太陽電池の効率は、電子・正孔対が効果的に利用される前に再結合してしまうと低下します。半導体が適切な波長の光を吸収すると、電子・正孔対が生成されます。光照射下では、材料中のキャリア濃度が平衡値を超えます。光源が除去されると、キャリア濃度は平衡状態に戻ります。この過程は一般的に再結合と呼ばれます。以下に、いくつかの異なる再結合メカニズムを示します。
1. 放射再結合
放射再結合は光吸収過程の逆であり、電子が高エネルギー状態から低エネルギー状態へ遷移する際に、余剰エネルギーを光として放出する。このタイプの再結合は半導体レーザーや発光ダイオード（LED）において重要であるが、シリコン太陽電池では支配的ではない。
2. オージェ再結合
オージェ再結合は、衝撃電離の逆過程です。電子と正孔が再結合する際、余剰エネルギーは光として放出されるのではなく、別の電子に伝達されます。励起された電子はその後、元の状態に戻り、フォノン（振動エネルギー）を放出します。オージェ再結合は、特に不純物濃度が10¹⁷ cm⁻³を超えるような高濃度ドープ材料で顕著になり、そのような場合には主要な再結合過程となります。
3. トラップアシスト組換え
半導体中の不純物や欠陥は、禁制帯ギャップ内に許容エネルギー準位を作り出します。これらの欠陥エネルギー準位は、2段階の再結合プロセスを促進します。まず電子が伝導帯から欠陥準位へ緩和し、次に価電子帯へ緩和して正孔と再結合します。このプロセスは再結合を促進する上で非常に効果的であり、太陽電池の性能に大きな影響を与える可能性があります。
4. 表面再結合
半導体の表面は、結晶構造の終端に起因する欠陥が高密度に存在する領域と見なすことができます。これらの表面欠陥は、禁制帯ギャップ内に多数のエネルギー準位を作り出し、そこで再結合が容易に起こります。表面再結合は重要な要素です。なぜなら、表面の結晶構造は非常に不規則であるため、これらの領域で再結合が起こりやすくなるからです。
結論
実用的な太陽電池では、これらの再結合メカニズムが全体的な性能低下の一因となります。セル設計者の課題は、これらの損失を最小限に抑え、効率を向上させることです。各再結合プロセスにはそれぞれ異なる課題があり、材料選択、表面パッシベーション、および最適化されたドーピングレベルによってこれらの課題を克服することが、太陽電池の性能向上に不可欠です。さらに、市場に出回っている様々な市販太陽電池は、それぞれ異なる設計上の特徴によって差別化されており、その効率と応用可能性に影響を与えています。
