JP4881499B2 - 太陽電池の短絡部除去方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非晶質半導体などを用いた薄膜太陽電池に生じた短絡部を除去する装置および方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、上記薄膜太陽電池において、発電に寄与する光電変換半導体層を挟む基板側電極と裏面側電極の電極間に耐電圧以下の逆方向電圧を印加して、その際に発生したジュール熱により短絡部を除去または酸化して絶縁する装置および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5に薄膜太陽電池10の構造を示す。図5に示されるように、薄膜太陽電池10は、絶縁性基板1の一つの面に、第1の電極2、光電変換半導体層3、および第2の電極4をそれぞれ所定のパターンに加工して順次積層することにより構成される太陽電池セル5を複数設けた構造を有する。光電変換半導体層3は、たとえばpin接合を有するアモルファスシリコン系半導体層により構成されている。こうした構造により、太陽電池セル5aの第1の電極2aと隣接する太陽電池セル5bの第2の電極4b、太陽電池セル5bの第1の電極2bと隣接する太陽電池セル5cの第2の電極4cが直列に接続される。
【0003】
このような薄膜太陽電池において、例えば製造時に光電変換半導体層にピンホールが生じると、太陽電池セルの第1の電極と第2の電極とが短絡することがある。短絡が生じた太陽電池セルは発電に寄与しなくなるため、太陽電池の光電変換効率が低下する。この問題に対処するために、太陽電池セルの正負の電極間に逆方向電圧(逆バイアス電圧)を印加して短絡部を除去する処理(逆バイアス処理)が行われる。この処理では、光電変換半導体層に逆方向電圧を印加することにより短絡部に電流を集中させ、発生したジュール熱によって短絡部の金属を飛散させたり金属を酸化して絶縁体とすることにより短絡部を除去する。
【0004】
例えば図5において、太陽電池セル5bの光電変換半導体層3bに生じた第1の電極2bと第2の電極4bとの短絡部を除去する場合について説明する。この場合、太陽電池セル5bの第2の電極4bおよび隣接する太陽電池セル5cの第2の電極4c(この第2の電極4cは、太陽電池セル5bの第1の電極2bに直列接続されている)にそれぞれ第1および第2のプローブ6a、6bを接触させ、発電に寄与する光電変換半導体層3bを挟む第1の電極2bと第2の電極4b間に耐電圧以下の逆方向電圧を印加する。
【0005】
従来は、第1および第2のプローブ6a、6b間に直流の逆方向電圧またはパルス状の矩形波をなす逆方向電圧を供給することにより逆バイアス処理を実施していた。
【0006】
しかし、太陽電池はダイオードと等価である。このため、第1の電極2と第2の電極4間に逆方向電圧を印加すると、第1の電極2、光電変換半導体層3および第2の電極4からなる太陽電池セル5がコンデンサーとして働き、印加電圧を除いた後にも電荷が蓄積しやすい。そして、この蓄積電荷による電圧に起因して光電変換半導体層3の欠陥(短絡部)以外の弱い部分が破壊されることがあるという問題がわかってきた。さらに、最近になって、逆方向電圧の印加による電荷の蓄積は極めて容易に起こり、この蓄積電荷による悪影響が予想以上に大きいことがわかってきた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、薄膜太陽電池に逆方向電圧を印加して短絡部を除去する際に、電極間に電荷が蓄積される現象をできるだけ抑えて短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができる装置および方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
太陽電池の短絡部除去方法は、基板上に第1の電極層、半導体層、第2の電極層が順次形成された1又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に周波数が20〜1000Hzで、0.2秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有する逆方向電圧を印加し、前記波形が0Vの期間及びピーク値から0Vに近づく期間を複数有し、当該期間に、蓄積された電荷を放電することを特徴とする。この方法では、逆方向電圧の印加時間は、(1/逆方向電圧の周波数)秒以上であれば十分である。たとえば、本発明において逆方向電圧として周波数60Hzの正弦波を印加する場合、逆方向電圧の印加時間は1〜12サイクル時間に相当する。
【0010】
本発明の方法では、第1および第2の電極間に周期的に変化する波形を示す逆方向電圧を0.2秒以下という短時間だけ印加するので、太陽電池セルにおける電荷の蓄積を極力抑制でき、かつ逆方向電圧が0Vの期間及びピーク値から0Vに近づく期間に蓄積された電荷を効果的に放電できるので、蓄積電荷に起因して短絡部以外の個所が破壊されるのを抑制できる。
【0011】
本発明の方法においては、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧を0.2秒以下の時間だけ印加する操作を、逆方向電圧のピーク値を順次増加させながら繰り返してもよい。
【0012】
本発明の方法において、前記逆方向電圧の波形としては、正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波が用いられる。なお、逆方向電圧は、逆方向成分を主として、一部順方向成分を含んでいてもよい。
【0013】
なお、逆方向電圧の周波数は、太陽電池の容量Cと逆方向の抵抗Rで定義される時定数にマッチングさせることが好ましい。逆方向電圧の周波数を上記のように設定すると、印加電圧の波形を電源電圧の波形に追随させることができる。具体的には、逆方向電圧の周波数は20〜1000Hz、さらに50〜120Hzの範囲に設定される。
別の太陽電池の短絡部除去方法は、基板上に第1の電極層、半導体層、第2の電極層が順次形成された1又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に逆方向電圧および直流順方向電圧を交互に印加し、当該逆方向電圧が0.2秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有していることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明に係る太陽電池の短絡部除去装置を図1を参照して説明する。
【0015】
図1における薄膜太陽電池10は、図5と同様に、絶縁性基板1上に、第1の電極2、光電変換半導体層3および第2の電極4をそれぞれ所定のパターンに加工して順次積層することにより構成される太陽電池セル5を複数設けた構造を有し、各太陽電池セル5a、5bは互いに直列に接続されている。
【0016】
絶縁性基板1としてガラス基板や透明性樹脂基板などを用いた場合、第1の電極2としてはITO(Indium Tin Oxide:酸化錫を混入した酸化インジウム)などの透明電極材料が、第2の電極4としては金属電極材料が用いられる。一方、絶縁性基板1として透光性を示さない基板材料を用いた場合、第1の電極2としては金属電極材料が、第2の電極4としては透明電極材料が用いられる。
【0017】
半導体層3としては、非晶質シリコン系半導体の場合、非晶質シリコン、水素化非晶質シリコン、水素化非晶質シリコンカーバイド、非晶質シリコンナイトライドなどのほか、シリコンとゲルマニウムや錫などの他の金属との非晶質シリコン系合金などの材料が用いられる。また、半導体層はシリコン系に限られず、CdS系、GaAs系、InP系などの材料を用いて構成してもよい。これらの非晶質半導体層または微結晶半導体層はpin型、nip型、ni型、pn型、MIS型、ヘテロ接合型、ホモ接合型、ショットキーバリアー型またはこれらを組み合わせた形をなすように構成される。
【0018】
本発明に係る太陽電池の短絡部除去装置の一例を具体的に説明する。図1に示されるように、太陽電池セル5aの第1の電極2aおよび隣接する太陽電池セル5bの第2の電極4bに接触するように、それぞれ第1のプローブ6aおよび第2のプローブ6bが押圧される。これらのプローブ6aおよびプローブ6bには、ファンクションジネレータ11から増幅器(電流リミッタ内蔵)12を介して周期的に変化する波形を示す逆バイアス電圧が印加される。ファンクションジネレータ11から発生される逆方向電圧の印加時間はコンピュータ13により制御される。また、プローブ6aと増幅器12との間の配線には抵抗14が挿入され、この抵抗14の両端にかかる電圧がデジタルボルトメータ15により測定される。デジタルボルトメータ15により測定された逆方向電圧のピーク値はコンピュータ13に入力され、ファンクションジネレータ11へフィードバックされて、所定のピーク値を有する逆方向電圧が印加されるように制御される。さらにコンピュータ13により、太陽電池10が載置されているテーブル(図示せず)のX−Y移動、およびテーブルまたはプローブ機構の昇降が制御される。
【0019】
本発明において、ファンクションジェネレータから第1および第2のプローブを通して太陽電池セルの正負の両極間に供給される、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧の波形の例を図2(A)〜(C)に示す。図2(A)に示す逆方向電圧の波形は正弦波である。図2(B)に示す逆方向電圧の波形は正弦波の半波である。図2(C)に示す逆方向電圧の波形はノコギリ波である。本発明においては、逆方向電圧の印加時間(図2においてT1で表示)を0.2秒以下に設定する。
【0020】
このように、逆方向電圧の印加時間が0.2秒以下と非常に短いので、電荷が蓄積されにくくなる。また、上記のような波形を示す逆方向電圧を印加することによって、逆方向電圧値がピーク値から徐々に0V近傍に近づくにつれて、第1および第2の電極2、4間に蓄積された電荷を減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【0021】
本発明において、ファンクションジェネレータから第1および第2のプローブを通して太陽電池セルの正負の両極間に供給される、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧は、逆方向成分を主として、一部順方向成分を含んでいてもよい。このような逆方向電圧の波形を図3(A)〜(D)に示す。図3(A)に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む正弦波である。図3(B)に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む正弦波の半波である。図3(C)に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含む矩形波である。図3(D)に示す逆方向電圧の波形は一部順方向成分を含むノコギリ波である。
【0022】
上記のような波形を示す逆方向電圧を印加すると、順方向成分の印加時に第1および第2の電極2、4間に蓄積された電荷をさらに減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【0023】
本発明においては、周期的に変化する波形を示す逆方向電圧を0.2秒以下の時間だけ印加する操作を、逆方向電圧のピーク値を順次増加させながら繰り返すことが好ましい。このような方法では以下のような利点が得られる。
【0024】
一般的に太陽電池セルの逆耐圧は8〜10Vである。こうした太陽電池セルに対して、最初から4V以上(耐電圧以下)の比較的高い逆方向電圧を印加すると、かえって短絡部が除去しにくい状態になることがある。すなわち、短絡部が除去されずに残っている状態では本来的に逆方向電圧とリーク電流(短絡部を流れる電流)とは比例してリニアなV−I特性を示し、短絡部が除去された後にリーク電流が急激に減少するはずである。しかし、最初からピーク値が高い逆方向電圧を印加した場合には観測されるリーク電流が想定したV−I特性の直線よりも大きくなることがある。こうした太陽電池セルに対して最初のピーク値よりも高いピーク値を有する逆方向電圧を印加しても、さらにリーク電流の増加傾向が顕著になり、短絡部をより一層除去しにくくなることが多い。
【0025】
これに対して、逆方向電圧のピーク値を低い値(具体的には2V以下)から高い値へと変化させながら本発明による短時間の逆バイアス処理を繰り返すと、リーク電流の変化の傾向から、その太陽電池セルの短絡部が除去可能であるか、または除去しにくくなる性質のものであるかを判断することができる。したがって、逆バイアス処理の続行または終了を適切に決定して、最適な逆バイアス処理が可能になる。
【0026】
さらに、図4に示すように、このような処理において、ある回の逆方向成分の印加時(T1)時間と、前回の逆方向電圧よりも高いピーク値を有する次の逆方向成分の印加時(T1)時間との間のT2時間に、−0.5V以下の順方向電圧を印加してもよい。なお、逆方向電圧の変化のさせ方は、図4に示す例に限らず、種々の態様が考えられる。
【0027】
このようにT2時間に順方向電圧を印加すれば、第1および第2の電極2、4間に蓄積された電荷をさらに減少させることができ、正常な部分の破壊を抑制できる。
【0028】
実際に、以下のように本発明の方法および従来の方法に従って、60個の太陽電池セルを直列に集積した太陽電池の各セルに対して逆バイアス処理を行い、効果を比較した。
【0029】
本発明の方法に従い、以下のようなスケジュールで逆方向電圧および順方向電圧を印加して逆バイアス処理を行った。(1)周波数60Hz、ピーク値2Vの正弦波からなる逆方向電圧を0.17秒印加、(2)−0.1Vの直流順方向電圧を0.17秒印加、(3)周波数60Hz、ピーク値4Vの正弦波からなる逆方向電圧を0.17秒印加、(4)−0.1Vの直流順方向電圧を0.17秒印加、(5)周波数60Hz、ピーク値6Vの正弦波からなる逆方向電圧を0.17秒印加、(6)−0.1Vの直流順方向電圧を0.17秒印加(合計処理時間1.02秒)。この場合、60個のセルのうち58個のセルで良好な光電変換特性が認められた。
【0030】
一方、従来の方法に従い、周波数60Hz、ピーク値4Vの矩形波パルスを1.0秒間印加して逆バイアス処理を行った。この場合、60個のセルのうち良好な光電変換特性が認められたのは50個だけであった。これらの結果から、本発明による短絡部除去方法は極めて有効であることがわかる。
【0031】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明の太陽電池の短絡部除去装置および短絡部除去方法を用いれば、電極間に電荷が蓄積される現象をできるだけ抑えて短絡部以外の部分が破壊されるのを避けることができ、しかも確実に短絡部を除去することができるので、太陽電池の光電変換特性の改善に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る太陽電池の短絡部除去装置の構成を示す図。
【図2】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図3】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図4】本発明による逆方向電圧の波形を示す図。
【図5】太陽電池の構成と短絡部除去方法を説明する図。
【符号の説明】
1…絶縁性基板
2…第1の電極
3…光電変換半導体層
4…第2の電極
5…太陽電池セル
6…プローブ
10…太陽電池
11…ファンクションジネレータ
12…増幅器
13…コンピュータ
14…抵抗
15…デジタルボルトメータ
Claims (6)
- 基板上に第1の電極層、半導体層、第2の電極層が順次形成された1又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に周波数が20〜1000Hzで、0.2秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有する逆方向電圧を印加し、前記波形が0Vの期間及びピーク値から0Vに近づく期間を複数有し、当該期間に、蓄積された電荷を放電することを特徴とする太陽電池の短絡部除去方法。
- 前記逆方向電圧を印加する操作を、逆方向電圧のピーク値を順次増加させながら繰り返し、各逆方向電圧が0.2秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有していることを特徴とする請求項1記載の太陽電池の短絡部除去方法。
- 前記逆方向電圧は、正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波であることを特徴とする請求項1または2記載の太陽電池の短絡部除去方法。
- 前記逆方向電圧の周波数が50〜120Hzであることを特徴とする請求項1記載の太陽電池の短絡部除去方法。
- 基板上に第1の電極層、半導体層、第2の電極層が順次形成された1又は複数の太陽電池セルを含む太陽電池の短絡部を除去する方法であって、前記太陽電池セルの正負の電極間に逆方向電圧および直流順方向電圧を交互に印加し、当該逆方向電圧が0.2秒以下の時間内で周期的に変化する波形を有していることを特徴とする太陽電池の短絡部除去方法。
- 前記逆方向電圧は、正弦波、正弦波の半波、ノコギリ波または矩形波であることを特徴とする請求項5記載の太陽電池の短絡部除去方法。
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