A eficiência das células solares é reduzida quando os pares elétron-lacuna se recombinam antes de serem efetivamente utilizados. Quando o semicondutor absorve luz no comprimento de onda apropriado, pares elétron-lacuna são gerados. Sob iluminação, a concentração de portadores no material excede seu valor de equilíbrio. Assim que a fonte de luz é removida, a concentração de portadores retorna ao seu estado de equilíbrio em um processo comumente chamado de recombinação. Abaixo estão alguns mecanismos de recombinação diferentes:
1. Recombinação radiativa
A recombinação radiativa é o inverso do processo de absorção de luz, onde um elétron transita de um estado de alta energia para um estado de energia mais baixa, liberando o excesso de energia na forma de luz. Esse tipo de recombinação é significativo em lasers semicondutores e diodos emissores de luz (LEDs), mas não é predominante em células solares de silício.
2. Recombinação Auger
A recombinação Auger é o processo inverso da ionização por impacto. Quando um elétron e um buraco se recombinam, o excesso de energia é transferido para outro elétron em vez de ser liberado como luz. O elétron excitado então retorna ao seu estado original, liberando fônons (energia vibracional). A recombinação Auger torna-se particularmente pronunciada em materiais fortemente dopados, especialmente quando a concentração de impurezas excede 10¹⁷ cm⁻³, tornando-se o processo de recombinação dominante nesses casos.
3. Recombinação Assistida por Armadilha
Impurezas e defeitos em semicondutores criam níveis de energia permitidos dentro da banda proibida. Esses níveis de energia de defeito facilitam um processo de recombinação em duas etapas: um elétron primeiro relaxa da banda de condução para o nível de defeito e, em seguida, para a banda de valência, onde se recombina com uma lacuna. Esse processo é altamente eficaz na promoção da recombinação e pode afetar significativamente o desempenho das células solares.
4. Recombinação de superfície
A superfície de um semicondutor pode ser vista como uma área com alta concentração de defeitos devido à terminação da estrutura cristalina. Esses defeitos superficiais criam inúmeros estados de energia dentro da banda proibida, onde a recombinação pode ocorrer facilmente. A recombinação superficial é um fator significativo porque a estrutura cristalina na superfície é altamente irregular, tornando a recombinação mais provável nessas regiões.
Conclusão
Em células solares práticas, esses mecanismos de recombinação contribuem para perdas no desempenho geral. A tarefa dos projetistas de células é minimizar essas perdas para melhorar a eficiência. Cada processo de recombinação apresenta desafios diferentes, e superá-los por meio da seleção de materiais, passivação de superfície e níveis de dopagem otimizados é essencial para aprimorar o desempenho das células solares. Além disso, características de projeto distintas diferenciam as diversas células solares comerciais no mercado, influenciando sua eficiência e potencial de aplicação.
