L'efficienza delle celle solari si riduce quando le coppie elettrone-lacuna si ricombinano prima di poter essere utilizzate efficacemente. Quando il semiconduttore assorbe la luce alla lunghezza d'onda appropriata, si generano coppie elettrone-lacuna. Sotto illuminazione, la concentrazione dei portatori di carica nel materiale supera il suo valore di equilibrio. Una volta rimossa la sorgente luminosa, la concentrazione dei portatori di carica ritorna al suo stato di equilibrio in un processo comunemente chiamato ricombinazione. Di seguito sono riportati diversi meccanismi di ricombinazione:
1. Ricombinazione radiativa
La ricombinazione radiativa è il processo inverso dell'assorbimento di luce, in cui un elettrone passa da uno stato ad alta energia a uno stato a energia inferiore, rilasciando l'energia in eccesso sotto forma di luce. Questo tipo di ricombinazione è significativo nei laser a semiconduttore e nei diodi a emissione di luce (LED), ma non è dominante nelle celle solari al silicio.
2. Ricombinazione di Auger
La ricombinazione di Auger è il processo inverso della ionizzazione da impatto. Quando un elettrone e una lacuna si ricombinano, l'energia in eccesso viene trasferita a un altro elettrone anziché essere rilasciata sotto forma di luce. L'elettrone eccitato ritorna quindi al suo stato originale, rilasciando fononi (energia vibrazionale). La ricombinazione di Auger diventa particolarmente pronunciata nei materiali fortemente drogati, soprattutto quando la concentrazione di impurità supera i 10¹⁷ cm⁻³, rendendola il processo di ricombinazione dominante in tali casi.
3. Ricombinazione assistita da trappole
Le impurità e i difetti nei semiconduttori creano livelli energetici consentiti all'interno della banda proibita. Questi livelli energetici di difetto facilitano un processo di ricombinazione in due fasi: un elettrone si rilassa prima dalla banda di conduzione al livello di difetto e poi alla banda di valenza, dove si ricombina con una lacuna. Questo processo è molto efficace nel promuovere la ricombinazione e può influenzare significativamente le prestazioni delle celle solari.
4. Ricombinazione di superficie
La superficie di un semiconduttore può essere vista come un'area con un'elevata concentrazione di difetti dovuti alla terminazione della struttura cristallina. Questi difetti superficiali creano numerosi stati energetici all'interno della banda proibita, dove la ricombinazione può avvenire facilmente. La ricombinazione superficiale è un fattore significativo perché la struttura cristallina in superficie è altamente irregolare, il che rende la ricombinazione più probabile in queste regioni.
Conclusione
Nelle celle solari reali, questi meccanismi di ricombinazione contribuiscono alle perdite di prestazioni complessive. Il compito dei progettisti di celle è quello di minimizzare queste perdite per migliorare l'efficienza. Ogni processo di ricombinazione presenta sfide diverse, e superarle attraverso la selezione dei materiali, la passivazione superficiale e livelli di drogaggio ottimizzati è essenziale per migliorare le prestazioni delle celle solari. Inoltre, le diverse caratteristiche di progettazione differenziano le varie celle solari commerciali presenti sul mercato, influenzandone l'efficienza e il potenziale applicativo.
