JP5922429B2

JP5922429B2 - ソーラシミュレータ及び太陽電池の欠陥判定方法

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Publication number: JP5922429B2
Application number: JP2012032238A
Authority: JP
Inventors: 光博下斗米
Original assignee: Nisshinbo Mechatronics Inc
Current assignee: Nisshinbo Mechatronics Inc
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2016-05-24
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: JP2013168591A

Description

本発明は太陽電池セル、太陽電池セルを一列に接続したストリング、ストリングを平行に複数配置しパネル状に接続した太陽電池パネルなど、太陽電池一般の性能を検査する装置に関する。

太陽エネルギーの利用方法として、太陽電池が知られている。太陽電池の製造においては、太陽電池が目的の発電能力を有しているかどうかの性能評価が重要である。性能評価には、通常、出力特性の測定がされる。

出力特性は、光照射下において、太陽電池の電流電圧特性を測定する光電変換特性として行われる。光源としては、太陽光が望ましいのであるが、天候により強度が変化することから、ソーラシミュレータが使用されている。ソーラシミュレータでは、太陽光に代えてキセノンランプやメタルハライドランプ等を使用している。また、これらの光源を長時間点灯していると、温度上昇などにより光量が変化する。そこで、これらのランプのフラッシュ光を用い、横軸を電圧、縦軸を電流として、収集したデータをプロットすることにより太陽電池の出力特性曲線を得ている（例えば、特許文献１参照）。

これと異なる方法として太陽電池セルに対して順方向に電流を印加することで、順方向に電流を流しエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）作用を生じさせ、発光状態から太陽電池セルの良否を判定する方法がある（特許文献2参照）。しかしながら特許文献２には太陽電池セルからの発光光の明るさのみで良否の判断を行っているので、クラックがあっても、明るさが所定の値以上であれば良品と判断される。しかし、クラックが有る場合は急激に太陽電池の発電能力が低下してしまう可能性があるので、不良品と判断すべきである。

特開２００７-８８４１９ＷＯ２００６／０５９６１５

上記の特許文献２の太陽電池の検査方法は、図１０に示されるような大面積の暗領域（ダークエリア）を呈する欠陥は明確で特定できるが、図１１のような細い線状のクラックを特定することは難しい。図１１のような線状の細い欠陥も太陽電池として作動させた場合将来的に出力低下を招来する可能性がある。このような図１１の欠陥が存在する可能性は、特許文献１に記載のソーラシミュレータにとる測定技術では検出はできない。

また太陽電池は複数の太陽電池ストリング（複数枚の太陽電池セルを直列に電気的に接続したもの）を複数列並列に並べ電気的に直列に接続して提供されるのが一般的である。そこで、一つの太陽電池ストリングに不具合が生じると全体としての太陽電池の性能に影響を与える。このようなことから将来大きな出力低下を招く欠陥の存在を検査する必要がある。

本発明は、上記の課題を解決するために、出力特性曲線を用い、太陽電池の欠陥を判定する方法と、その方法を使用したソーラシミュレータを提供する。

上記課題を解決するための第１発明のソーラシミュレータは、太陽電池に擬似太陽光を照射する光源と、前記光源からの擬似太陽光を受光し太陽電池から出力される電流電圧のＩ−Ｖ曲線を取得する特性取得部と、前記特性取得部により得られたＩ−Ｖ曲線の形状により太陽電池の欠陥を判定する欠陥判定部、及び前記特性取得部及び前記欠陥判定部を全体制御する制御装置を含むことを特徴としている。
第１発明のソーラシミュレータによれば、太陽電池の出力特性曲線を取得することにより、太陽電池に欠陥の有無の判定ができる。このためＥＬ（エレクトロルミネッセンス）を使用した欠陥判定方法を使用する際にその正確度を更に向上させることができる。

第２発明のソーラシミュレータは、第１発明において、前記欠陥判定部において前記欠陥の有無は、前記Ｉ−Ｖ曲線の微分値により判定されることを特徴としている。
第２発明のソーラシミュレータによれば、前記欠陥の有無の判定は、前記欠陥判定部でＩ−Ｖ曲線の微分値で判定するので、パソコンなどの計算機を使用することによりデータ処理演算で容易に可能である。

第３発明のソーラシミュレータは、第１発明において、前記欠陥判定部において前記欠陥の有無は、前記Ｉ−Ｖ曲線の被測定物である太陽電池の電圧値が開放電圧（Ｖ_ＯＣ）の０．００１Ｖ_ＯＣから０．００２Ｖ_ＯＣの電圧値幅に対して短絡電流（Ｉ_ＳＣ）の０．００５Ｉ_ＳＣから０．０１Ｉ_ＳＣを越える段差の有無により判定することを特徴とする。
第３発明のソーラシミュレータによれば、より簡単な方法で第１発明と同様の効果を発現することができる。

上記課題を解決するための第４発明の太陽電池の欠陥判定方法は、太陽電池のＩ−Ｖ曲線を取得する工程と、取得された前記Ｉ−Ｖ曲線が平坦でない領域、又は段差のある領域を把握する工程、及び前記平坦でない又は段差のある領域により太陽電池の欠陥の有無を判定する工程を含んでいることを特徴としている。
本発明によれば、第１発明と同様の効果を発現することができる。

第５発明の太陽電池の欠陥判定方法は、第４発明において、平坦でない又は段差のある領域は、前記Ｉ−Ｖ曲線の微分値により判定されることを特徴としている。
第５発明の太陽電池の欠陥判定方法によれば、第２発明と同様の効果を発現することができる。

第６発明の太陽電池の欠陥判定方法は、第４発明において、前記欠陥判定部において前記欠陥の有無は、前記Ｉ−Ｖ曲線の被測定物である太陽電池の電圧値が開放電圧（Ｖ_ＯＣ）の０．００１Ｖ_ＯＣから０．００２Ｖ_ＯＣの電圧値幅に対して短絡電流（Ｉ_ＳＣ）の０．００５Ｉ_ＳＣから０．０１Ｉ_ＳＣを越える段差の有無により判定することを特徴とする。
第６発明の太陽電池の欠陥判定方法によれば、第３発明と同様の効果を発現することができる。

本発明によるソーラシミュレータの概略構成を示すブロック図。太陽電池の一形態例。欠陥を有する太陽電池のＩ−Ｖ曲線の例。欠陥を有する太陽電池のＩ−Ｖ曲線の例。欠陥を有する太陽電池のＩ−Ｖ曲線の例。欠陥を有する太陽電池のＩ−Ｖ曲線の例。欠陥の無い太陽電池のＩ−Ｖ曲線の例。本発明による太陽電池の欠陥判定方法のフローチャート。本発明による太陽電池の欠陥判定方法の別例の説明図。欠陥としてのダークエリアを有する太陽電池セルのＥＬ画像の一例。欠陥としてのクラックを有する太陽電池セルのＥＬ画像の一例。

図１から図８により本発明の実施例１のソーラシミュレータについて説明する。
図１は本発明によるソーラシミュレータの概略構成を示すブロック図である。フラッシュ光源１から放射された光を被測定物２である太陽電池（太陽電池セルを含む）上に照射する。被測定物２である太陽電池は自身の性能特性に従って発電し電流及び電圧を出力する。特性取得部３は被測定物２から発電され出力される電流及び電圧を測定する。測定された発電能力は、出力特性曲線（以下、Ｉ−Ｖ曲線と呼ぶ）として得られる。図７は、太陽電池に欠陥の無い状態のＩ−Ｖ曲線である。欠陥判定部４は、得られたＩ−Ｖ曲線に基づき太陽電池の欠陥の有無又は欠陥の種類などの判定を行う。全体制御装置５は、ソーラシミュレータの全体制御を行う。

特性取得部３から得られるＩ−Ｖ曲線は、太陽電池内のセルの欠陥の状況により影響を受ける。例えば、太陽電池セル、ストリング（複数個の太陽電池セルを直列に電気的に接続したもの）によって発電能力が異なると出力特性曲線はその影響を受ける。太陽電池セル、ストリングに欠陥などが有ると、Ｉ−Ｖ曲線は平坦ではない領域または段差を有する領域が発生する。そのメカニズムについて以下説明する。

図２は３列の太陽電池ストリングにより構成された太陽電池２を示している。３つのストリングＡ（１１）、ストリングＢ（１２）、ストリングＣ（１３）が電気的に直列に連結されている。また図２に示すように、それぞれのストリングの端末にはバイパスダイオード１４、１５、１６が順方向に接続されている。このバイパスダイオードによりストリングごとに発電能力が異なる場合に、他のストリングの発電量に影響を与えないようにしている。セルが欠陥を有して発電しない状況は、模式的に以下の様な状態と同じである。つまり図２の斜線部のセル１７を遮光し発電しない状態と同じである。この時、光を照射して出力される電流は、ストリングＡ（１１）を経由せずに、バイパスダイオード１４を通して電流が流れる。またストリングＡ（１１）内の太陽電池セルに欠陥があると、図２の斜線部のセル１７を一部遮光したような状態になる。ストリングＡ（１１）内の太陽電池セルの欠陥の状態によりストリングＡ（１１）の発電量が決まる。その結果得られる太陽電池のＩ−Ｖ曲線は、図３に示すように１箇所の段差部Ｘが発生する。本発明は、上記のようなＩ−Ｖ曲線に現れる段差形状に基づき太陽電池内のセルに欠陥があるかどうかを判定するものである。

図３は、ストリングＡ（１１）に何らかの欠陥がある場合のＩ−Ｖ曲線である。図４は、ストリングＡ（１１）とストリングＢ（１２）のそれぞれの太陽電池セルに欠陥がある場合のＩ−Ｖ曲線である。図５は、ストリングＡ（１１）、ストリングＢ（１２）及びストリングＣ（１３）のそれぞれに太陽電池セルに欠陥がある場合のＩ−Ｖ曲線である。図６は、図４の状況において、ストリングＡ（１１）とストリングＢ（１２）の欠陥の状況が異なる場合のＩ−Ｖ曲線である。図７は、欠陥が無い場合のＩ−Ｖ曲線である。図４は、ストリングＡ（１１）、ストリングＢ（１２）が同じ発電量の低下をもたらす欠陥がある場合のＩ−Ｖ曲線であり、図５は、ストリングＡ（１１）、ストリングＢ（１２）、ストリングＣ（１３）が全て同じ発電量の低下をもたらす欠陥があるときのＩ−Ｖ曲線である。

Ｉ−Ｖ曲線が図４及び図５のような状況になることはまれである。各ストリングやセルの欠陥の状況は異なるので発電量の低下は異なり、Ｉ−Ｖ曲線は図６の様になるのが一般的である。いずれにしても各ストリング及び各セルに欠陥があり発電量に異常があるとＩ−Ｖ曲線は図３から図６のような形態となる。図３においては、Ｉ−Ｖ曲線の電流値の高い位置で段差又は平坦ではない部分Ｘが発生する。

図６はストリングＡ（１１）、ストリングＢ（１２）、ストリングＣ（１３）全部の発電量が異なる場合の出力特性曲線である。これは二つの段差又は平坦ではない部分Ｙ、Ｚが生じる。これは、１つのストリングに欠陥が無く残り２つのストリングに発電量の異なる欠陥があるということ、又は３つのストリング全部に異なる発電量を発生させる欠陥があるということを示している。図７は、欠陥は無い場合のＩ−Ｖ曲線である。このＩ−Ｖ曲線では、出力電流が最大位置で曲線の傾斜度の大きい部分を含む領域Ｍを有する。この傾斜度の大きい部分は、被測定物２と特性取得部３の接続部分の抵抗により発生するものであり太陽電池内のセルの欠陥により発生するものではい。

前記の説明により、前記特性取得部３から得られた出力特性曲線を用い、欠陥判定部４では、段差、又は平坦ではない部分を抽出して、これが有る場合には何らかの欠陥があることを判定できる。Ｉ−Ｖ曲線が図６の様になる場合には少なくても２つのストリング内の太陽電池セルに欠陥があるこが分かる。Ｉ−Ｖ曲線が図５の様になる場合には３つのストリング内の太陽電池セルで欠陥があることが分かる。また、段差が大きくなればなるほど、欠陥の領域が大きく、発電できない面積が大きいということを表す。図７のＩ−Ｖ曲線は他のパターンのＩ−Ｖ曲線と一緒に発現することもあるが、それはソーラシミュレータと被測定物である太陽電池２との上述の接続部分の問題であり無視できる。図３の場合には、予め太陽電池の材質及び大きさなどにより決まった出力に対する太陽電池全体の出力低下を用いて欠陥の有無が判断できる。段差又は平坦ではない部分は様々なＩ−Ｖ曲線の解析方法を用いて特定できる。例えば、出力特性曲線の傾斜の急激な変化の判定及び曲線の連続性の判断などが用いられる。

図８は、本発明の太陽電池の欠陥判定方法のフローチャートである。本発明による太陽電池の欠陥判定方法は出力特性曲線の傾斜度を用いている。以下その手順につて説明する。

ソーラシミュレータ内に被測定物である太陽電池２をセットし、光源ランプから擬似太陽光が発光されと、太陽電池から電流及び電圧が出力される。これにより特性取得部３でＩ−Ｖ曲線を取得する（Ｓ１)。取得したＩ−Ｖ曲線から傾斜度を取得する（Ｓ２）。傾斜度は、Ｉ−Ｖ曲線の微分値が採用される。Ｉ−Ｖ曲線は、図３から図７及びその合成したもので表示される。本発明では、太陽電池のＩ−Ｖ曲線の傾斜度を用いて欠陥の判定を行う。傾斜度は、Ｉ−Ｖ曲線の電流値又は電圧値の変化に従って変化する。そのＩ−Ｖ曲線で段差があるとマイナスの値で急激に変わるように現れる。そこで、傾斜度（微分値）のマイナス値の閾値Ｋを設定する。その閾値Ｋを超える領域Ｌ（例えば図３から図６）を抽出する（Ｓ３）。抽出された傾斜度の大きい領域Ｌは、図７の領域Ｍのように欠陥と関係ない領域もある、またＶｏｃが大きい領域では欠陥ではないにも関わらず、領域Ｎのように傾斜度が大きい領域もある。そこで、Ｉ−Ｖ曲線の開始点と終了点の間の領域Ｍと領域Ｎのように欠陥に因らない傾斜度が大きく変化する領域は削除する（Ｓ４）。Ｉ−Ｖ曲線の領域Ｍと領域Ｎを削除した領域の中において、傾斜度（微分値）のマイナス値の閾値Ｋを越える部分を欠陥として判定する（Ｓ５）。

次に実施例２のソーラシミュレータについて説明する。本実施例のソーラシミュレータにおいて、Ｉ−Ｖ曲線から太陽電池セルに欠陥が有るか否かを判定する方法について図９を使用して説明する。図９は、図２に示した太陽電池のストリング数が３つ（図２においてはストリング１１（Ａ）、１２（Ｂ）、１３（Ｃ））の場合について適用した例についての説明図である。実施例１では、Ｉ−Ｖ曲線から曲線の傾斜度（微分値）を算出しその結果に基づき欠陥の有無を判定した。実施例２では、図９に示すように開放電圧（Ｖ_ＯＣ）の（１／３）の電圧値及び（２／３）の電圧値の近傍において０．００１Ｖ_ＯＣから０．００２Ｖ_ＯＣの電圧値幅に対する電流値の差を確認する。これは、ストリング数が３つの場合なので、太陽電池セルに欠陥等の異常があると開放電圧（Ｖ_ＯＣ）の（１／３）の電圧値及び（２／３）の電圧値の近傍においてその電流値の段差が発生しやすい。その電流値の段差は、ΔＩ１とΔＩ２となっている。このΔＩ１とΔＩ２が、０．００５Ｉ_ＳＣから０．０１Ｉ_ＳＣを越えるような段差の有無を検出することにより太陽電池セル内の欠陥判定の有無の判定を行う。実施例１と同様にパソコン等を使用しデータ処理により判定をすることができる。傾斜度（微分値）を使用しないためデータ処理および判定を容易に行うことができる。

本実施例の説明では、太陽電池のストリング数は３つであるが、ストリング数の数に応じて電流値の段差の発生しやすい箇所は増減する。ストリング数をＴとした場合に開放電圧（Ｖ_ＯＣ）の（１／Ｔ）Ｖｏｃから｛（Ｔ−１）／Ｔ｝Ｖｏｃまでの電圧値の範囲でその両端の電圧値と（１／Ｔ）Ｖｏｃ毎の電圧値の近傍において電流値の段差の有無を検出すれば良い。

このような判定法は、以下のような場合に有効である。太陽電池を構成する太陽電池セルは、太陽電池として形成される前に、セルテスターという検査装置でその出力を確認し選別して使用される。ただしセルテスターにて出力選別する場合の精度は、１％〜２％（±０．５％〜±１％）である。従ってグレード分けをしても、太陽電池の内部には出力が微妙に異なるものが混入する可能性がある。このような微妙に出力が異なるグレードのものが混入すると太陽電池の出力は同様に１％〜２％程度低下することになる。更に複数枚出力が小さなセルが混入すると太陽電池の出力が更に低下してしまうことになる。

本実施例の判定方法によりこのようなグレ−ドの異なる太陽電池セルの混入の状況を確認し前工程にフィードバックすることができ、太陽電池の出力の安定化を実現することができる。

以上のとおり、本発明によると、ソーラシミュレータにより太陽電池のＩ−Ｖ曲線を測定取得し、Ｉ−Ｖ曲線の形状を分析することにより太陽電池内のセルの欠陥の有無を判定ができるようになる。太陽電池セルの欠陥の有無を判定する別手段としてＥＬ（エレクトロルミネッセンス）現象を利用した検査手段がある。ＥＬ法で見逃された欠陥を本検査方法により、欠陥の存在を確認することが出来る。これにより、欠陥有無の判定方法の正確度を向上させることができる。また太陽電池内に出力のグレードが異なるものが混入したことも確認可能であり、太陽電池の出力の安定化を実現することができる。

１光源
２被測定物（太陽電池）
３特性取得部
４欠陥判定部
５全体制御装置

Claims

太陽電池に擬似太陽光を照射する光源と
前記光源からの擬似太陽光を受光し、太陽電池から出力される電流電圧のＩ−Ｖ曲線を取得する特性取得部と
前記特性取得部により得られたＩ−Ｖ曲線の形状により太陽電池の欠陥を判定する欠陥判定部、及び
前記特性取得部及び前記欠陥判定部を全体制御する制御装置と
を含む太陽電池の出力特性測定用のソーラシミュレータであって、
前記欠陥判定部において、前記欠陥の有無は、前記Ｉ−Ｖ曲線の被測定物である太陽電池の電圧値が開放電圧（Ｖ_ＯＣ）の０．００１Ｖ_ＯＣから０．００２Ｖ_ＯＣの電圧値幅に対して短絡電流（Ｉ_ＳＣ）の０．００５Ｉ_ＳＣから０．０１Ｉ_ＳＣを越える段差の有無により判定することを特徴とするソーラシミュレータ。
太陽電池に擬似太陽光を照射する光源と
前記光源からの擬似太陽光を受光し、太陽電池から出力される電流電圧のＩ−Ｖ曲線を取得する特性取得部と
前記特性取得部により得られたＩ−Ｖ曲線の形状により太陽電池の欠陥を判定する欠陥判定部、及び
前記特性取得部及び前記欠陥判定部を全体制御する制御装置と
を含む太陽電池の出力特性測定用のソーラシミュレータによる太陽電池の欠陥判定方法であって、
前記欠陥判定部において、前記欠陥の有無は、前記Ｉ−Ｖ曲線の被測定物である太陽電池の電圧値が開放電圧（Ｖ_ＯＣ）の０．００１Ｖ_ＯＣから０．００２Ｖ_ＯＣの電圧値幅に対して短絡電流（Ｉ_ＳＣ）の０．００５Ｉ_ＳＣから０．０１Ｉ_ＳＣを越える段差の有無により判定することを特徴とする太陽電池の欠陥判定方法。