JP2008298471A

JP2008298471A - 太陽電池の分光感度特性測定装置

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Publication number: JP2008298471A
Application number: JP2007142289A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Igari; 真一猪狩
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2008-12-11

Abstract

【課題】長時間の平均化処理を行うことなしに、白色バイアス光の時間変動に起因するノイズ成分を除去し、ＳＮ比を向上させた太陽電池の分光感度特性測定装置を提供すること。
【解決手段】分光感度特性に白色バイアス光効果を有する太陽電池の分光感度特性測定装置において、測定対象太陽電池１と、測定対象太陽電池１に単色光Φ（λ）を照射するための単色光照射手段２，３と、測定対象太陽電池１と類似の分光感度・電気的応答性・光学的応答性を有する補償太陽電池４と、測定対象太陽電池１と補償太陽電池４とに同一の白色バイアス光源から同時に白色バイアス光を照射する白色バイアス光照射手段５，６と、測定対象太陽電池１から検出された検出信号と補償太陽電池４から検出された検出信号との差信号を検出する検出器７とからなり、白色バイアス光照射下における測定対象太陽電池１の分光感度特性を測定することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の分光感度特性測定装置に係り、特に、白色バイアス光効果を有する太陽電池の分光感度特性を評価するために、太陽光強度と同程度の白色バイアス光の照射下において、単色光を照射した場合の分光感度特性を得るための太陽電池の分光感度特性測定装置に関する。

太陽電池を評価するためには、分光感度特性を知ることが重要である。分光感度とは、各波長での光電変換効率を示し、Ａ／Ｗ（アンペア／ワット）の単位で表される。これは、太陽電池が異なる波長の光に対して、どのような電流出力を有するかを示す特性であり、太陽電池に異なる波長の単色光を照射した時得られる出力電流を測定することによって得られる。太陽電池の分光感度特性は、太陽電池を暗状態に置き、これに微弱な単色光を照射しても測定されるが、実際の太陽電池は、強力な白色光である太陽光の下で使用されるため、そのような強い白色光が存在する場合の分光感度特性は、暗状態下で得られる分光感度特性とは異なる場合がある。

図４は、結晶シリコン太陽電池における、白色バイアス光の有無によって分光感度が異なることを示す分光感度特性図である。
同図は、白色バイアス光のある場合の分光感度特性と白色バイアス光のない場合の分光感度特性を示したものであり、この両分光感度特性のずれは、白色バイアス光の効果が比較的小さい場合の例であるが、太陽電池の種類によっては、両分光感度特性はもっと大きくずれる場合がある。

同図から分るように、白色バイアス光効果を有する太陽電池の分光感度特性を評価するためには、太陽光強度と同程度の白色バイアス光の照射下において、単色光を照射した場合の分光感度(各波長での光電変換効率)を測定する必要がある。つまり、白色バイアス光を、定常光として与え、これに単色光を重畳させた光で太陽電池を照射し、分光感度特性を測定する必要がある。ここで、単色光と白色バイアス光の光強度は、それぞれ５０μＷ／ｃｍ^２以下と１００ｍＷ／ｃｍ^２程度であり、白色バイアス光の方が１０００倍以上も強い。

図５は、従来技術に係る太陽電池の分光感度特性測定装置の構成を示す図である。
同図に示すように、この太陽電池の分光感度特性測定装置は、単色光光源１０２と、単色光光源１０２から出射した単色光Φ（λ）を測定対象太陽電池１０１に照射するための第１の光学手段１０３と、白色バイアス光源１０４と、白色バイアス光源１０４から出射した白色バイアス光Φｗ（ｔ）を測定対象太陽電池１０１に照射するための第２の光学手段１０５と、第１の光学手段１０３と測定対象太陽電池１０１との間に介在し、第１の光学手段１０３から出射された単色光Φ（λ）を所定の周期で開閉して通過させるチョッパー１０６と、チョッパー１０６において単色光Φ（λ）の通過期間に同期して測定対象太陽電池１０１で検出された検出信号を増幅するロックインアンプ１０７とから構成されている。
特開２００３−５７１１４号公報

図６は、図５に示した太陽電池の分光感度特性測定装置において、ノイズ成分が含まれる白色バイアス光を用いて測定された時の分光感度特性を示す図、図７は、図５に示した太陽電池の分光感度特性測定装置において、ノイズ成分が含まれる白色バイアス光を用いて測定し、その後、白色バイアス光中に含まれるノイズ成分を平均化処理によって除去した時の分光感度特性を示す図である。すなわち、図７は、白色バイアス光が真に定常光であってノイズ成分を含まない理想的な場合の測定結果を近似している。
これらの図において、横軸は波長、縦軸は分光感度、すなわち各波長の光電変換効率を示しており、単位はＡ／Ｗ（アンペア／ワット）である。

図７で近似したように、白色バイアス光が真に定常光であってノイズ成分を含まない理想的な場合は、ギザギザのない分光感度特性が得られる。しかし、現実の白色バイアス光は、時間的に変動しており、すなわちノイズ成分を含むために、図６に示すようなノイズ成分が重畳されたギザギザのある分光感度特性が得られてしまう。

すなわち、図５に示すような従来技術に係る太陽電池の分光感度特性測定装置によれば、本来定常光たるべき白色バイアス光に含まれるノイズ成分により、得られる測定データのＳＮ比が大きく低下する。このように白色バイアス光の変動、すなわち、ノイズ成分によるＳＮ比の低下は、白色バイアス光照射下における分光感度測定上の大きな問題であり、そのため、従来は図７において説明したように、ノイズ成分を除去するために、数十分もの時間をかけて測定データを平均化するための処理が行われてきた。

本発明の目的は、従来の長時間の平均化処理を行うことなしに、白色バイアス光の時間変動に起因するノイズ成分を除去し、ＳＮ比を向上させた太陽電池の分光感度特性測定装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、分光感度特性に白色バイアス光効果を有する太陽電池の分光感度特性測定装置において、測定対象太陽電池と、該測定対象太陽電池に単色光Φ（λ）を照射するための単色光照射手段と、前記測定対象太陽電池と類似の分光感度・電気的応答性・光学的応答性を有する補償太陽電池と、前記測定対象太陽電池と前記補償太陽電池とに同一の白色バイアス光源から同時に白色バイアス光を照射する白色バイアス光照射手段と、前記測定対象太陽電池から検出された検出信号と前記補償太陽電池から検出された検出信号との差信号を検出する検出器とからなり、前記白色バイアス光照射下における前記測定対象太陽電池の分光感度特性を測定することを特徴とする太陽電池の分光感度特性測定装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記単色光照射手段は、単色光光源と、該単色光光源から出射した単色光Φ（λ）を前記測定対象太陽電池に照射するための第１の光学手段とからなり、前記白色バイアス光照射手段は、白色バイアス光源と、該白色バイアス光源から出射した白色バイアス光を前記測定対象太陽電池に照射するための白色バイアス光と前記補償太陽電池に照射するための白色バイアス光とに分離する第２の光学手段とからなり、前記第１の光学手段と前記測定対象太陽電池との間に介在し、前記第１の光学手段から出射された単色光Φ（λ）を所定の周期で開閉して通過させるチョッパーと、該チョッパーにおいて前記単色光Φ（λ）の通過期間に同期して前記検出器からの出力を増幅するロックインアンプとを設けたことを特徴とする太陽電池の分光感度特性測定装置である。

本発明によれば、白色バイアス光効果を持つ太陽電池の分光感度特性測定の際に、長時間の平均化処理を行うことなく、白色バイアス光の時間変動に起因するノイズ成分を除去でき、白色バイアス光照射下での測定を、短時間で正確に実施することができる。

本発明の一実施形態を図１から図３を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る太陽電池の分光感度特性測定装置の構成を示す図である。
同図において、１は測定対象太陽電池、２は波長λが可変可能な単色光Φ（λ）を出射する単色光光源、３は単色光光源２から出射した単色光Φ（λ）を測定対象太陽電池１に照射するためのレンズや反射鏡からなる第１の光学手段、４は測定対象太陽電池１と類似の分光感度・電気的応答性・光学的応答性を有する補償太陽電池、５は白色バイアス光を出射する白色バイアス光源、６は白色バイアス光源５から出射した白色バイアス光を分光して測定対象太陽電池１と補償太陽電池４とに同時に白色バイアス光Φｗ（ｔ）を照射するビームスプリッタや反射鏡からなる第２の光学手段、７は測定対象太陽電池１から検出された検出信号Ｒ（λ）＋Ｒｗ（ｔ）と補償太陽電池４から検出された検出信号Ｒｗ（ｔ）との差信号Ｓを検出する差動アンプ等の検出器、８は第１の光学手段３と測定対象太陽電池１との間に介在し、第１の光学手段３から出射された単色光Φ（λ）を所定の周期で開閉して通過させるチョッパー、９はチョッパー８において単色光Φ（λ）の通過期間に同期して検出器７からの差信号Ｓを増幅するロックインアンプである。なお、単色光光源２と第１の光学手段３とで単色光照射手段が構成され、白色バイアス光源５と第２の光学手段６とから白色バイアス光照射手段が構成されている。

ここで、補償太陽電池４は、測定対象太陽電池１に類似する分光感度特性・電気的応答性・光学的応答性を有する。例えば、補償太陽電池４として測定対象太陽電池１と同タイプの太陽電池を用いることができる。また、Φ（λ）は波長λの関数である単色光の強度、Φｗ（ｔ）は時間ｔの関数である白色バイアス光の強度である。

次に、図１に示した太陽電池の分光感度特性測定装置の操作について説明する。
まず、測定対象太陽電池１と補償太陽電池４に、同一の白色バイアス光源５から出射された強度Φｗ（ｔ）の白色バイアス光を、反射鏡とビームスプリッタを用いた第２の光学手段６を介して同時に照射する。ここで強度Φｗ（ｔ）の白色バイアス光は、完全な定常光ではなく、時間的に変動している。この強度Φｗ（ｔ）の白色バイアス光の照射下において、ロックインアンプ９のボリュームまたは感度を調整して、補償太陽電池４の検出信号の振幅を、測定対象太陽電池１の検出信号の振幅と同じ大きさにし、ロックインアンプ９からの出力Ｒがゼロとなるように設定する。

次に、補償太陽電池４には、強度Φｗ（ｔ）の白色バイアス光のみを照射し、測定対象太陽電池１には、強度Φｗ（ｔ）の白色バイアス光に、チョッピングされた強度Φ（λ）の単色光を、波長λを掃引しながら重畳させて照射する。測定対象太陽電池１と補償太陽電池４は、分光感度特性・電気的応答性・光学的応答性の３つの特性において類似性をもっているので、強度Φｗ（ｔ）の白色バイアス光に対して、共通の応答信号Ｒｗ（ｔ）が出力される。従って、検出器７において、測定対象太陽電池１から検出された検出信号Ｒ（λ）＋Ｒｗ（ｔ）と補償太陽電池４から検出された検出信号Ｒｗ（ｔ）との差信号を取れば、白色バイアス光の時間変動に対する応答信号Ｒｗ（ｔ）分を打ち消すことができる。この結果、測定対象太陽電池１において、強度Φ（λ）の単色光により発生した信号Ｒ（λ）のみを取り出すことができ、白色バイアス光効果を有する測定対象太陽電池１の分光感度特性を測定することができる。なお、測定対象太陽電池１と補償太陽電池４との間で、上記の３特性が正確に一致すれば、白色バイアス光がいかなる時間変動をしても、これによるノイズ成分を完全に除去することができる。

本発明の太陽電池の分光感度特性測定装置によれば、測定対象太陽電池１と補償太陽電池４の出力信号を差動アンプ７に入れて増幅する処理により、ロックインアンプ９の出力信号の分散値比率で、３．４倍ほどＳＮ比が改善された。すなわち、本発明では、補償太陽電池４を用いて測定することにより、３．４倍ほどＳＮ比が改善された。このＳＮ比改善を測定時間の延長により実現するには、その自乗つまり約１０倍の測定時間が必要となる。したがって、本装置によれば、従来装置に比べて、データ取得時間を１／１０に短縮することができ、白色バイアス光効果を持つ太陽電池の分光感度特性測定の際に、時間のかかる平均化処理をすることなく、白色バイアス光変動によるノイズ成分の除去が可能となり、白色バイアス光照射下での測定を短時間で正確に実施することができる。

図２は、図５に示した従来技術に係る太陽電池の分光感度特性測定装置の実験結果を示す図であり、測定対象太陽電池１０１のみを用いた時のロックインアンプ１０７の出力信号Ｒを示す図である。図３は、図１に示した本実施形態の発明に係る太陽電池の分光感度特性測定装置におけるノイズ除去の効果を評価するための実験結果を示す図であり、測定対象太陽電池１及び補償太陽電池４からの各々の出力信号を差動アンプ７に入力させて前処理した時のロックインアンプ９の出力信号Ｒを示す図である。
これらの図において、横軸は時間、縦軸はロックインアンプの出力信号であり、白色バイアス光源として照度変動する電球を用いた。白色バイアス光と分光の強度比率は、通常の分光感度測定における白色バイアス光強度と単色光の強度比率と同程度とした。

これらの実験結果によれば、図２においては、出力信号Ｒの振幅の大きな変動部分は、測定対象太陽電池１０７を照射する電球の照度変動分によるノイズ成分であり変動振幅は５０ｍＶ程度であった。それに対して、図３においては、直流成分は、チョッピングされた単色光による信号で、変動振幅は２０μＶ程度であった。差動アンプ７によるノイズ補償により、出力信号Ｒは、白色バイアス光源５の交流的変動の影響を、ほとんど受けていないことがわかる。

本発明に係る太陽電池の分光感度特性測定装置の構成を示す図である。従来技術に係る太陽電池の分光感度特性測定装置の実験結果を示す図である。本発明に係る太陽電池の分光感度特性測定装置のノイズ除去効果を評価するための実験結果を示す図である。結晶シリコン太陽電池における、白色バイアス光の有無によって分光感度が異なることを示す分光感度特性図である。従来技術に係る太陽電池の分光感度特性測定装置の構成を示す図である。図５に示した太陽電池の分光感度特性測定装置において、ノイズ成分が含まれる白色バイアス光を用いて測定された時の分光感度特性を示す図である。図５に示した太陽電池の分光感度特性測定装置において、ノイズ成分が含まれる白色バイアス光を用いて測定し、平均化処理によりノイズ成分を除去した時の分光感度特性を示す図である。

符号の説明

１測定対象太陽電池
２単色光光源
３第１の光学手段
４補償太陽電池
５白色バイアス光源
６第２の光学手段
７検出器
８チョッパー
９ロックインアンプ

Claims

分光感度特性に白色バイアス光効果を有する太陽電池の分光感度特性測定装置において、
測定対象太陽電池と、該測定対象太陽電池に単色光Φ（λ）を照射するための単色光照射手段と、前記測定対象太陽電池と類似の分光感度・電気的応答性・光学的応答性を有する補償太陽電池と、前記測定対象太陽電池と前記補償太陽電池とに同一の白色バイアス光源から同時に白色バイアス光を照射する白色バイアス光照射手段と、前記測定対象太陽電池から検出された検出信号と前記補償太陽電池から検出された検出信号との差信号を検出する検出器とからなり、前記白色バイアス光照射下における前記測定対象太陽電池の分光感度特性を測定することを特徴とする太陽電池の分光感度特性測定装置。
前記単色光照射手段は、単色光光源と、該単色光光源から出射した単色光Φ（λ）を前記測定対象太陽電池に照射するための第１の光学手段とからなり、前記白色バイアス光照射手段は、白色バイアス光源と、該白色バイアス光源から出射した白色バイアス光を前記測定対象太陽電池に照射するための白色バイアス光と前記補償太陽電池に照射するための白色バイアス光とに分離する第２の光学手段とからなり、前記第１の光学手段と前記測定対象太陽電池との間に介在し、前記第１の光学手段から出射された単色光Φ（λ）を所定の周期で開閉して通過させるチョッパーと、該チョッパーにおいて前記単色光Φ（λ）の通過期間に同期して前記検出器からの出力を増幅するロックインアンプとを設けたことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の分光感度特性測定装置。