf dem Markt durch spezifische Designmerkmale, die ihre Effizienz und ihr Anwendungspotenzial beeinflussen.
