لا تحول الخلية الشمسية كل فوتون تمتصه إلى كهرباء مفيدة. فبعد أن يصنع الضوء شحنات متحركة، يجب على الجهاز فصلها وجمعها. ويختفي كثير منها قبل ذلك بسبب إعادة اتحاد الإلكترونات والفجوات.
من الفوتون إلى الشحنة
يضم شبه الموصل حالات مشغولة في نطاق التكافؤ وحالات أعلى طاقة في نطاق التوصيل. يستطيع فوتون يحمل طاقة كافية رفع إلكترون إلى نطاق التوصيل، ويترك وراءه حالة شاغرة تسمى الفجوة. ويمكن للإلكترون والفجوة التحرك والمساهمة في التيار إذا جمعهما المجال الداخلي للخلية والأقطاب في الوقت المناسب.
ماذا تعني إعادة الاتحاد؟
تحدث إعادة الاتحاد عندما يهبط إلكترون مثار إلى فجوة. قد تخرج الطاقة المخزنة في صورة فوتون، أو تتحول إلى اهتزازات في الشبكة البلورية، أو تنتقل عبر عيب في المادة. وبعد العملية لا يعود زوج الإلكترون والفجوة متاحا لتكوين تيار كهربائي.
ثلاثة مسارات مهمة
تطلق إعادة الاتحاد الإشعاعية ضوءا وترتبط بالانتقالات البصرية للمادة. وتستخدم إعادة الاتحاد بمساعدة العيوب شوائب أو نواقص بوصفها حالات وسيطة، وقد تهيمن في الأغشية والواجهات الضعيفة. أما إعادة اتحاد أوجيه فتنقل الطاقة إلى شحنة أخرى وتصبح مهمة عند كثافات الشحنات المرتفعة.
عمر الشحنة ليس الجهاز كله
يمنح العمر الأطول الشحنات فرصة أكبر للوصول إلى الأقطاب، لكنه لا يضمن كفاءة مرتفعة. يجب أن تتحرك الشحنات بسهولة، وأن تمتص المادة الجزء المفيد من طيف الشمس، وأن تفصل الواجهات الشحنات، وألا تضيف الأقطاب مقاومة أو عيوبا جديدة. قد تتفوق مادة في قياس واحد وتفشل داخل خلية مكتملة.
كيف يقيس الباحثون الفقد؟
تتبع تقنيات بصرية وتقنيات تيراهرتز محلولة زمنيا تغير إصدار الضوء أو التوصيل بعد نبضة ليزر قصيرة. ويساعد تغيير درجة الحرارة وشدة الإثارة على فصل إعادة الاتحاد الجوهرية عن الخسائر المرتبطة بالعيوب. ثم تكشف قياسات الجهاز ما إذا كانت الشحنات الأطول عمرا تزيد الجهد أو التيار أو كفاءة تحويل الطاقة.
لماذا يهم تصميم المادة؟
يستطيع الباحثون تقليل إعادة الاتحاد بتحسين جودة البلورة أو معالجة الأسطح أو هندسة الواجهات أو تغيير بنية نطاقات الطاقة. ويبقى الاختبار الحاسم هو جمع الشحنات في جهاز عامل. إن تباطؤ اضمحلال الشحنة في غشاء مختبري دليل واعد على مسار فقد واحد، لكنه لا يحل محل قياس خرج الخلية الشمسية ومتانتها.
