JP2007165376A - 太陽電池出力測定用ソーラシミュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 測定の高精度化を実現できるソーラシミュレータを提供すること。
【解決手段】 キセノンランプ５を光源とし、下記の機能を有する光学フィルター４を用い、照射光スペクトルを太陽光に近似させた構成としたこと。
1)照射光の４５０〜５００、好ましくは４７５ｎｍにおけるスペクトルのピークを除去する機能
2)照射光の８００〜８４０、好ましくは８２０ｎｍにおけるスペクトルのピークを除去する機能
3)照射光の７５０ｎｍ以上におけるスペクトルの凹凸を平滑化する機能
【選択図】図９

Description

本発明は、太陽電池の出力特性を測定するためのソーラシミュレータに関する。

太陽電池はクリーンなエネルギ源として増々その重要性が認められて需要が高まり、また、大型機器類のパワーエネルギ源から精密な電子機器分野での小型電源まで、様々な分野での需要も高まっている。

太陽電池が様々な分野で広く利用されるには、当該電池の特性、とりわけ出力特性が正確に測定されていないと、太陽電池を使用する側においても様々な不都合が予測される。このため従来から太陽電池の出力特性を測定するための擬似太陽光照射装置（以下、ソーラシミュレータという）が提案され実用にも供されている。

このようなソーラシミュレータにより、太陽電池の出力特性の測定精度を向上させる場合に、パネル状の太陽電池の受光面にスペクトルが太陽光と同等に均一化された自然光に近い人工光（擬似太陽光）が照射されていることが必要である。
例えば結晶系のシリコン太陽電池の場合、その照射光の波長と出力特性（相対分光感度）の関係は、図１のように、８００ｎｍ〜９００ｎｍにピークがある。また多接合型太陽電池の場合、その照射光の波長と出力特性（相対分光感度）の関係は、例えば図２のように、５００ｎｍ〜６００ｎｍと７００ｎｍ〜９００ｎｍにピークがある。従って、光源ランプの照射光のスペクトルが、ある特定な波長でピークがあると太陽電池の出力特性を正確に測定することが困難になる。

上記のようにソーラシミュレータにおける光源ランプからの照射光のスペクトルの不均一に起因する太陽電池の出力特性の測定誤差を解消する手法として、以下に述べるような方法が提案されている。

太陽電池の出力特性を測定する際に使用するキセノンランプは、８００ｎｍ以上において光強度が強すぎる傾向にあるので、従来手法ではこの対策として、８００ｎｍ以上の透過率を下げた多層膜干渉フィルター（エアマスフィルター）を通すことにより、太陽光に近似させてソーラシミュレータとしていた。しかし、この方法では、キセノンランプ光源に固有の波長のある部分において局部的に照射光のスペクトルが強い波長域を、太陽光に近似できていないため、照射光スペクトルにより出力特性が変動しやすい、例えば、多接合型太陽電池を測定する場合、その出力特性を正確に測定することが出来ないことがある。

また、特許文献１（特許第３５００３５２号公報）には、２種類の光源を用いたソーラシミュレータが提案されている。この技術では、キセノンランプとハロゲンランプの２種類の光源を用いことにより、キセノンランプの照射光は、キセノンランプ用光学フィルターで長波長領域を減光し、ハロゲンランプの照射光は、ハロゲンランプ用光学フィルターで長波長領域の一部と短波長領域を減光するようにしている。しかし、この手法のソーラシミュレータでは、装置構成が複雑にならざるを得ないことから、装置の製作コストが高く付くほか、放射照度の場所むらを、各々の光源について調整する必要があるため、その調整に多くの時間がかかるという難点があった。

一方、特許文献２（特開２００２−２８０５８３号公報）や特許文献３（開２００４−２７３８７０号公報）には、部分的なある波長域の光をカットする光学フィルターを使用することにより、多接合型の薄膜太陽電池などのように、特殊なタイプの太陽電池の出力測定に対応する方法が提案されている。しかしこの方法では、ソーラシミュレータにおいて、測定に使用するキセノンランプの発光スペクトル全体にわたって、太陽光に近似する光学フィルターの構成についてまでの提案はなされていないので、先に述べた出力特性の測定誤差の問題は解消できていない。

特許３５００３５２号公報 特開２００２−２８０５８３号公報 特開２００４−２７３８７０号公報

本発明は、従来のキセノンランプを光源とするソーラシミュレータにおいて、光学フィルターを通過した後のスペクトルが太陽光に近似していないことに起因する太陽電池の出力測定上の問題点に鑑み、これらの問題点を解消し、測定の高精度化を実現できるソーラシミュレータを提供することを課題とする。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明の太陽電池出力測定用ソーラシミュレータの構成は、キセノンランプを光源とし、下記の機能を有する光学フィルターを用い、照射光スペクトルを太陽光に近似させた構成としたことを特徴とするものである。
1)照射光の４５０〜５００、好ましくは４７５ｎｍにおけるスペクトルのピークを除去する機能
2)照射光の８００〜８４０、好ましくは８２０ｎｍにおけるスペクトルのピークを除去する機能
3)照射光の７５０ｎｍ以上におけるスペクトルの凹凸を平滑化する機能

また、本発明太陽電池出力測定用ソーラシミュレータに用いる光学フィルターは、上記の各機能を夫々に有する個々の光学フィルターを積層した構成のもの、又は、上記の機能のうちいずれか２つの機能を有する光学フィルターと、残り１つの機能を有する光学フィルターを積層した構成のものを用いることができる。

さらに、本発明太陽電池出力測定用ソーラシミュレータに用いる光学フィルターは、上記の全ての機能を有する光学フィルターを１層で構成したものを用いることもできる。

また、本発明太陽電池出力測定用ソーラシミュレータに用いる光学フィルターは、前記段落００１１における1)〜3)の機能の内、いずれかの機能の特性を変更した光学フィルターに交換することにより、波長の一部において、スペクトルの異なる光を照射することもできる。なお、本発明ソーラシミュレータに用いる光学フィルターは、透過型，反射型のいずれであってもよい。

本発明では、太陽電池の出力特性の測定を行うためのソーラシミュレータの光源に前述の機能を有する光学フィルターを適用することにより、照射光の全波長帯域にわたりスペクトルを自然太陽光のそれにより近似させることができる。従って、低コストで作成できる1灯式のソーラシミュレータにおける光源のキセノンランプに上記光学フィルターを使用すれば、測定対象である太陽電池に照射される光のスペクトルを太陽光により近似させることができるので、光源ランプのスペクトルにより出力特性が変化しやすい太陽電池の測定精度を向上させることができる。

また、光源スペクトルにおける特定波長帯域のピーク除去機能毎に、夫々の機能を有する光学フィルターを積層するという簡潔な手法で、照射光を太陽光に近似させることができる。さらに、特定波長帯域のピーク除去機能は、各帯域ごとに除去特性を変えた光学フィルターに交換することで、スペクトルの異なる照射光による太陽電池の出力特性の測定が可能になるから、スペクトル依存性の大きい太陽電池の出力特性も高精度に測定することが可能となる。

次に、本発明の実施の形態例について、図に拠り説明する。図３は本発明における光学フィルターを用いたソーラシミュレータの一例の縦断面図である。図４は光学フィルターが無い状態でのキセノンランプからの照射光の波長と相対照度の関係を表示したスペクトル図、図５は従来用いられている光学フィルターの波長と透過率（％）を示す透過特性図、図６は従来型の光学フィルターを通過した後のキセノンランプからの照射光の波長と相対照度の関係を表示したスペクトル図、図７と図８は、本発明に使用する光学フィルターの波長と透過率（％）を示す透過特性図、図９は本発明に用いる別構成の光学フィルターの波長と透過率（％）を示す透過特性図、図１０は本発明による光学フィルターを通過した後のキセノンランプからの照射光の波長と相対照度の関係を表示したスペクトル図である。

まず、本発明ソーラシミュレータの一例の構成について図３に沿って説明する。遮光材で囲った箱状をなすフレーム１の内側下部に光源となるキセノンランプ５を設置し、該フレーム１の内部において前記ランプ５の上位に、光学フィルター用の透光性支持板２を架設してその支持板２の上に本発明における光学フィルター４を設置している。また、このフレーム１の上部には測定対象である太陽電池支持用の透明板３が設置されており、この透明板３の上に測定対象である太陽電池モジュールＡを載置する。一方、キセノンランプ５の上には照度調整用の反射板６を配置し、当該ランプ５を点灯すると、光は反射板６に反射され光学フィルター４を通過して測定対象である太陽電池モジュールＡに擬似太陽光として照射される。本発明ではこの光学フィルター４に後に述べる種々の機能を持たせたものを用いることにより、その光学フィルター４を透過した後の照射光を従来のものに比べ、より太陽光に近いスペクトルとし、太陽電池モジュールの出力特性を測定できるので、その測定精度を向上させることができるのである。

次に、本発明で使用する光学フィルター４につい説明する。まず光学フィルター用の透光性支持板２の上には、図５、図７、図８に例示した３種類の異なる透過特性を有するフィルターを各々を積層した構成の光学フィルター４を載置している。ここでは、概略４００ｍｍ角程度の積層型光学フィルターの複数枚を、その被測定太陽電池モジュールＡの大きさに合わせ同一面内で接合一体化した光学フィルターユニットＦを構成している。なお、この光学フィルターユニットＦは、前記支持板２の上に着脱可能に載置することにより、光学フィルターユニットＦ全体の交換が可能な構成とすることもできる。また、前記光学フィルターユニットＦは、適宜の平面大きさの光学フィルターを同一面内で接合して所要大きさの光学フィルターユニットＦに形成したものであるが、本発明では、所要大きさの一枚ものの光学フィルターを積層して光学フィルターユニットＦに形成したものを用いてもよい。

キセノンランプからの照射光のスペクトルは、図４の例示するように４７５ｎｍと８２０ｎｍにピークがあり、８００ｎｍ以上ではそのスペクトルの凹凸が激しい。そこで、第１層目の光学フィルターには、図５に例示するような透過特性を有する光学フィルターであって、７５０ｎｍ以上のスペクトルを凹凸を平滑化する機能を有したものを用いる。この第一層の光学フィルターは従来から使用されているものである。しかし、この第１層の光学フィルターだけでは、図６に例示するようにキセノンランプの照射光のスペクトルは、４７５ｎｍと８２０ｎｍのピーク値が高いので、このソーラーシュミレータによって太陽電池の出力特性測定の精度向上を考えると不十分であることは前述の通りである。

そこで本発明では、上記の第１層目の光学フィルターの上に、第２層目として図７に例示するように４７５ｎｍのピークを減光させる透過特性を有する光学フィルターを積層させ、更にその上に第３層目として図８に例示するように８２０ｎｍのピークを減光させる透過特性を有する光学フィルターを積層させて形成した積層型光学フィルター４を用いるようにした。光学フィルター４を上記のような構成としたことにより、キセノンランプ５の照射光は光学フィルター４を透過した後、そのスペクトルが図１０に例示するように、４７５ｎｍと８２０ｎｍのピークを低く（減光）することができ、より太陽光に近いスペクトルとする、換言すれば、前記光学フィルター４を通過したキセノンランプの照射光を基準太陽光のエネルギー分布に近付けることができる。

なお、スペクトルのピークを減光させる光学フィルターの特定波長は上記例に限られるものではなく、４７５ｎｍに関しては４５０〜５００ｎｍの波長域で、また、８２０ｎｍに関しては８００〜８４０ｎｍの波長域で、それぞれピークを減光させる特性の光学フィルターであってもよい。

また、本発明における光学フィルターの第１層目〜第３層目の積層順序は、上記の順序に限定されるものではない。一方、８２０ｎｍ付近の透過率を図８に破線で示すように非常に小さくしてしまうと、透過特性の裾野が広くなり本来減光したくない波長域まで減光してしまうことになるので、各層の光学フィルターに設定する透過率はそのようにならないように吟味することが望ましい。

上記に述べた例は、３種類の透過特性を有する光学フィルターを各々積層した構成であるが、３種類の透過特性のうちのいずれか２種類の透過特性を有する光学フィルターと、残り１種類の透過特性を有する光学フィルターとを２層に積層させて本発明に用いる光学フィルター４を構成することもできる。図９は、一例として４７５ｎｍのピークと８２０ｎｍのピークを減光させる機能を付与した光学フィルターの透過特性を示したものである。図５の透過特性を有する光学フィルターと図９の透過特性を有する光学フィルターを積層させ、図３のソーラシミュレータの光学フィルター４として使用しても、この光学フィルター４を透過した後のキセノンランプ５の照射光のスペクトルは、図１０と同じものが得られる。

また、図示しないが、上述した３種類の透過特性の全てを１層の光学フィルターに付与して本発明に用いる光学フィルター４を構成することも可能であり、そのように構成した光学フィルターを、図３のソーラシミュレータの光学フィルター４として使用しても、その光学フィルター４を透過した後のキセノンランプ５の照射光のスペクトルは図１０と同じものが得られる。

さらに、３種類の透過特性を有する光学フィルターのうち、いずれかの光学フィルターの透過特性を変更した光学フィルターに変えて積層し、本発明に用いる光学フィルター４とすることも可能である。そのような光学フィルターを図３のソーラシミュレータの光学フィルター４として使用することにより、波長帯域の一部におけるスペクトルを変更させた光を照射することにより種々の波長域において出力特性のピークのある太陽電池の出力特性の測定が可能になる。

本発明では、上記に述べたような、種々の太陽電池の測定に適した光学フィルターユニットＦの複数種類を予め用意しておき、測定する太陽電池モジュールの機種変更に応じて透過特性等が異なる光学フィルターユニットＦに交換することも可能である。これにより１台のソーラシミュレータで種々の太陽電池の出力特性の測定が可能となる。

以上に述べた本発明ソーラシミュレータに用いる光学フィルター４は、透過型の光学フィルターを用いた例であるが、本発明ソーラシミュレータでは、反射型の光学フィルターを用いて本発明ソーラシミュレータに構成することができるので、この点について、図１１により簡単に説明する。

図１１において、遮光材で囲んだ、ここでは、大略階段状をなす筐体状のフレーム１１の上部に反射板６１を備えたキセノンランプ５１を下向きに配置し、前記反射板６１の光軸上に、反射板２１ａに積層した第１の反射型光学フィルター４１ａ（例えば、４７５ｎｍ前後のスペクトルのピーク除去機能を有する）を、その反射面を４５度の角度で配置し、当該フィルター４１ａの反射光軸上の中間に第２の光学フィルターとなる透明板２１ｂに積層した透過型光学フィルター４１ｂ（例えば、８２０ｎｍのスペクトルのピーク除去機能を有する）を配置し、この第２の透過型光学フィルター４１ｂの光軸上に、反射板２１ｃに積層した第３の反射型光学フィルター４１ｃ（例えば、７５０ｎｍ以上のスペクトルの凹凸を平滑化する機能を有する）を配置し、この反射型光学フィルター４１ｃの反射光軸上にコリメータレンズＣＬを置いて、その光軸上に透明な太陽電池支持板３１を配置することにより、本発明ソーラシミュレータの第２の例を構成する。Ａは測定対象の太陽電池モジュール、１１ａは測定対象の出し入れ口の扉である。なお、第１の反射型光学フィルター４１ａに透過型光学フィルター４１ｂの８２０ｎｍのピーク除去機能を持たせれば、この透過型光学フィルター４１ｂは不要になる。また、いずれかの反射型光学フィルター４１ａ又は４１ｃに、上記例の３つの機能を持たせて用いることも可能である。

本発明は以上の通りであって、本発明の第一例のソーラシミュレータに用いる光学フィルター４に、 1)照射光の４５０〜５００ｎｍ、好ましくは４７５ｎｍにおけるスペクトルのピークを除去する機能 2)照射光の８００〜８４０ｎｍ、好ましくは８２０ｎｍにおけるスペクトルのピークを除去する機能 3)照射光の７５０ｎｍ以上におけるスペクトルの凹凸を平滑化する機能を有した透過型フィルターを積層させた構成の光学フィルターを用いたので、光源となるキセノンランプからの照射光のスペクトルをより太陽光に近づけることが可能になる。この点は以下の説明により明らかである。

まず、ＪＩＳにおけるソーラシミュレータの等級分類は、表１に示すように「放射照度場所むら（％）」，「照射照度時間変動率（％）」，「スペクトル合致度」の３項目を基準にしてＡ，Ｂ，Ｃの等級に分類されているが、Ａ級ソーラシミュレータでは、「スペクトル合致度」が0.75〜1.25内であることを要件としている。本発明ソーラシミュレータでは0.85〜1.15に達することが確認できた。

即ち、「基準太陽光の分光放射照度分布」は、図１２に示す通りであるが、この照度分布における各波長帯域での「相対エネルギー分布（％）」は、表２に表すとおりである。そこで、本発明ソーラシミュレータと従来のＡ級ソーラシミュレータにおけるスペクトルの上記基準太陽光と同じ波長帯域の各区分での相対エネルギー分布（％）を測定演算したところ、この表２に示すとおり、本発明ソーラシミュレータが基準太陽光のそれにより近いことが明らかになった。

本発明では、用いる光学フィルターに、一例として種々の機能を有する光学フィルターを積層させた構成のものを使用しているので、積層した光学フィルターにおけるいずれかのフィルターの機能を選択的に変更することにより、キセノンランプからの異なるスペクトルの光を照射することができる。以上に説明したことから次に述べる本発明ソーラシミュレータに固有の効果が得られる。

(1) キセノンランプからの照射光のスペクトルをより太陽光に近づけることができるので、太陽電池の出力特性を高精度に測定することができる。
(2) 種々の波長と出力特性の関係を有する太陽電池の出力特性の測定が可能となる。
(3) 透過特性を種々に設定した積層式光学フィルターによる複数の光学フィルターユニットを予め用意しておき、光学フィルターユニットを交換すれば、１台のソーラシミュレータによって種々のタイプの太陽電池の出力測定が可能となる。

結晶系シリコン太陽電池の分光感度を模式的に示した波形図。 多接合型太陽電池の分光感度を模式的に示した波形図。 本発明における光学フィルターを用いたソーラシミュレータの一例の模式的縦断面図。 光学フィルターが無い状態でのキセノンランプからの照射光の波長と相対照度の関係を表示したスペクトル図。 従来型のソーラシミュレータに用いられている光学フィルターの波長と透過率（％）を示す透過特性図。 従来型のソーラシミュレータに用いられている光学フィルターのみを透過した後のキセノンランプからの照射光の波長と相対照度の関係を表示したスペクトル図。 本発明における第２層目の光学フィルターの波長と透過率（％）を示す透過特性図。 本発明における第３層目の光学フィルターの波長と透過率（％）を示す透過特性図。 本発明で第２層目に用いる光学フィルターの別例の波長と透過率（％）を示す透過特性図。 本発明の透過特性を付与した光学フィルターを透過した後のキセノンランプからの照射光の波長と相対照度の関係を表示したスペクトル図。 本発明ソーラシミュレータの別例の模式的断面図。 基準太陽光の分光放射照度分布を表した線図。

符号の説明

Ａ 太陽電池モジュール
Ｆ 光学フィルターユニット
１ フレーム
２ 透光性支持板
３ 透明板
４ 光学フィルター
５ キセノンランプ
６ 反射板
ＣＬ コリメータレンズ

Claims (6)

1. キセノンランプを光源とし、下記の機能を有する光学フィルターを用い、照射光スペクトルを太陽光に近似させたことを特徴とする太陽電池出力測定用ソーラシミュレータ。
   1)照射光の４５０〜５００nmにおけるスペクトルのピークを除去する機能
   2)照射光の８００〜８４０nmにおけるスペクトルのピークを除去する機能
   3)照射光の750nm以上におけるスペクトルの凹凸を平滑化する機能
2. 上記の各機能を夫々に有する個々の光学フィルターを積層して構成された光学フィルターを光源に用いた請求項1の太陽電池出力測定用ソーラシミュレータ。
3. 上記の機能のうちいずれか２つの機能を有する光学フィルターと、残り１つの機能を有する光学フィルターを積層して構成された光学フィルターを光源に用いた請求項1の太陽電池出力測定用ソーラシミュレータ。
4. 上記の全ての機能を有する光学フィルターを１層で構成した光学フィルターを用いた請求項1の太陽電池出力測定用ソーラシミュレータ。
5. 請求項1において、1)〜3)の機能の内、いずれかの機能の特性を変更した光学フィルターに交換することにより、波長の一部において、スペクトルの異なる光を照射する太陽電池出力測定用ソーラシミュレータ。
6. 光学フィルターには透過型フィルター又は反射型フィルターを用いた請求項１〜５のいずれかの太陽電池出力測定用ソーラシミュレータ。
   

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