JP2007299969A - Cis系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法 - Google Patents

Cis系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法 Download PDF

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Abstract

【課題】CIS系薄膜太陽電池モジュールの弱い光の照射により変換効率等が回復する特性を適正に評価する。
【解決手段】CIS系薄膜太陽電池モジュールの従来の高温高湿保管試験条件(温度85℃、相対湿度85%、暗闇中に1,000時間格納)中、前記温度、湿度及び格納時間はそのままで、擬似太陽光照射装置(ソーラー・シュミレータ)1Dからの光が、曇りの日の日射量に相当する弱い光の放射照度、即ち、100〜300W/m2 になるように光源1Eの強度を調整して試験期間中継続して照射することにより、開放状態で保管された前記モジュール2’が、1,000時間経過後も、大幅な劣化を示さないという特性を適正に評価できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、CIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法に関する。
本出願人らの基本的なCIS系薄膜太陽電池モジュールは、既に、IEC61646(国際電機標準会議規格61646)(第1版)に合格している。一般的に、IEC61646(第1版)で採用されている、高温高湿保管試験(温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、1,000時間暗闇の中で保管する試験)において、CIS系薄膜太陽電池モジュールは、1,000時間の試験後に一時的な変換効率の劣化を示すが、試験後の光照射により、回復することがわかっている。
前記CIS系薄膜太陽電池モジュールの耐久性試験方法は前記IEC61646(第1版)に従って行うが、個々の試験事項に関しては、JISで規定された太陽電池関連JIS項目(非特許文献1参照)、例えば、JIS C 8911:1998(二次基準結晶系太陽電池セル)、JIS C 8912:1998(結晶系太陽電池測定用ソーラシュミレータ)、JIS C 8913:1998(結晶系太陽電池セル出力測定方法)、JIS C 8914:1998(結晶系太陽電池モジュール出力測定方法)等に従って行う。
太陽電池関連JIS目録(日本規格協会発行)
実際、図5に示すように、前記高温高湿保管試験後、CIS系薄膜太陽電池モジュールに、強い光である放射照度1,000W/m2 の光を照射時間が50分〜300分の間照射することにより、初期変換効率の95%以上の範囲まで性能が回復する事例が存在する。
現時点では、光照射により、何故、CIS系薄膜太陽電池モジュールが高温高湿保管試験後の一時的な劣化から回復するのかは明確でなく、このことはCIS系薄膜太陽電池モジュール技術に関して残された課題の1つである。
このような現象を理解するために、本出願人らは、CIS系薄膜太陽電池モジュールに、高温高湿保管試験の間中、光を一定時間照射し続けたら、いかなる劣化も示さないであろうと予測し、CIS系薄膜太陽電池モジュールに関する耐久性試験の検討を行ってきた。
前記のように、CIS系薄膜太陽電池モジュールは、前記従来の暗闇の中で保管する高温高湿保管試験では、1,000時間の試験後に一時的な変換効率の劣化を示すが、試験後の光照射により、回復するという特性を有しており、前記従来の高温高湿保管試験方法では、CIS系薄膜太陽電池モジュールの耐久性を適正に評価しているとはいえないという問題があった。
本発明は前記問題点を解消するもので、本発明の目的は、従来のIEC61646(第1版)で規定されている、高温高湿保管試験(温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、1,000時間暗闇の中で保管する試験)による、CIS系薄膜太陽電池モジュールの変換効率の一時的な劣化を回避し、CIS系薄膜太陽電池モジュールの光照射により、変換効率等の太陽電池特性が回復するという特性に応じた、適正且つ安定的な特性評価を可能にする改良された耐久性試験方法を提供することである。
(1)本発明は、CIS系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法であって、前記耐久性試験の対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュールを温度85℃、相対湿度85%の比較的高温、高湿の条件下で、暗闇中に1,000時間格納する試験であるDampHeat試験を行う際に、前記温度、湿度及び格納時間はそのままで、擬似太陽光照射装置(ソーラー・シュミレータ)からの光が、曇りの日の日射量に相当する弱い光の照度になるようにXeランプ等の強度を調整して試験期間中継続して照射して各種太陽電池特性を計測するCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法である。
(2)本発明は、前記弱い光の放射照度が、100〜300W/m2 である前記(1)に記載のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法である。
(3)本発明は、前記CIS系薄膜太陽電池モジュールが、パターンニングにより複数個のCIS系薄膜太陽電池デバイスを電気的に接続したCIS系薄膜太陽電池サブモジュールを接着剤である加熱、架橋したEVA樹脂フィルムを介してカバーカラスを貼着し、裏面側は、ガラス基板に、加熱、架橋したEVA樹脂フィルムを介してバックシートを貼着し、その下にケーブル付き接続箱等を設け、この構造体の外周囲にシール材を介してフレームを取り付けたものであり、前記CIS系薄膜太陽電池デバイスは、ガラス基板上に、アルカリバリア層(形成しなくてもよい。)、金属裏面電極層(一般的には、Mo)、p形CIS系光吸収層、高抵抗バッファ層、n形窓層(透明導電膜)の順で高品質薄膜層が順次積層されたサブストレート構造のpnヘテロ接合デバイスであり、前記光吸収層は、多元化合物半導体薄膜、特に、I-III-VI2 族カルコパイライト半導体、例えば、2セレン化銅インジウム(CuInSe2:以下、CISeと略称する。) 、2セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2:以下、CIGSeと略称する。) 、2セレン化銅ガリウム(CuGaSe2:以下、CGSeと略称する。) 、2セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 :以下、CIGSSeと略称する。) 、2イオウ化銅インジウム(CuInS2 :以下、CISと略称する。))、2イオウ化銅ガリウム(CuGaS2 :以下、CGSと略称する。) ) 、2イオウ化銅インジウム・ガリウム(CuInGaS2 :以下、CIGSと略称する。) 、薄膜の2セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 :CIGSSe) を表面層として有する2セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2:CIGSe) のようなp形半導体からなる前記(1)又は(2)に記載のCIGS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法である。
本発明は、従来のIEC61646(第1版)で規定されている、高温高湿保管試験(温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、1,000時間暗闇の中で保管する試験)による耐久性試験方法では、CIS系薄膜太陽電池モジュールの変換効率等の一時的な劣化により適正且つ安定に特性評価できなかったが、温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、試験対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュールに、曇りの日の日射量に相当する弱い光を試験期間中継続して照射するという改良された耐久性試験方法により、変換効率等の太陽電池特性が回復するというCIS系薄膜太陽電池モジュールの特性に応じた、現実的、適正且つ安定的な特性評価を可能にすることができる。
本発明のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法は、CIS系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法である。
本発明の耐久性試験の対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュール2は、図3に示すように、パターンニングにより複数個のCIS系薄膜太陽電池デバイス3’(図4参照。)を電気的に接続したCIS系薄膜太陽電池サブモジュール3を接着剤である加熱、架橋したEVA樹脂フィルム4を介してカバーカラス5を貼着し、裏面側は、ガラス基板3Aに、加熱、架橋したEVA樹脂フィルム4を介してバックシート6を貼着し、その下にケーブル付き接続箱7等を設けた構造であり、この構造体の外周囲にシール材8を介してフレーム9を取り付ける。
前記CIS系薄膜太陽電池デバイス3’は、図4に示すような基本構造であり、青板ガラス等からなるガラス基板3A、その上に、アルカリバリア層3B(形成しなくてもよい。)、金属裏面電極層(一般的には、Mo)3C、p形CIS系光吸収層3D、高抵抗バッファ層3E、n形窓層(透明導電膜)3Fの順で高品質薄膜層が順次積層されたサブストレート構造のpnヘテロ接合デバイスである。前記CIS系光吸収層3Dは、多元化合物半導体薄膜、特に、I-III-VI2 族カルコパイライト半導体、例えば、2セレン化銅インジウム(CuInSe2:以下、CISeと略称する。) 、2セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2:以下、CIGSeと略称する。) 、2セレン化銅ガリウム(CuGaSe2:以下、CGSeと略称する。) 、2セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 :以下、CIGSSeと略称する。) 、2イオウ化銅インジウム(CuInS2 :以下、CISと略称する。))、2イオウ化銅ガリウム(CuGaS2 :以下、CGSと略称する。) ) 、2イオウ化銅インジウム・ガリウム(CuInGaS2 :以下、CIGSと略称する。) 、薄膜の2セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 :CIGSSe) を表面層として有する2セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2:CIGSe) のようなp形半導体からなる
以下に本発明のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法について、説明する。
本出願人らは、CIS系薄膜太陽電池モジュールに、高温高湿保管試験の間に光を照射し続けたら、如何なる劣化も示さないであろうと予想し、検討を行ってきたが、その確認のために、擬似太陽光照射装置(ソーラー・シミュレータ)のXeランプ等の強度を調整することによって、曇りの日の日射量に相当する放射照度100〜300W/m2 の弱い光を試験期間中継続して照射する改良高温高湿保管試験を行った。
本発明のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法は、図3に示すような、CIS系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法であって、前記耐久性試験の対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュールを温度85℃、相対湿度85%の比較的高温、高湿の条件下で、暗闇中に1,000時間格納する試験であるDampHeat試験(耐湿性試験)を行う際に、前記温度、湿度及び格納時間はそのままで、擬似太陽光照射装置(ソーラー・シュミレータ)からの光が、曇りの日の日射量に相当する弱い光、即ち、100〜300W/m2 程度になるようにXeランプ等の強度を調整して、試験期間中継続して照射して各種太陽電池特性を計測し、開放状態で保管された前記CIS系薄膜太陽電池モジュールが、前記試験時間経過後も、大幅な劣化を示さないという特性を適正に評価する。なお、プラスマイナスのケーブルを開放状態にしたCIS系薄膜太陽電池モジュールの場合は回復し易い。
前記本発明のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法を実施するために、図1に示すような、改良耐久性試験システム1により試験を行った。改良耐久性試験システム1は、密閉構造の耐久性試験装置1Aの一部に光照射(光透過)用のガラス窓1aが設けられており、耐久性試験装置1A内は、温度・湿度制御部1Cにより、温度85℃、相対湿度85%に設定されている。そして、耐久性試験装置1Aから一定間隔で設置された擬似太陽光照射装置(ソーラー・シュミレータ)1D内の光源1EであるXeランプ等から耐久性試験装置1A内に保管された試験対象のCIS系薄膜太陽電池モジュール2’の受光面にに対して曇りの日の日射量に相当する弱い光の放射照度、即ち、100〜300W/m2 程度の光が試験期間中継続して照射される。前記光の調整は、電力供給制御部1Fによる電力量の調整により行われる。前記光の照射を受けたCIS系薄膜太陽電池モジュール2’からの電流及び電圧をI−V測定部1Bで、試験時間1,000時間についての測定データを測定し、太陽電池特性データ(変換効率、曲線因子、開放電圧、短絡電流)を得る。
前記耐久性試験システム1を使用した前記改良された耐久試験方法により計測された試験結果の一例を以下に示す。
改良された改良高温高湿保管方法において、カバーガラス/EVA樹脂/CIS系薄膜太陽電池サブモジュール/ガラス基板等からなるサンドイッチ構造を有する試験対象のCIS系薄膜太陽電池モジュール2’(図3参照。)に100〜300W/m2 の弱い光を試験期間中継続して照射した場合、試験時間である1,000時間終了後でさえ、図2に示すように、開放端状態で保管された当該太陽電池モジュール2’の太陽電池特性(変換効率Eff〔%〕、曲線因子FF、短絡電流Isc〔A〕、開放電圧Voc〔V〕)の劣化は大幅に減少した。
この結果から、前記IEC61646で規定されている、現行のDampHeat試験条件及び期間、即ち、温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、1,000時間暗闇の中に保管する試験、をCIS系薄膜太陽電池モジュール2に適用することは、実際に適用したり、保存したりする条件としては、相応しくないと考えられる。
屋外曝露試験において、本出願人らのCIS系薄膜太陽電池モジュール2の出力性能は、曝露3年後における前記モジュールのモジュール構造については、パッケージ化又はモジュール化が基本的な製造基準を完全に満たしていれば、全く劣化を示さなかった。
特に、光照射による変換効率の回復をもたらすメカニズム又は効果は理解されるべきであり、CIS系薄膜太陽電池モジュール2にとって、前記本発明の改良耐久性試験条件は、現在の高温高湿保管試験に比べて極めて実際の屋外曝露状態に近いので、現行の高温高湿保管試験実施後の出力性能値より実際的な値として考えるべきである。
以上のように、従来のIEC61646(第1版)で規定されている、高温高湿保管試験(温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、1,000時間暗闇の中で保管する試験)による高温高湿保管試験(耐久性試験)方法では、CIS系薄膜太陽電池モジュール2の変換効率等に一時的な劣化が発生するという特性により、適正且つ安定に特性評価できなかったが、本発明の改良された耐久性試験方法、即ち、温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、試験対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュール2に弱い光を、試験期間中継続して照射するという改良された耐久性試験方法により、変換効率等の太陽電池特性が回復するというCIS系薄膜太陽電池モジュールの特性に応じた、現実的、適正且つ安定的な特性評価を可能にすることができる。
また、前記のようにCIS系薄膜太陽電池モジュール2は、高温高湿保管試験(温度85℃、相対湿度85%という比較的高温高湿度の条件下で、1,000時間暗闇の中で保管する試験)において、1,000時間の試験後に一時的な変換効率の劣化を示すが、試験後の弱い光の継続する照射により、変換効率が回復するという特性(性質)を有するが、前記CIS系薄膜太陽電池モジュール2の特性(性質)に適したCIS系薄膜太陽電池モジュールの保管又は管理方法(又は装置)を以下に説明する。
CIS系薄膜太陽電池モジュール2を製造後、設置するまでの保管期間は、各CIS系薄膜太陽電池モジュール2の受光面に曇りの日の日射量に相当する弱い光、即ち、放射照度100〜300W/m2 程度の光を継続して照射することにより、各CIS系薄膜太陽電池モジュール2の変換効率等の劣化(低下)を防止(回避)することができ、設置直後から最大の変換効率等を得ることができる。なお、光源としては、Xeランプに限らず、他のコスト及び性能を考慮して適宜適当な光源を選択することができる。
前記CIS系薄膜太陽電池モジュール2を保管する際、弱い光を継続して照射することにより最大限の変換効率等の太陽電池特性を引き出すことができることから、保管装置又は保管庫は、昼間は太陽光が照射されるような構造、例えば、屋根又は壁面を太陽光が透過するようなガラス、プラスチツク等の透明な素材が適当であり、夜間は、前記人工光源を設けると共に光反射、又は光散乱装置により各CIS系薄膜太陽電池モジュール2の受光面の放射照度が100〜300W/m2 程度となるようにする。
また、前記CIS系薄膜太陽電池モジュール2を保管する際の各モジュール2の配置方法としては、各モジュールの受光面と反対の背面同士が接するように配置すると、各モジュールの受光面に光が万遍なくあたる。
また、前記CIS系薄膜太陽電池モジュール2を設置場所に運搬する場合も、前記保管する際の配置方法及び透明な梱包材料をを適用することにより、して、各モジュールの受光面と反対の背面同士が接するように配置すると、各モジュールの受光面に光が万遍なくあたり、設置直後から最大の変換効率等を得ることができる。
本発明のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法(又はシステム)の概略説明図である。 本発明の改良された耐久性試験方法により測定された耐久性試験結果を示す図である。 本発明の改良された耐久性試験方法の試験対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュールの概略構成図である。 本発明の改良された耐久性試験方法の試験対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュールの構成要素であるCIS系薄膜太陽電池デバイスの概略構成図である。 従来のIEC61646(第1版)で規定されている耐久性試験方法により測定された耐久性試験結果(変換効率)を示す図である。
符号の説明
1 改良耐久性試験システム
1A 耐久性試験装置)
1a ガラス窓(光透過窓)
1B I−V測定部
1C 温度・湿度制御部
1D 擬似太陽光照射装置
1E 光源(Xeランプ)
1F 電力供給・制御部
2 CIS系薄膜太陽電池モジュール
2’ 試験対象CIS系薄膜太陽電池モジュール
3 CIS系薄膜太陽電池サブモジュール
3’ CIS系薄膜太陽電池デバイス
3A ガラス基板
3B アルカリバリア層
3C 金属裏面電極層
3D p形光吸収層
3E 高抵抗バッファ層
3F n形窓層(透明導電膜)
4 EVA樹脂フィルム
5 カバーガラス
6 バックシート
7 ケーブル付接続箱
8 シール材
9 フレーム

Claims (3)

  1. CIS系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法であって、前記耐久性試験の対象であるCIS系薄膜太陽電池モジュールを温度85℃、相対湿度85%の比較的高温、高湿の条件下で、暗闇中に1,000時間格納する試験であるDampHeat試験を行う際に、前記温度、湿度及び格納時間はそのままで、擬似太陽光照射装置(ソーラー・シュミレータ)からの光が、曇りの日の日射量に相当する弱い光になるようにXeランプ等の強度を調整して試験期間中継続して照射して各種太陽電池特性を計測することを特徴とするCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法。
  2. 前記弱い光の放射照度が、100〜300W/m2 でであることをを特徴とする請求項1に記載のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法。
  3. 前記CIS系薄膜太陽電池モジュールは、パターンニングにより複数個のCIS系薄膜太陽電池デバイスを電気的に接続したCIS系薄膜太陽電池サブモジュールを接着剤である加熱、架橋したEVA樹脂フィルムを介してカバーカラスを貼着し、裏面側は、ガラス基板に、加熱、架橋したEVA樹脂フィルムを介してバックシートを貼着し、その下にケーブル付き接続箱等を設け、この構造体の外周囲にシール材を介してフレームを取り付けたものであり、前記CIS系薄膜太陽電池デバイスは、ガラス基板上に、アルカリバリア層、金属裏面電極層(一般的には、Mo)、p形CIS系光吸収層、高抵抗バッファ層、n形窓層(透明導電膜)の順で高品質薄膜層が順次積層されたサブストレート構造のpnヘテロ接合デバイスであり、前記光吸収層は、多元化合物半導体薄膜、特に、I-III-VI2 族カルコパイライト半導体、例えば、2セレン化銅インジウム(CuInSe2:以下、CISeと略称する。) 、2セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2:以下、CIGSeと略称する。) 、2セレン化銅ガリウム(CuGaSe2:以下、CGSeと略称する。) 、2セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 :以下、CIGSSeと略称する。) 、2イオウ化銅インジウム(CuInS2 :以下、CISと略称する。))、2イオウ化銅ガリウム(CuGaS2 :以下、CGSと略称する。) ) 、2イオウ化銅インジウム・ガリウム(CuInGaS2 :以下、CIGSと略称する。) 、薄膜の2セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 :CIGSSe) を表面層として有する2セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2:CIGSe) のようなp形半導体からなることを特徴とする請求項1又は2に記載のCIS系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法。
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