La eficiencia de las células solares disminuye cuando los pares electrón-hueco se recombinan antes de poder ser utilizados eficazmente. Al absorber luz en la longitud de onda adecuada, se generan pares electrón-hueco en el semiconductor. Bajo iluminación, la concentración de portadores en el material supera su valor de equilibrio. Una vez que se retira la fuente de luz, la concentración de portadores vuelve a su estado de equilibrio en un proceso conocido como recombinación. A continuación, se describen varios mecanismos de recombinación:
1. Recombinación radiativa
La recombinación radiativa es el proceso inverso a la absorción de luz, donde un electrón transita de un estado de alta energía a uno de menor energía, liberando el exceso de energía en forma de luz. Este tipo de recombinación es importante en los láseres semiconductores y los diodos emisores de luz (LED), pero no predomina en las células solares de silicio.
2. Recombinación Auger
La recombinación Auger es el proceso inverso de la ionización por impacto. Cuando un electrón y un hueco se recombinan, el exceso de energía se transfiere a otro electrón en lugar de liberarse como luz. El electrón excitado regresa entonces a su estado original, liberando fonones (energía vibracional). La recombinación Auger se vuelve particularmente pronunciada en materiales fuertemente dopados, especialmente cuando la concentración de impurezas supera los 10¹⁷ cm⁻³, convirtiéndose así en el proceso de recombinación dominante en tales casos.
3. Recombinación asistida por trampas
Las impurezas y los defectos en los semiconductores crean niveles de energía permitidos dentro de la banda prohibida. Estos niveles de energía de defecto facilitan un proceso de recombinación en dos etapas: un electrón primero se relaja desde la banda de conducción al nivel de defecto y luego a la banda de valencia, donde se recombina con un hueco. Este proceso es altamente efectivo para promover la recombinación y puede afectar significativamente el rendimiento de las células solares.
4. Recombinación superficial
La superficie de un semiconductor puede considerarse una zona con una alta concentración de defectos debido a la terminación de su estructura cristalina. Estos defectos superficiales generan numerosos estados de energía dentro de la banda prohibida, donde la recombinación puede ocurrir fácilmente. La recombinación superficial es un factor importante, ya que la estructura cristalina en la superficie es muy irregular, lo que aumenta la probabilidad de que ocurra en estas regiones.
Conclusión
En las células solares prácticas, estos mecanismos de recombinación contribuyen a la pérdida de rendimiento general. La tarea de los diseñadores de células es minimizar estas pérdidas para mejorar la eficiencia. Cada proceso de recombinación presenta diferentes desafíos, y superarlos mediante la selección de materiales, la pasivación de la superficie y la optimización de los niveles de dopaje es esencial para mejorar el rendimiento de las células solares. Además, las distintas características de diseño diferencian las diversas células solares comerciales en el mercado, influyendo en su eficiencia y potencial de aplicación.
