JP2005333080A - カルコパイライト型太陽電池の特性評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カルコパイライト型太陽電池の出力特性を正確に評価する。
【解決手段】カルコパイライト型太陽電池に対し、先ず、セルを封入した樹脂材を透過可能であり、且つ４８０ｎｍまでの波長領域に最大ピークを有する光を、好ましくは１ｋＷｈ以上の積算照射量で照射する。これにより、カルコパイライト型太陽電池の光照射効果が解消される。次に、光照射効果が解消されたカルコパイライト型太陽電池に対して疑似太陽光を照射し、この状態で、該カルコパイライト型太陽電池の出力を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カルコパイライト型太陽電池の出力特性を評価する特性評価方法に関する。

カルコパイライト型太陽電池は、Ｃｕ（ＩｎＧａ）Ｓｅと表記されるカルコパイライト化合物（以下、ＣＩＧＳともいう）を光吸収層として備える太陽電池であり、エネルギ変換効率が高い、経年変化による光劣化がほとんど起こらない、耐放射線特性に優れる、光吸収波長領域が広い、光吸収係数が大きい等、種々の利点を有することから特に着目されており、量産化のために様々な検討がなされている。

この種のカルコパイライト型太陽電池は、複数個のセルが互いに電気的に接続された後、該セルが樹脂材で封止されてモジュール化されることによって作製される。なお、各セルは、例えば、Ｍｏからなる第１電極、ＣＩＧＳからなる光吸収層、バッファ層、高抵抗層（半絶縁層）、ＺｎＯ／Ａｌからなる透明な第２電極、光吸収層に入射された光が反射して外部に漏れることを防止するための反射防止層２６がガラス基板上にこの順序で設けられることによって形成される。ここで、バッファ層、高抵抗層、反射防止層の各々は、例えば、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＭｇＦ₂からなる。バッファ層の材質としては、ＺｎＯ、ＩｎＳが選定されることもある。

このように構成されたカルコパイライト型太陽電池に太陽光等の光が照射されると、光吸収層に電子と正孔の対が生じる。そして、Ｐ型半導体であるＣＩＧＳ製の光吸収層と、Ｎ型半導体である第２電極との接合界面において、電子が第２電極（Ｎ型側）の界面に集合するとともに、正孔が光吸収層（Ｐ型側）の界面に集合する。この現象が起こることにより、光吸収層と第２電極との間に起電力が生じる。この起電力による電気エネルギが、第１電極と第２電極にそれぞれ接続された第１リード部、第２リード部から電流として外部へと取り出される。

ところで、ＺｎＯやＩｎＳ等、ＣｄＳ以外の材質でバッファ層を形成した場合、カルコパイライト型太陽電池を暗所に長時間保管すると、電池性能が低下する現象、すなわち、いわゆる光照射効果が起こる。このため、製造されたカルコパイライト型太陽電池が所定の特性を備えているか否かを正確に評価することが困難となる。

このような観点から、特許文献１や特許文献２では、ＺｎＳｅからなるバッファ層を有するカルコパイライト型太陽電池の特性を正確に評価するべく、該カルコパイライト型太陽電池を製造した際、ソーラーシュミレータによってエアマス（ＡＭ）１．５、照射強度１００ｍＷ／ｃｍ²の人工光を３０〜６０分間照射して光照射効果を解消させ、その後、ＡＭ１．５、照射強度１００ｍＷ／ｃｍ²の人工光を同様に照射しながら出力特性を評価することが提案されている。

また、非特許文献１には、Ｉｎ（ＯＨ）₃：Ｚｎ²⁺からなるバッファ層を、ＺｎＣｌ₂の濃度を高くして設けることが光照射効果の低減に有効である、との報告がなされている。非特許文献１によれば、ＺｎイオンがＣＩＧＳ光吸収層内に拡散されてｐｎホモ接合がＣＩＧＳ光吸収層に埋没するので、ｐｎホモ接合が光照射効果の原因である欠陥から離間し、その結果、光照射効果が低減すると考えられる、とのことである。

特開平９−３６４０１号公報 特開平９−３６４０２号公報 平成１３年度新エネルギー・産業技術総合開発機構委託業務成果報告書 太陽光発電技術研究開発 先進太陽電池技術研究開発 先進太陽電池実用化調査研究「バッファ層及び接合界面特性の解析」 太陽光発電技術研究組合、東京工業大学 平成１４年３月

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載されているように人工光をカルコパイライト型太陽電池に予め照射し、その後に人工光を照射しながら特性評価を行うと、時間の経過とともにカルコパイライト型太陽電池の出力特性が低下してしまうという不具合がある。

また、非特許文献１に記載されているように、Ｉｎ（ＯＨ）₃：Ｚｎ²⁺からなるバッファ層を設けた場合においても、光照射効果をすべて解消することは困難である。特に、光吸収層を設ける際に、気相によるセレン化を行うと、ＣｄＳからバッファ層を設けた場合に比して規模が大きな光照射効果が認められる。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、カルコパイライト型太陽電池に光照射効果が生じることを可及的に回避し、これにより、該カルコパイライト型太陽電池の特性を一層正確に評価することが可能なカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法を提供することを目的とする。

特許文献１及び特許文献２に記載された技術において、特性評価を行う前に人工光をカルコパイライト型太陽電池に予め照射する理由は、光を照射することによって電池性能が回復することが知られているからであると推察される。このような知見が得られているにも関わらず、時間の経過とともにカルコパイライト型太陽電池の電池特性が低下する理由につき鋭意検討を重ねる過程で、本発明者らは、光の照射に伴ってカルコパイライト型太陽電池の温度が上昇するためではないかと推察した。

しかしながら、カルコパイライト型太陽電池の温度が降下するまで放置した場合、光照射効果が再度発現する。結局、このためにカルコパイライト型太陽電池の出力特性を正確に評価することが困難となる。

この点に鑑み、本発明者らは更なる鋭意検討を重ね、本発明をするに至った。

すなわち、本発明は、光照射効果を示すセルが複数個電気的に接続されるとともに樹脂材で封止されることによってモジュール化されたカルコパイライト型太陽電池の特性を評価するカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法であって、
カルコパイライト型太陽電池に対して第１の光を照射する光予備照射工程と、
前記カルコパイライト型太陽電池に対して疑似太陽光を照射しながら、該カルコパイライト型太陽電池の出力を測定する出力測定工程と、
を有し、
前記第１の光として、前記樹脂材を透過することが可能であり、且つ４８０ｎｍまでの波長領域に最大ピークを有する光を照射することを特徴とする。

第１の光を照射することによって、カルコパイライト型太陽電池の光照射効果が解消される。しかも、この場合、第１の光として、４８０ｎｍまでの波長領域に最大ピークを有する光、換言すれば、短波長光が照射されるので、光予備照射工程によってカルコパイライト型太陽電池の温度が上昇することが抑制される。以上のような理由により、出力測定工程において、測定開始直後であっても、カルコパイライト型太陽電池の出力値が小さくなることが回避される。すなわち、測定開始直後から、カルコパイライト型太陽電池の出力特性を正確に評価することができる。

なお、カルコパイライト型太陽電池の光照射効果を十分に解消するべく、第１の光の積算照射量は、０．１ｋＷｈ以上とすることが好ましい。

また、第１の光は、セルを封入する樹脂材を透過することが可能であり、且つ４８０ｎｍ以下の波長領域に最大ピークを有するような光であれば特に限定されるものではないが、前記樹脂材としては、エチレン酢酸ビニル共重合体樹脂（ＥＶＡ）が使用されることが一般的である。この場合、第１の光としては、ＥＶＡを透過させるべく、３７０ｎｍ以上の波長領域に最大ピークを有する光を選定する。

ここで、出力測定工程の際、カルコパイライト型太陽電池に対して疑似太陽光が長時間にわたって照射されることに伴い、該カルコパイライト型太陽電池の温度が上昇し、その結果、該カルコパイライト型太陽電池の出力が低下することがある。そこで、カルコパイライト型太陽電池の温度と出力値との相関関係を予め調べ、出力測定工程に際し、該カルコパイライト型太陽電池の出力値に対して温度補正を行うことが好ましい。これにより、出力低下が生じた場合であっても、カルコパイライト型太陽電池の出力特性を正確に評価することができる。

本発明によれば、出力測定が行われる前のカルコパイライト型太陽電池に対して、短波長光が予め照射される。このため、カルコパイライト型太陽電池の光照射効果が解消される。しかも、短波長光を照射する場合、カルコパイライト型太陽電池の温度が上昇することが抑制される。従って、出力測定開始直後から、カルコパイライト型太陽電池が高い出力値を示すので、カルコパイライト型太陽電池の出力特性を比較的正確に評価することができる。

以下、本発明に係るカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、カルコパイライト型太陽電池のセル１０の概略縦断面図である。このセル１０は、ガラス基板１２上に積層体１４が積層されることによって設けられる。ここで、積層体１４は、ガラス基板１２側から、Ｍｏからなる第１電極１６と、ＣＩＧＳからなる光吸収層１８と、ＺｎＯ／Ａｌからなる透明な第２電極２０とを有し、光吸収層１８と第２電極２０との間には、光吸収層１８と第２電極２０との熱膨張係数の相違を緩和するためのバッファ層２２及び高抵抗層（半絶縁層）２４が介装されている。さらに、第２電極２０上には、光吸収に入射された光が反射して外部に漏れることを防止するための反射防止層２６が設けられている。なお、本実施の形態において、バッファ層２２、高抵抗層２４、反射防止層２６は、それぞれ、ＩｎＳ、ＺｎＯ、ＭｇＦ₂からなる。

第１電極１６の一部は積層体１４から露呈されており、この露呈した部位には、第１リード部２８が設けられる。その一方で、第２電極２０の一部も反射防止層２６から露呈されており、この露呈した部位には、第２リード部３０が設けられている。

カルコパイライト型太陽電池は、このように構成されたセル１０が複数個電気的に接続され、さらに、図示しない樹脂材で封止されてモジュール化されることによって構成される。樹脂材としては、一般的にＥＶＡが選定される。

このように構成されたカルコパイライト型太陽電池の出力特性を評価するに際しては、そのフローチャートが図２に示される特性評価方法が実施される。この特性評価方法は、カルコパイライト型太陽電池に対して第１の光を照射する光予備照射工程Ｓ１と、該カルコパイライト型太陽電池に対して疑似太陽光を照射しながら出力を測定する出力測定工程Ｓ２とを有する。

先ず、カルコパイライト型太陽電池に対し、光予備照射工程Ｓ１において、短波長光を照射する。ここで、短波長光とは、４８０ｎｍ以下の波長領域に最大ピークを有する光のことを指称する。なお、短波長光は、樹脂材を透過することが可能な波長で最大ピークが出現するものが選定される。例えば、樹脂材としてＥＶＡが選定されている場合、３７０ｎｍ以上の波長に最大ピークが出現するものが照射される。

短波長光が照射されることにより、カルコパイライト型太陽電池の光照射効果が解消され、電池性能が回復する。なお、光照射効果を十分に解消するべく、短波長光の照射時間と照射強度を、その積である積算照射量が０．１ｋＷｈ以上となるように設定することが好ましい。

この場合、４８０ｎｍ以下の波長に最大ピークが出現する短波長光を照射するようにしているので、各セル１０、ひいてはカルコパイライト型太陽電池の温度が上昇することを抑制することができる。

次に、出力測定工程Ｓ２において、前記カルコパイライト型太陽電池に対して疑似太陽光、すなわち、ＡＭ１．５、照射強度１００ｍＷ／ｃｍ²の人工光を照射しながら、該カルコパイライト型太陽電池の出力測定を行う。

このようにして測定されたカルコパイライト型太陽電池の出力変化を、光予備照射工程Ｓ１を行うことなく測定されたカルコパイライト型太陽電池の出力変化と併せて図３に示す。この図３から、出力測定を開始した直後のカルコパイライト型太陽電池の出力は、短波長光を照射しない場合には光照射効果に起因して小さく、一方、短波長光を予め照射した場合には光照射効果が解消されることによって十分に大きくなることが諒解される。

このように、本実施の形態においては、カルコパイライト型太陽電池に対して先ず短波長光を照射し、これにより該カルコパイライト型太陽電池の光照射効果を回復するようにしている。このため、出力測定を開始した直後であっても、カルコパイライト型太陽電池の出力を正確に測定することが可能となる。

しかも、本実施の形態によれば、照射される光が短波長光であるので、上記したように、光予備照射工程Ｓ１においてカルコパイライト型太陽電池の温度が上昇することが抑制される。このため、出力測定の最中にカルコパイライト型太陽電池の温度が降下することを回避することができ、ひいては温度降下による出力変化を回避することができるので、カルコパイライト型太陽電池の出力を一層正確に測定することができる。

なお、出力測定が長時間にわたると、疑似太陽光がその間照射され続けることに伴ってカルコパイライト型太陽電池の温度が上昇することがある。この場合、カルコパイライト型太陽電池の出力が低下し、その結果、正確な出力特性を測定することが容易でなくなる。

このような事態が生じることを回避するべく、出力測定工程Ｓ２において、出力値に対して温度補正を加えるようにしてもよい。具体的には、カルコパイライト型太陽電池における様々な温度での出力を測定し、該カルコパイライト型太陽電池の温度と出力との相関関係を予め求めておく。そして、出力測定工程Ｓ２において、カルコパイライト型太陽電池の温度も同時に測定し、測定開始時の温度と比較する。

温度が上昇している場合、予め調べた温度と出力との相関関係から、温度が上昇していない場合との出力差を求める。その出力差を実際の出力値に加えることにより、出力特性を一層正確に評価することができる。

なお、上記した実施の形態においては、バッファ層２２がＣｄＳ以外の材質からなることに起因して光照射効果が生じる場合を例示して説明したが、本発明は特にこの場合に限定適用されるものではなく、光照射効果が起こるカルコパイライト型太陽電池であれば適用することが可能である。

カルコパイライト型太陽電池の概略縦断面図である。 本実施の形態に係るカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法のフローチャートである。 カルコパイライト型太陽電池における照射時間と出力変化との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０…セル １２…ガラス基板
１４…積層体 １６、２０…電極
１８…光吸収層 ２２…バッファ層
２４…高抵抗層 ２６…反射防止層
２８、３０…リード部

Claims (4)

1. 光照射効果を示すセルが複数個電気的に接続されるとともに樹脂材で封止されることによってモジュール化されたカルコパイライト型太陽電池の特性を評価するカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法であって、
   カルコパイライト型太陽電池に対して第１の光を照射する光予備照射工程と、
   前記カルコパイライト型太陽電池に対して規格される疑似太陽光を照射しながら、該カルコパイライト型太陽電池の出力を測定する出力測定工程と、
   を有し、
   前記第１の光として、前記樹脂材を透過することが可能であり、且つ４８０ｎｍまでの波長領域に最大ピークを有する光を照射することを特徴とするカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法。
2. 請求項１記載の特性評価方法において、前記第１の光の積算照射量を０．１ｋＷｈ以上とすることを特徴とするカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法。
3. 請求項１又は２記載の特性評価方法において、前記セルを前記樹脂材としてのエチレン酢酸ビニル共重合体樹脂で封入するとともに、前記第１の光として、３７０ｎｍ以上の波長領域に最大ピークを有する光を照射することを特徴とするカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の特性評価方法において、前記出力測定工程の際に、該カルコパイライト型太陽電池の出力値に対して温度補正を行うことを特徴とするカルコパイライト型太陽電池の特性評価方法。

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