JP5271185B2

JP5271185B2 - 太陽光発電素子の検査装置

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Publication number: JP5271185B2
Application number: JP2009175086A
Authority: JP
Inventors: 和美高野; 忠臣谷口
Original assignee: INTERNATIONAL TEST & ENGINEERING SERVICES CO., LTD.
Current assignee: INTERNATIONAL TEST & ENGINEERING SERVICES CO., LTD.
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-07-28
Also published as: TW201104909A; JP2011029477A; WO2011013444A1

Description

本発明は、ＥＬ（Electro-Luminescence）法を利用した太陽電池の検査装置に関するものである。

近年、クリーンエネルギーの利用を促進するために、太陽光発電素子の開発・普及が盛んである。現在、最も普及している太陽光発電素子として、シリコン結晶型太陽電池が挙げられる。シリコン結晶型太陽電池は、約０．３ｍｍのＰ型シリコンウエハーの受光面側に、ｎ層（約１μｍ）、反射防止膜を順次積層形成する。さらに、表面電極と裏面電極を印刷法で形成する。

太陽光発電素子は、製造時に種々の欠陥が発生しやすい。例えば、（１）シリコンウエハーは、割れたり欠けたりしやすいため、製造時に微細な亀裂が発生しやすい。（２）印刷法により電極パターンを形成し、焼成時に電極パターンが反射防止膜を貫通し、ｎ層に接合するため、電極パターンの断線が発生しやすい。

したがって、製造時に欠陥を検査する必要がある。欠陥の検査方法として、太陽光発電素子に順バイアスを印加するＥＬ法が一般的に使用されている（下記の特許文献、非特許文献参照）。順バイアスの印加により、シリコン系の太陽光発電素子であればシリコンのバンドギャップに基づく近赤外線を発する。もし、亀裂が存在すれば、亀裂箇所から近赤外線が出射されず、暗部として観察される。また、電極が断線しておれば、断線位置以降には電力が供給されないため、断線位置以降から近赤外線が出射されず、暗部として観察される。

ここで、外観検査で検出できないような微細な亀裂を検出するには、高解像度で鮮明な画像を取得する必要がある。また、断線箇所を特定するには、細い表面電極（２００μｍ）を撮影できる解像度が要求される。

例えば、太陽光発電素子が５０〜６０枚搭載された太陽電池パネル（１ｍ×２ｍ）に対して、欠陥検査をするとする。この場合、各太陽光発電素子に対して開放電圧と同等な順バイアスを印加して、太陽電池パネルから近赤外線を発光させる。この発光された太陽光発電素子をカメラで撮影し、欠陥の有無や欠陥箇所の特定をおこなう。

しかし、上記欠陥検査に使用される冷却ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラには、オートフォーカス機構が搭載されていない。このため、レンズの焦点距離を少しずつ変化させながら何枚も撮影を行い、その度に画像を確認し、ピントの合う位置を見つける必要がある。被写体の大きさや撮影したい箇所の変更が発生すると、その度にピント調節をおこなう必要があり、時間も労力もかかる作業である。

一般的なカメラで行われるファインダーを覗きながら、焦点合わせを行う方法が考えられる。しかし、シリコン系太陽電池のＥＬは、近赤外線であるため、肉眼では見えない。図２に示すように、近赤外線と可視光とでは、同じレンズ３４を使用した場合、焦点距離が異なり、近赤外線の焦点距離が長くなる。したがって、可視光で焦点合わせをして、近赤外線を撮影するとピントぼけした画像となる。

また、カメラに搭載されているオートフォーカス機構を利用しても、可視光での撮影を前提としているため、可視光撮影条件でのピント合わせがおこなわれる。最も多く使われている被写体との距離を測定する方法は、太陽電池パネルとカメラ間の距離は測定できるが、レンズを可視光での焦点位置に調整することとなる。可視光撮影条件でのピント合わせをおこなうため、近赤外線の画像はピントぼけしたものとなる。

一眼レフカメラのオートフォーカスに使用されるＴＴＬ（Through the Lens）位相差方式も、基本的に可視光撮影条件で駆動するものである。上記のように、ピントぼけした画像となる。

さらに、デジタルカメラに多用されているコントラストやボケ具合を利用したコントラストオートフォーカスは、近赤外線でも動作できる。しかし、太陽光発電素子のＥＬの光量が微弱であるため、オートフォーカスは動作できない。また、ＥＬの光量は微弱であるため、通常のカメラ（非冷却な撮像素子）を用いて撮影に要する露光時間は１０〜３０秒と長い。特殊な撮像素子（増幅機能付冷却タイプ）を用いれば、オートフォーカス機構が動作できる検出感度を満たす可能性はあるが、とても高額である。

国際公開番号ＷＯ２００６／０５９６１５国際公開番号ＷＯ２００７／１２９５８５ "Observation of Electroluminesce fromAmorphous Silicon Solar Cells at room" Koeng Su Lim et al, JapaneseJournal of Applied Physics, Vol.21, No.8, August, 1982 pp.L473-14759

本発明の目的は、太陽光発電素子のＥＬ法を使用した検査において、容易に鮮明な撮影画像を得ることができる廉価な太陽光発電素子の検査装置を提供することにある。

太陽光発電素子の検査装置は、太陽光発電素子に順バイアスを印加する電源と、オートフォーカス機構によって前記太陽光発電素子に対して自動焦点合わせをおこない、撮像素子を使用して太陽光発電素子を撮影する非冷却撮像素子カメラと、前記太陽光発電素子から撮像素子までの間に配置され、太陽光発電素子のＥＬの波長未満の光をカットし、近赤外線の帯域の光を透過させるフィルターと、前記自動焦点合わせ時に、太陽光発電素子に近赤外線の帯域を含有する光を照射する光源とを備える。

電源が太陽光発電素子に順バイアスを印加し、カメラが自動焦点合わせおよび撮影をおこなう。可視光などの影響を除去し、ＥＬの光を受光するために、フィルターを設ける。また光源は、カメラのオートフォーカスが十分駆動するように、近赤外線を含有する光を照射する。

少なくとも太陽光発電素子、非冷却撮像素子カメラ、フィルター、および光源が配置される暗室を備える。外部の光の影響を除去する暗室を使用する。

前記フィルターは、９５０ｎｍ以下の波長を２５％以下に、かつ９００ｎｍ以下の波長を５％以下にカットするショートカットフィルターである。このフィルターは、前記太陽光発電素子が結晶型シリコン型太陽電池またはカルコパイライト系太陽電池のフィルターである。

前記フィルターが、７５０ｎｍ以下の波長を２５％以下に、かつ７００ｎｍ以下の波長を５％以下にカットするショートカットフィルターである。前記太陽光発電素子がアモルファスシリコン型太陽電池用または有機薄膜太陽電池用のフィルターである。

前記光源は、ハロゲンランプである。焦点合わせ時にハロゲンランプを発光させる。

本発明によると、フィルターによって太陽光発電素子のＥＬの波長未満の光を除去することによって、近赤外線でオートフォーカスを駆動させることができる。素早い焦点あわせが可能である。近赤外線で焦点合わせをおこなっているため、撮影された画像も近赤外線で焦点のあったものであり、ＥＬの光は鮮明な画像となる。太陽光発電素子の不良箇所を検出しやすくなる。

太陽光発電素子の検査装置の構成を示す図である。波長による焦点の違いを示す図である。

本発明の太陽光発電素子の検査装置について図面を用いて説明する。

検査される太陽光発電素子は、上記したＥＬ法を使用するために、順バイアスで近赤外線を発するものである。例えば、結晶シリコン型やアモルファスシリコン型などの太陽電池が挙げられる。太陽光発電素子は１枚でも良いし、複数の太陽光発電素子を縦横に並べたものであっても良い。

図１に示すように、太陽光発電素子の検査装置１０は、太陽光発電素子１２の保持台１４、太陽光発電素子１２に順バイアスを印加する電源１６、太陽光発電素子１２のＥＬを撮影するカメラ１８、および所定の波長の光を透過させるためのフィルター２０を備える。

保持台１４は、太陽光発電素子１２を配置し、太陽光発電素子１２をカメラ１８に対向させるものである。高さや角度を調節する機構を適宜設ける。また、太陽光発電素子１２の大きさに合わせて保持台１４の大きさも適宜設計する。

電源１６は、太陽光発電素子１２に順バイアスを印加するための直流電源である。複数の太陽光発電素子１２を縦横に並べる場合、全ての太陽光発電素子１２に順バイアスが印加されるようにする。順バイアスの一例は、結晶シリコン型の太陽光発電素子１枚あたり約０．５−１．０Ｖ、薄膜型アモルファスシリコン型や化合物型のカルコパイライト系太陽電池（ＣＩＳ、ＣＩＧＳなど）は、短冊１段当たり約０．５−１．０Ｖ、タンデム型では、その階層数に合わせて電圧を調節する。太陽光発電素子１２に順バイアスを印加することによって、太陽光発電素子１２から近赤外線の帯域の光が出射される。例えば、出射光の波長は約７００〜１３００ｎｍである。また、ピーク波長は、結晶シリコン型が約１１５０ｎｍ、アモルファスシリコン型が約９５０ｎｍ、ＣＩＳが約１２５０ｎｍ、ＣＩＧＳは組成比により異なる。

カメラ１８は、オートフォーカス機構を備え、非冷却な撮像素子２２を備えたディジタルスチルカメラを使用する。オートフォーカス機構としては、コントラストオートフォーカス方式を使用できる機構である。焦点あわせは、レンズが移動する方式や保持台１４が移動する方式を採用できる。また、撮像素子２２は、シリコン系のＣＣＤやＣＭＯＳの２次元イメージセンサーを使用する。太陽光発電素子１２の大きさに合わせて画素数を適宜選択する。例えば、約１０００万画素の撮像素子２２を使用する。カメラ１８は三脚２４などに設置し、高さや角度を調節する。

フィルター２０は、太陽光発電素子１２のＥＬによる光の波長未満の光をカットし、近赤外線の帯域の光を透過させる。フィルター２０はシート状であり、太陽光発電素子１２からカメラ１８の撮像素子２２の間に設ける。したがって、撮像素子２２は可視光などのＥＬ波長未満の光を受光せず、近赤外線を受光する。カメラ１８は、太陽光発電素子１２のＥＬを撮影することができ、撮像素子２２を使用したコントラストオートフォーカスも可能となる。具体的なフィルター２０の設置箇所としては、撮像素子２２の前面やレンズの前面が挙げられる。なお、図１では、カメラ１８の内部で、かつ、撮像素子２２の前面にフィルター２０を設けている。

太陽光発電素子１２が結晶型シリコン型太陽電池またはカルコパイライト系太陽電池、である場合、フィルター２０は、９５０ｎｍ以下の波長を２５％以下に、かつ９００ｎｍ以下の波長を５％以下にカットするショートカットフィルターを使用する。また、太陽光発電素子１２がアモルファスシリコン型太陽電池または有機薄膜太陽電池である場合、フィルター２０は、７５０ｎｍ以下の波長を２５％以下に、かつ７００ｎｍ以下の波長を５％以下にカットするショートカットフィルターを使用する。

フィルター２０は、上記ＥＬによる光の波長以上の長波長の光を通すハイパスのフィルターであっても良い。撮像素子２２のＣＣＤなどはシリコン系の素子であるため、近赤外線よりも長い波長の光が撮像素子２２に到達しても、シリコン自体の透明領域であるため、長波長の光を吸収することはない。さらに長波長となれば、撮像素子２２の周辺部材に吸収されるため、撮像素子２２に到達することができない。したがって、可視光などのＥＬ波長未満の光をカットし、近赤外線の帯域の光を透過させることと同等となる。

上記のように、フィルター２０を使用することによって撮像素子２２で受光される光は近赤外線となる。オートフォーカスは近赤外線を使用することとなる。撮影される光と同帯域の光であるため、撮影された画像はピントがあったものとなる。撮影画像が鮮明であり、太陽光発電素子１２の欠陥を検出しやすくなる。

また、検査装置１０は、太陽光発電素子１２に近赤外線の帯域を含む光を照射する光源２６を備える。光源２６は、カメラ１８がオートフォーカス機構によって焦点合わせをおこなうときに発光する。光源２６は、オートフォーカス機構が駆動できるだけの光量を発光する。カメラ１８は、オートフォーカスが駆動するための十分な光量の近赤外線を確保することができる。太陽光発電素子１２のＥＬを撮影するときは、光源２６は消灯する。ＥＬの光量が小さいためである。また、被写体が無地でコントラストがつきにくい場合は、フォーカス用の目印を表面に貼付けたり、光源２６に幾何学的な模様を投影できるようにすることも、有用である。光源２６としてハロゲンランプが挙げられる。

なお、光源２６として通常の蛍光灯や白熱電球などを使用し、可視光を遮断するフィルターを介して太陽光発電素子１２に照射することも考えられる。しかし、通常の蛍光灯や白熱電球は可視光の光量が大きく、近赤外線の光量は小さい。近赤外線の光量を大きくすると、可視光の光量が非常に大きくなり、白熱電球やフィルターが短期間に損傷されるので好ましくない。

図１の光源２６はカメラ１８から離れた位置に設けられているが、通常のカメラの内蔵ライトを利用したオートフォーカス補助光のように、カメラ１８に内蔵するようにしても良い。

さらに、検査装置１０は、少なくとも太陽光発電素子１２、カメラ１８、フィルター２０、および光源２６が配置される暗室２８を備える。太陽光発電素子１２のＥＬは微弱であり、暗室２８によって、外部からの光の影響を除去する。

その他、カメラ１８、電源１６、光源２６を制御するコンピュータ３０を備える。コンピュータ３０には、カメラ１８、電源１６、光源２６の状態、撮影されたデータなどを表示するモニター３２やコンピュータ３０の操作をおこなうためのキーボードを備える。コンピュータ３０によってカメラ１８、電源１６、光源２６の制御を一括しておこなう。オートフォーカス機構の駆動と光源２６の発光との同期を取ったり、電源１６による順バイアスの印加とカメラ１８での撮影の同期を取ることが容易にできる。また、コンピュータ３０のハードディスクなどの記憶装置に、取得した撮影データを記憶できるようにする。それらの各装置はＵＳＢ（Universal Serial Bus）ケーブルなどで相互に接続する。図１ではコンピュータ３０と光源２６が接続されているが、カメラ１８と光源２６の同期がとれるように、カメラ１８と光源２６を直接接続するようにしても良い。

本願の検査装置１０が容易にピント合わせをおこなうことができ、太陽光発電素子１２の画像が得られることを確認するための実施例および比較例を説明する。

実施例（１）
太陽光発電素子１２は、多結晶シリコンタイプの京セラ製太陽電池モジュールＲ１５０−０１、光源２６は、ＩＲ（infrared）ランプである東芝ライテック製赤外線家畜用電球１００／１１０Ｖ１５０ＷＲＥ（ハロゲンランプ）、フィルター２０は、富士フィルム製光学フィルターＩＲ−９６（９５０ｎｍの透過率２５％以下９００ｎｍの透過率５％以下ショートカット型）、暗室２８は、サンエンテックス製大型簡易暗室Ｂ−Ｌ３−ＣＵ、カメラ１８は、ソニー製ディジタルスチルカメラＤＳＣ−Ｈ５０、をそれぞれ使用した。また、カメラ１８に搭載されている赤外線カットフィルターを取り外し、撮像素子２２の前面に上記フィルター２０を装着した。カメラ１８のオートフォーカス補助光源から光が出射しないように遮光した。暗室２８内に、カメラ１８と太陽光発電素子１２と光源２６を設置した。

光源２６を点灯後、カメラ１８をナイトショットモード（コントラストオートフォーカスが起動する状態）にして、自動焦点合わせを行い、その後、マニュアルモードに切り替えた。太陽光発電素子１２に８Ａの電流が流れるように順バイアスを印加してＥＬ発光させ、露光時間を３０秒として撮影した。撮影された画像をモニター３２で確認して、合焦性と画質を判定した。オートフォーカスにより、焦点は正確で、表面電極の細部まで確認することができた。

実施例（２）
実施例（１）の太陽光発電素子１２をソーラーレックス製のアモルファス薄膜タイプに変更し、フィルター２０を富士フィルム製光学フィルターＩＲ−７６(７５０ｎｍの透過率２５％以下７００ｎｍの透過率５％以下ショートカット型)に変更した以外は、実施例（１）と同じ条件で撮影した。焦点は正確で、撮影画像も良好であった。

実施例（３）
実施例（２）の太陽光発電素子１２をタンデムタイプ（アモルファスと微結晶の２層）に変更した以外は、実施例（２）と同じ条件で撮影した。実施例（２）と同様に、焦点は正確で、撮影画像も良好であった。

実施例（４）
実施例（１）の太陽光発電素子１２を化合物タイプＣＩＳ（銅、インジウム、セレン）に変更した以外は、実施例（１）と同じ条件で撮影した。焦点は正確で、撮影画像も良好であった。

実施例（５）
実施例（２）の太陽光発電素子１２を有機薄膜タイプであるＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ poly(3-hexylthiophehe:[6,6]-phenylC61-butyric
acid methyl ester)に変更した以外は、実施例（２）と同じ条件で撮影した。焦点は正確で、撮影画像も良好であった。

比較例（１）
実施例（２）の光源２６を設けず、太陽光発電素子１２のＥＬの光のみで、オートフォーカスをおこなわせた。しかし、オートフォーカスは作動しなかった。太陽光発電素子１２のＥＬの光のみでは、光量が少ないため、オートフォーカス機構が動作するのに必要な輝度が得られなかった。オートフォーカスが使用できず、撮影までおこなえなかった。

比較例（２）
実施例（１）の光源２６を設けず、太陽光発電素子１２のＥＬの光のみで、オートフォーカスをおこなわせた。比較例（１）と同様にオートフォーカスが作動しなかった。

比較例（３）
実施例（２）の光源２６をＮＥＣ製の蛍光灯ＦＬＲ４０ＳＥＸ−Ｎ／Ｍ−ＨＧ（３波長タイプ）に変更して、オートフォーカスをおこなわせた。しかし、オートフォーカスは作動しなかった。蛍光灯では、赤外線成分の光量が少ないため、オートフォーカス機構が動作するのに必要な輝度が得られなかった。

比較例（４）
実施例（１）の光源２６を比較例（３）と同様に変更してオートフォーカスをおこなわせた。しかし、比較例（３）と同様にオートフォーカスが作動しなかった。

比較例（５）
実施例（１）のフィルター２０を設けず、オートフォーカスをおこなったところ、オートフォーカスは作動した。しかしながら、可視光での焦点合わせ位置で止まったので、撮影された画像は、焦点があっておらず、撮影画像は不鮮明になってしまった。

比較例（６）
実施例（１）の焦点合わせを測距方式で、オートフォーカス補助光の遮光をおこなわずにオートフォーカスをおこなった。オートフォーカスは作動したが、可視光での焦点合わせ位置で止まったので、撮影された画像は、焦点があっておらず、不鮮明になってしまった。

比較例（７）
実施例（１）の暗室２８を取り払い、蛍光灯下の条件で、オートフォーカスをおこなったところ、オートフォーカスが作動した。焦点位置にも問題なく、焦点位置を捉えることが出来ていた。しかしながら、一部、蛍光灯から出る微弱の赤外線の反射像が写りこんでいた。ＥＬの画像としては、ノイズがあるものの、撮影することはできた

比較例（８）
実施例（１）のフィルター２０を富士フィルム製光学フィルターＩＲ−７６(７５０ｎｍの透過率２５％以下７００ｎｍの透過率５％以下ショートカット型)に変更した以外は、実施例１と同じ条件で撮影した。細かいところが不鮮明に感じられたが、ＥＬを確認することができた。

比較例（９）
実施例（１）の太陽光発電素子１２をソーラーレックス製のアモルファス薄膜タイプに変更した以外は、実施例１と同じ条件で撮影した。焦点は正確だが、撮影画像が暗かった。

比較例（１０）
実施例（１）の太陽光発電素子１２をタンデムタイプ（アモルファスと微結晶の２層）に変更した以外は、実施例１と同じ条件で撮影した。比較例（９）と同様に、焦点は正確だが、撮影画像が暗かった。

比較例（１１）
実施例（２）の太陽光発電素子１２を化合物タイプＣＩＳ（銅、インジウム、セレン）に変更した以外は、実施例（１）と同じ条件で撮影した。焦点が不正確な場合があり、レーザースクライブパターンが不鮮明になることがあったが、ＥＬを確認できた。

比較例（１２）
実施例（１）の太陽光発電素子１２を有機薄膜タイプであるＰ３ＨＴ：ＰＣＢＭ poly(3-hexylthiophehe:[6,6]-phenylC61-butyric
acid methyl ester)に変更した以外は、実施例（１）と同じ条件で撮影した。比較例（９）と同様に、焦点は正確で、撮影画像が暗くなった。

上記の実施例および比較例をまとめると以下の表１のようになる。本願の構成であればオートフォーカスが可能であり、かつ撮影画像の画質も良い。ＥＬ法を使用した太陽光発電素子１２の検査をスムーズにおこなうことができる。撮影画像の画質が良いため、太陽光発電素子１２の不良を検出しやすくなる。

その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

１０：検査装置
１２：太陽光発電素子
１４：保持台
１６：電源
１８：カメラ
２０：フィルター
２２：撮像素子
２４：三脚
２６：光源
２８：暗室
３０：コンピュータ
３２：モニター

Claims

太陽光発電素子に順バイアスを印加する電源と、
オートフォーカス機構によって前記太陽光発電素子に対して自動焦点合わせをおこない、撮像素子を使用して太陽光発電素子を撮影する非冷却撮像素子カメラと、
前記太陽光発電素子から撮像素子までの間に配置され、太陽光発電素子のＥＬの波長未満の光をカットし、近赤外線の帯域の光を透過させるフィルターと、
前記自動焦点合わせ時に、太陽光発電素子に近赤外線の帯域を含む光を照射するハロゲンランプからなる光源と、
を備えた太陽光発電素子の検査装置。
少なくとも前記太陽光発電素子、非冷却撮像素子カメラ、フィルター、および光源が配置される暗室を備えた請求項１の検査装置。
前記フィルターが、９５０ｎｍ以下の波長を２５％以下に、かつ９００ｎｍ以下の波長を５％以下にカットするショートカットフィルターであり、
前記太陽光発電素子が、結晶型シリコン型太陽電池またはカルコパイライト系太陽電池である
請求項１または２の検査装置。
前記フィルターが、７５０ｎｍ以下の波長を２５％以下に、かつ７００ｎｍ以下の波長を５％以下にカットするショートカットフィルターであり、
前記太陽光発電素子が、アモルファスシリコン型太陽電池または有機太陽電池である
請求項１または２の検査装置。