JP2004247325A - 集積型薄膜太陽電池の評価装置および評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】集積型薄膜太陽電池の内部の特性ばらつきや局部的な欠陥を検出できるようにする。
【解決手段】暗ボックス１内には、集積型薄膜太陽電池５が載置されるステージ２が設置されており、ステージ２上には、集積型薄膜太陽電池５上をライン状に照射することのできるライン構造光源４が、ステップ駆動部３によりステップ移動できるように設置されている。ライン構造光源４の長手方向は、集積型薄膜太陽電池のセルの直列接続方向である。ライン構造光源４は、ステップ駆動部３により、太陽電池受光面の端から端までステップ状に送られ、ライン構造光源４の停止位置毎に集積型薄膜太陽電池５の光照射部分の電流−電圧特性が測定される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積型薄膜太陽電池の評価装置および評価方法に関し、特に太陽電池受光面の局所的な特性測定を行うことができ局所的な欠陥を検出することができる集積型薄膜太陽電池の評価装置および評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８（ａ）は、集積型薄膜太陽電池の斜視図であり、図８（ｂ）は、そのＡ−Ａ線の断面図である。図８において、１０１は基板、１０２は第１電極、１０３はａ−Ｓｉなどからなる半導体層、１０４は第２電極、１０５、１０６は一対の出力端子である。集積型薄膜太陽電池には、表面光照射型と裏面（基板側）光照射型とがあり、前者の場合には、第２電極には透明導電膜（ＴＣＯ）が用いられ、また後者である場合には、第１電極に透明導電膜が用いられ、基板にガラスなどの透明基板が用いられる。
【０００３】
図８に示されるように、集積型薄膜太陽電池の各セルは第１電極１０２と半導体層１０３と第２電極１０４を有し、短冊状に形成されている。各セルは、第１電極１０２と第２電極１０４とを介して直列に接続されており、全体の出力は直列接続体の両端に設けられた出力端子１０５、１０６を介して取り出される。
このように形成された太陽電池の試験・測定は、全面に光を照射し、その電圧−電流特性を出力端子１０５、１０６を用いて測定することによって行っていた。そして、その結果に基づいて、最大出力（Ｐｍａｘ）を求め、Ｐｍａｘ／Ｉｓｃ・Ｖｏｃ（Ｉｓｃは短絡電流、Ｖｏｃは開放電圧）から算出される曲線因子：ＦＦ値等を求める（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２７０８７７号公報（第３−７頁、図６−８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
現実に生産された集積型薄膜太陽電池では、プロセス上の様々な要因により特性がばらつく。近年、薄膜集積型太陽電池はｍ^２サイズクラスの大面積化が図られているが、大面積化によって、均一な成膜およびその維持が難しく、膜厚および組成の不均一部分、ピンホール等が性能低下、経時的不安定要因になり易い。従来は、太陽電池受光面の全面に光を照射し全体の特性を測定していたため、特性ばらつきや不良の要因が基板のどの位置に存在しているのかの把握が困難であった。そして、面内に大きな特性ばらつきがあってもばらつきが平均化されてしまうためばらつきは顕在化せず、ばらつきが大きい場合であっても全体的な特性が仕様に合致していれば将来劣化の進行が早いものと推測されるにも拘わらず良品として扱われてきた。また、半導体層のどの層にばらつき要因や不良原因があるのかを追求することも困難であった。そのため、製品にばらつきが生じてもあるいは不良が発生しても、それが基板のどの位置の膜に起因しているのかの特定が難しく、不良対策に長時間を要しまたばらつきの低減に有効な手立てを見出すことが困難であった。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、内部ばらつきや局部欠陥を検出できるようにしばらつきの大きな位置や欠陥発生位置を特定できるようにすることであり、これにより内部ばらつきの大きい製品や局部的欠陥を含む製品は出荷されることのないようにすると共に、迅速で的確な不良対策を講じ得るようにしばらつきの少ない製品を製造し得るようにしようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、短冊状のセルが直列に接続された集積型薄膜太陽電池を載置する載置台と、前記集積型薄膜太陽電池上を照射する、セルの直列接続方向に長いライン状の光源と、前記光源に照射された前記集積型薄膜太陽電池の光−電気特性を測定する測定器と、を備えたことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の評価装置、が提供される。
そして、好ましくは、前記光源または前記載置台のいずれか一方または双方を、前記光源の長さ方向と直交する方向にステップ状に移動させることができるようになされ、これにより太陽電池受光面の全領域を測定することができるように構成される。
【０００７】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、短冊状のセルが直列に接続された集積型薄膜太陽電池に、セルの直列接続方向に長いライン状の光を照射して、太陽電池のライン状受光部分の光−電気特性を測定することを特徴とする集積型薄膜太陽電池の評価方法、が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す斜視図であり、図２は、その制御部のブロック図である。図１に示すように、遮光された容器である暗ボックス１内には、集積型薄膜太陽電池５が載置されるステージ２が設置されており、ステージ２上には、集積型薄膜太陽電池５上をライン状に照射することのできるライン構造光源４が移動可能に設置されている。ライン構造光源４は、ステップ駆動部３によりステップ状に移動されるように構成されており、これにより集積型薄膜太陽電池５の全受光面を照射することができるようになされている。
【０００９】
ライン構造光源４の長手方向は、集積型薄膜太陽電池のセルの直列接続方向（図８の左右方向）になっている。ライン構造光源４の発光源はランプまたはＬＥＤである。ランプとしてはハロゲンランプまたはキセノンランプを用いることができる。ランプとしては棒状のものを用いることができ、またライン構造光源４内に複数のランプが搭載されていても良い。ランプとして特に好ましいのは、ハロゲンランプである。
ＬＥＤを発光源とするとき、０．３〜１．５μｍの波長範囲内の単色または白色の複数のＬＥＤが直線的に配列される。異なる発光色のＬＥＤをそれぞれ複数個用意しておき、切り換えて異なる色のＬＥＤを発光させるようにしてもよい。この場合に、ＬＥＤは異なる発光色毎に別々の列に配列し、切り換えて異なる色のＬＥＤ列を発光させるようにしてもよい。集積型薄膜太陽電池ではバンド幅の異なる半導体層が積層される場合が多い。この場合に、異なる発光色の照明光を照射して特性測定を行うことにより、どの半導体層に不良原因が存在しているのかの特定が容易になる。
【００１０】
ライン光の長さは、太陽電池の受光面の出力端子間に設定し、ライン光の幅は、３〜５０ｍｍの幅に設定する。ライン光の幅は、ライン構造光源４の送られるステップ幅に関連して決定される。
ライン構造光源４には、光強度を均一化するための光拡散板が搭載されている。また、必要に応じてフィルタが搭載される。例えば、白色ＬＥＤを光源として用いるとき、白色ＬＥＤの発光色は通常の白色光より青側の光強度が高いので、フィルタを用いることにより白色ＬＥＤの発光スペクトルを補正することが望ましい。
ライン構造光源４は、薄膜太陽電池の全表面を測定する間中連続して発光させておくこともできるが、特性測定時にのみ発光させるようにしてもよい。
【００１１】
ライン構造光源４は、ステップ駆動部３により、太陽電池受光面の端から端までステップ状に送られる。その望ましいステップ幅は３〜５０ｍｍである。また、１枚の太陽電池に係る望ましいステップ数は、１０ないし１００である。ステップ数が多ければ精度は向上するが測定時間が長期化するので、ステップ数は精度と生産性のバランスを考慮して決定される。１枚の太陽電池について測定が完了すると、ライン構造光源４はステップ駆動部３により初期位置に復帰される。
集積型薄膜太陽電池の搬入・搬出、ライン構造光源のステップ送り、特性の測定などの一連の動作は、制御部６によってコントロールされる。暗ボックス１内の雰囲気、すなわち温度、および／または、湿度が空調部７によって制御される。空調部７を設けることにより、温度変化ないし湿度変化に応じた特性を測定することが可能になる。
【００１２】
図２に示されるように、制御部６には、中央処理部６１を中心として、基板搬入・搬出部６２、光源制御部６３、測定部６４、演算部６５、判定・選別部６６、記録部６７が設けられる。基板搬入・搬出部６２は、中央処理部６１の指示を受け、被測定太陽電池の搬入・搬出および位置決めを制御する。光源制御部６３には、光源位置制御部６３１と照明制御部６３２が設けられている。光源位置制御部６３１は、中央処理部６１よりトリガー信号が発せられると、ライン構造光源を１ステップだけ送る。照明制御部６３２は中央処理部６１の指示により光源のオン・オフを制御する。光源位置制御部６３１はまた当該被測定太陽電池について測定が完了すると光源の初期位置復帰を制御する。測定部６４は、中央処理部６１より被測定太陽電池の搬入が完了したこと若しくはライン構造光源の１ステップ移動が完了したことの信号を受けると被測定太陽電池の１ライン分のＩ−Ｖ特性を測定する。中央処理部６１は、測定部６４より１ライン分のＩ−Ｖ特性の測定が完了したことを示す信号を受け取ると光源制御部６３へ向けてトリガー信号を発信する。演算部６５は、測定部６４の測定データを受け取りこれに基づいて最大出力ＰｍａｘとＦＦ値とを算出する。測定部６４の測定データと演算部６５の演算結果とは、判定・選別部６６と記録部６７とに伝達される。判定・選別部６６は、被測定太陽電池の全面のデータを取得すると、その被測定太陽電池の良・不良の判別を行うと共に不良品が発生した場合には警告を発し、良品である場合にはその光−電気特性に応じてクラス分けを行う。警告が発せられると製造ラインへフィードバックがかけられる。
【００１３】
図３は、図１、図２に示される本実施の形態に係る集積化薄膜太陽電池の測定装置を用いた処理の流れの一例を示すフローチャートである。この例では、ライン構造光源は常時点灯されているものとされ、またライン構造光源のステップ送り回数はＮ（測定されるライン状領域はＮ＋１個）であるものとする。太陽電池処理部Ａでは、ステップＳ１１において、被測定太陽電池がステージ上に送られてきて位置決めされる。ステップＳ１２において、ｎ＝０と設定される。そして、ステップＳ１３において、光−電気特性の測定が行われる。すなわち、光の照射されたライン状部分の電流−電圧特性が測定される。ステップＳ１４において、ｎがＮであるか否かがチェックされる。Ｎである場合には、ステップＳ１５に至り、被測定太陽電池はステージ上から外され、本装置外へ搬出される。そして、ステップＳ１６において、ライン構造光源は初期位置へ復帰される。ステップＳ１４において、ｎ＝Ｎではないと判定された場合には、ステップＳ１７に至り、トリガー信号が発生され、ステップＳ１８において、ライン構造光源を１ステップ移動させる。そして、ステップＳ１９において、ｎ＝ｎ＋１とした後、ステップＳ１３へ移る。
【００１４】
データ処理部Ｂでは、太陽電池処理部ＡのステップＳ１１において、被測定太陽電池の搬入が行われると、ステップＳ２１において、ｍ＝０と設定し、ステップＳ２２において、太陽電池処理部ＡのステップＳ１３にて得られた測定データを取り込む。そして、ステップＳ２３において、取得した測定データに基づいて最大出力Ｐｍａｘを求め、ＦＦ値を算出する。次いで、ステップＳ２４において、ｍがＮであるか否かがチェックされる。ｍがＮである場合には、ステップＳ２５へ移り、測定の終了した被測定太陽電池の測定結果、演算結果を取得して、当該太陽電池について判定・選別を行う。すなわち、不良品は除外され、良品は特性に応じてクラス分けされる。不良品が発生した場合には、製造ラインに対してフィードバックが行われる（ステップＳ２６）。ステップＳ２４において、ｍがＮではないと判定された場合には、トリガー信号待機状態となる。ステップＳ２７において、ステップＳ１７で発信されたトリガー信号が受信されると、ステップＳ２８に移り、ｍ＝ｍ＋１とした後、ステップＳ２２へ進む。
【００１５】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す概略断面図である。本実施の形態では、被測定太陽電池が載置されるステージが移動できるように構成される。すなわち、ステップ送りされる可動ステージ１２上に集積型薄膜太陽電池１５は載置され位置決めされる。可動ステージ１２は、暗ボックス１１の床面にステップ移動可能に設置され、暗ボックス１１の天井にはライン構造光源１４が固定されている。ライン構造光源１４の長手方向は紙面垂直方向であって、集積型薄膜太陽電池１５のセルの直列接続方向もこの方向となっている。
本実施の形態においても、可動ステージ１２をステップ送りし、ステップ送り毎に電気的特性を測定することにより、先の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【００１６】
図５（ａ）は、本発明の第３の実施の形態を示す概略斜視図であり、図５（ｂ）は、その要部斜視図である。本実施の形態においては、ライン構造光源２４が複数本装備されたライン光源アレイ２４Ａが用いられる。光源アレイ２４Ａの光照射範囲は、集積型薄膜太陽電池２５の全受光領域をカバーできるようにライン構造光源２４の長さとその本数が決定されている。すなわち、ライン構造光源２４の長さは太陽電池の受光面の出力端子間に設定され、その幅は３〜５０ｍｍ、その本数は１０ないし１００になされる。光源アレイ２４Ａは、駆動部２３により上下動され、集積型薄膜太陽電池２５の測定時にはその表面に接触せしめられる。光源アレイ２４Ａの各ライン構造光源２４は、点灯用電源逐次供給回路２６より電力が供給され、順次点灯される。
【００１７】
次に、本実施の形態装置の動作について説明する。被測定ウエハである集積型薄膜太陽電池２５は、搬送手段（図示なし）により暗ボックス２１内に搬入され、ステージ２２上の所定の位置に位置決めされる。次に、ライン光源アレイ２４Ａが、駆動部２３により降下させられ、その表面が集積型薄膜太陽電池２５の受光面と接触させられる。続いて、点灯用電源逐次供給回路２６により、例えば、図５（ｂ）の右端のライン構造光源２４が点灯される。そして、光照射領域の、すなわち、図５（ａ）に示す集積型薄膜太陽電池２５の左端のライン状領域についての測定が行われる。そのライン状領域についての測定が終了すると、点灯用電源逐次供給回路２６は、図５（ｂ）に示す右から２番目のライン構造光源２４が点灯され、そして図５（ａ）に示す集積型薄膜太陽電池２５の左から２番目のライン状領域についての測定が行われる。以下、同様にして、ライン光源アレイ２４Ａの各ライン構造光源は逐次点灯され、それに連動して集積型薄膜太陽電池２５のライン状測定領域についての測定が逐次行われる。集積型薄膜太陽電池２５の全受光領域についての測定が完了すると、ライン光源アレイ２４Ａは駆動部２３により上昇させられ、集積型薄膜太陽電池２５は搬送手段（図示なし）により暗ボックス２１外へ搬出される。
【００１８】
【実施例】
ガラス基板上にモリブデン（Ｍｏ）を下部電極とし、ｐ型ＣＩＧＳ（ＣｕＩｎＧａＳｅ）膜、ｎ型ＣｄＳ膜、ＺｎＯ膜、ＡｌドープＺｎＯ膜が順次積層された集積型薄膜太陽電池を作製した。このモジュールの受光面積は１７１ｍｍ（セルの長手方向）ｘ３０８ｍｍ（セルの直列接続方向）、セル段数は４２である。一つのモジュール（モジュールＡとする）上を、開口部の大きさが３０８ｘ３ｍｍ^２で棒状ハロゲンランプを発光源とするライン構造光源を用いて、３ｍｍステップで５７ライン照射して、ライン毎に特性を測定した。モジュールＡについて得られた結果を図６に示す。他のモジュール（モジュールＢとする）についても同様に測定した。そのライン毎の測定結果に基づいて、各ライン毎に最大出力Ｐｍａｘ、曲線因子ＦＦを求めた。
図７は、モジュールＡとモジュールＢのライン毎の、短絡電流Ｉｓｃ、開放電圧Ｖｏｃ、最大出力Ｐｍａｘ、曲線因子ＦＦを示したグラフである。図７において、縦軸は各特性値のばらつき幅である。各特性値のばらつきの許容値を１０％と設定するとき、モジュールＢは合格品となるが、モジュールＡはＰｍａｘにおいてばらつきが１０％を越えるため不合格となる。
【００１９】
モジュールＡとモジュールＢについて従来方法により測定・評価を行うとき、すなわち受光面全面に光照射を行い全体の特性測定を行うとき、面内ばらつきは平均化されるため、モジュールＡとモジュールＢについてほぼ同様の測定結果が得られ共に良品と判定される。しかし、面内に局部的に特性の悪い領域が存在している場合にはその部分から劣化が進行するため、経時安定性を向上させ長期信頼性を確保するためには、面内に局部的に劣悪部分が存在する製品は出荷段階でリジェクトしておくことが望ましい。また、局部的に劣悪部分が存在する製品が製造されているときには、製造工程での改善が望まれるが、従来方法では不良品発生を発見することができず、製造現場への工程改善方要請も不可能なことであった。本願発明は、不良品発見、製造ラインへのフィードバックに有効な手立てを提供するものである。
【００２０】
以上好ましい実施の形態、実施例について説明したが、本願発明はこれらに限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、上述した実施の形態では、ステップ移動は、ライン構造光源またはステージのいずれかであったが、双方がステップ移動できるように構成されていてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ライン構造光源によって集積型薄膜太陽電池上を照射してそのライン状部分の光−電気特性を測定しその性能を評価するものであるので、集積型薄膜太陽電池の局部的な特性を評価することができる。従って、本発明によれば、集積型薄膜太陽電池内部の特性ばらつきや局部的欠陥を認識することが可能になり、内部均一性の高い、局部的欠陥要素を含まない、すなわち経時的劣化の起こり難い品質の保証された製品の供給が可能になる。これと共に、太陽電池内部の特性ばらつきや局部的欠陥の製造過程への情報フィードバックが可能になり、工程管理上に有益な情報を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略斜視図。
【図２】図１に示す装置の制御部の構成を示すブロック図。
【図３】図１に示す装置の処理の流れを示すフローチャート。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す概略断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す概略斜視図。
【図６】本発明の一実施例の測定結果を示すグラフ。
【図７】図６の測定結果から得られた特性曲線図。
【図８】集積型薄膜太陽電池の斜視図と断面図。
【符号の説明】
１、１１、２１ 暗ボックス
２、２２ ステージ
３ ステップ駆動部
４、１４、２４ ライン構造光源
５、１５、２５ 集積型薄膜太陽電池
６ 制御部
７ 空調部
１２ 可動ステージ
２３ 駆動部
２４Ａ ライン光源アレイ
２６ 点灯用電源逐次供給回路

Claims (20)

1. 短冊状のセルが直列に接続された集積型薄膜太陽電池を載置する載置台と、前記集積型薄膜太陽電池上を照射する、セルの直列接続方向に長いライン状の光源と、前記光源に照射された前記集積型薄膜太陽電池の光−電気特性を測定する測定器と、を備えたことを特徴とする集積型薄膜太陽電池の評価装置。
2. 前記光源または前記載置台のいずれか一方または双方を、前記光源の長さ方向と直交する方向にステップ状に移動させることができることを特徴とする請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
3. 前記光源または前記載置台のステップ移動の回数が、１集積型薄膜太陽電池について１０回以上１００回以下であることを特徴とする請求項２に記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
4. 前記ステップ状の移動がトリガー信号によって開始され前記光−電気特性の測定が前記ステップ状の移動と連動して自動的に行われることを特徴とする請求項２または３に記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
5. ライン状の光源が、集積型薄膜太陽電池の全受光領域を覆うように複数本設けられ、各光源の点灯が逐次切り換えられることを特徴とする請求項１に記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
6. 前記光−電気特性が、当該太陽電池の光照射時の短絡電流、開放電圧および電流−電圧特性であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
7. 前記光源が、直線的に配列された単色ＬＥＤもしくは白色ＬＥＤ、または、ランプを備えるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
8. 前記ランプが、棒状ハロゲンランプであることを特徴とする請求項７に記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
9. 前記光源が、発光色の異なるＬＥＤをそれぞれ複数個ずつ備えるものであって、発光するＬＥＤの色を切り替えることができるように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
10. 前記光源が、直線的に配列されたＬＥＤの列を複数個備えるものであって、各列のＬＥＤの発光色が互いに異なっており、かつ、発光するＬＥＤの色を切り替えることができるように構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
11. 前記光源には、光強度を均一化する光拡散板が備えられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
12. 前記光源には、照射光のスペクトルを調整するフィルタが備えられていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
13. 前記光源の光出射口の長さは太陽電池受光面の出力電極間に一致し、その幅は３ｍｍから５０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
14. 太陽電池の受光面は前記光源のみにより光照射されることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価装置。
15. 短冊状のセルが直列に接続された集積型薄膜太陽電池に、セルの直列接続方向に長いライン状の光を照射して、太陽電池のライン状受光部分の光−電気特性を測定することを特徴とする集積型薄膜太陽電池の評価方法。
16. 前記ライン状受光部分をステップ状に移動させ、太陽電池受光面の全面の光−電気特性を測定することを特徴とする請求項１５に記載の集積型薄膜太陽電池の評価方法。
17. 太陽電池受光面の全面的測定結果に基づいて、面内の特性ばらつきを評価することを特徴とする請求項１６に記載の集積型薄膜太陽電池の評価方法。
18. 光−電気特性の測定結果に応じてクラス分けないし選別が行われることを特徴とする請求項１５から１７のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価方法。
19. 照射光の色を変化させ、各色毎の光−電気特性を測定することを特徴とする請求項１５から１８のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価方法。
20. 太陽電池の配置される環境の温度を変化させ、異なる温度での光−電気特性を測定することを特徴とする請求項１５から１９のいずれかに記載の集積型薄膜太陽電池の評価方法。

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