JP2010027826A - ソーラシミュレータ及び多接合型太陽電池の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多接合型太陽電池の特性を、短時間で測定することができるソーラシミュレータと、これを用いた多接合型太陽電池の測定方法とを提供する。
【解決手段】 本発明の多接合型太陽電池の測定方法は、ハロゲンランプ１３からフラッシュ光を発光させパルス波形の頂部が平坦になるように制御する工程と、ハロゲンランプのフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦な間に、キセノンランプ１４からパルス波形の頂部が平坦で、ハロゲンランプからのフラッシュ光の平坦部分より短いパルスのフラッシュ光を１回以上発光させる工程と、ハロゲンランプとキセノンランプからのフラッシュ光を被測定体としての太陽電池２０に照射し、キセノンランプからのフラッシュ光の発光中に、太陽電池の負荷を制御して太陽電池から出力される電流と電圧を１点又は２点以上で測定する測定工程と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は多接合型太陽電池の電流電圧特性（以下、単に特性ともいう）を高速・高精度に測定するためのソーラシミュレータと、その測定方法に関する。

太陽電池、光起電力素子、光センサーなどの光電変換素子の光電変換特性は、光照射下において、前記光電変換素子の電流電圧特性を測定することによって測定される。太陽電池の特性測定では、横軸を電圧、縦軸を電流として、収集したデータをプロットすることにより出力特性曲線を得ている。この曲線は一般に、Ｉ−Ｖカーブという。

そして、その測定方法としては、照射光として太陽光を利用する方法と、人工光源を利用する方法とがある。このうち人工光源を利用する方法には、定常光の光源を用いる方法とフラッシュ光の光源を用いる方法が、特許文献１，２などにより知られている。

定常光を用いる方法は、ランプの点灯開始から、照度が安定するまで数十分以上かかることが多い。また、照度を安定させるため連続点灯を維持しておく必要があるが、そうすると光源を収設した筐体内の温度上昇が著しくなる。また、筐体内の部品は、常時、光に曝されることになるため、光学部品（ミラー、光学フィルター）が劣化する原因となる。等の多くの問題がある。

そこで、定常光ではなく、フラッシュ光を発生させることによって、大面積の太陽電池の電流電圧特性を測定する方法が提案されている。フラッシュ光を発生させる疑似太陽光の光源にはキセノンランプが使用されるが、発光時間の比較的長い１回のフラッシュ光を使用する単一フラッシュ光による測定方法と、発光時間の短いフラッシュ光を多数回使用するショートパルスフラッシュ光による測定方法とがある。

しかし、単一フラッシュ光による場合は、１回の発光で太陽電池の負荷を掃引してＩ−Ｖ特性曲線を得るために１００ｍsecを越える長いパルスを作る必要がある。このような長いパルス発光をするために、１回の発光と次の発光との間の休止時間を長くとらなければならず、測定時間が掛かる。また、長いパルスの点灯をさせるため、光源ランプへの負荷が大きいので、ランプ寿命が短くなる。

ショートパルスフラッシュ光を複数回照射する測定方法は、フラッシュ点灯させるため、光源ランプへの負荷が小さいことから、短い間隔で発光させることができる。また、発光時間が短いため、ランプ内部の状況（例えば、温度）が変化しにくいのでピーク照度が安定しやすくなる。被測定体としての太陽電池が、受光する光パルスが短いので、被測定体の温度も上昇しにくくなる。

しかしながら、このショートパルスフラッシュ光の波形は、頂部に平坦部を持たない山なり（山のすそ野の幅で、約１ｍsec）の形状である。そのため、１回のフラッシュ点灯においては、１組（照度、太陽電池の出力電流と電圧）のデータしか収集できない。さらに、応答の遅い太陽電池を測定すると、照度波形に太陽電池の出力応答が追従しきれないため、出力が低く測定される場合がある。また測定には、約６０〜１２０回フラッシュする必要があり、測定時間は２０〜４０秒程度かかる。

そこで、特許文献３では、頂部が平坦になるパルス波形のフラッシュ光を発光させて太陽電池に照射し、太陽電池の負荷を制御しながらＩ−Ｖカーブを得る方法を提案している。

ところで、太陽光のスペクトルは紫外線から赤外線まで幅広く分布しているが、ｐｎ接合が1つだけの単接合太陽電池においては、上記の全ての波長の光を発電に利用することはできない。そのため、複数のｐｎ接合を直列に接続した多接合型太陽電池が知られている。多接合型にすることで、広い波長帯域から発電することができ、発電効率を向上させることができる。

多接合型の太陽電池は、上層（トップ層）と下層（ボトム層）が電気的には直列接続になっている。トップ層とボトム層では、分光感度が異なる。トップ層は、短波長に感度が強く、ボトム層は長波長に感度が強い。スペクトルが長波長に強くなるとボトム層の電荷が多くなるが、電気的には直列接続となっている為、トップ層の発電量に律則される。このように多接合型太陽電池はスペクトルにより発電量が変化する特性を有している。

このような多接合型太陽電池では、上記特許文献１から３に記載したキセノンランプだけの１光源からの光による検査では、次のような問題がある。キセノンランプのスペクトルは、長波長側に強い輝線が多数存在する。通常は、光学フィルタで輝線スペクトル成分を減衰させて使用している。しかし波長８２０ｎｍ、９００ｎｍ付近に非常に強い輝線が存在し、光学フィルタのみで輝線を除くのは難しい。仮に、８００〜９００ｎｍ付近のボトム層の分光感度が高いと、この輝線によって出力特性が変化する。フィルタは、製造上ロット毎に特性にバラツキが生じる。よって機台毎にこの輝線高さは異なる。多接合型太陽電池のボトム層の上記波長帯に感度を有する場合、機台毎に測定値が異なる結果となる。

この問題に対し、特許文献４では、ハロゲンランプとキセノンランプの２つの光源を備えたソーラーシミュレータを提案している。ここでは、ハロゲンランプの光とキセノンランプの光を、それぞれの光学的なフィルタを通過させ、キセノンランプで波長の短い光を照射し、ハロゲンランプによって波長の長い光を照射することで、上記輝線の影響を低減した状態で多接合型太陽電池の出力特性を測定することができる。

また各光源の出力を変えることで、長波長のスペクトルと短波長のスペクトルのバランスを変えることが可能である。これによって微妙なスペクトルバランスの調整をした出力特性も可能である。
特許第２８８６２１５号公報 特開２００３−３１８２５号公報 特開２００７−８８４１９号公報 特許第３５００３５２号公報

しかし従来の測定方法では、ハロゲンランプをその発光波形の頂部が数秒間平坦になるように発光させ、同時にキセノンランプをショートパルスにて数十回発光させていた。したがってハロゲンランプの長時間発光によりその光学フィルタが加熱されるので、その加熱防止のため次の発光のために５〜１０数秒の休止時間ののちハロゲンランプとキセノンランプを発光させる。このようなサイクルを４〜５回繰り返えす必要があった。このため出力特性の測定に時間が掛かり測定のみで６０〜１２０秒かかるという問題があった。

またハロゲンランプの発光は、その発光指令を出力した後すぐに点灯せずその点灯までの時間がバラツク性質がある。したがってハロゲンランプの発光回数を増やすことは、点灯のタイミングがバラツキ測定時間の無駄が生じることになる。

このためこれまでハロゲンランプとキセノンランプを使用した多接合型太陽電池用の２光源ソーラシミュレータは、研究開発用途のみに使用が限定されていた。

本発明は、斯かる問題の解決を図ったもので、多接合型太陽電池の特性を、短時間で測定することができるソーラシミュレータと、これを用いた多接合型太陽電池の測定方法とを提供しようとするものである。

上記の問題を解決するために本発明のソーラシミュレータは、第１の光源と、前記第１の光源とは異なる波長帯域を持つ第２の光源と、前記第１の光源からのフラッシュ光の強度を測定する照度検出器と、該照度検出器の測定によって前記第１の光源からのフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように制御する波形制御装置と、前記第２の光源からのフラッシュ光の強度を測定する照度検出器と、該照度検出器の測定によって前記第２の光源からのフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように制御する波形制御装置と、測定対象となる太陽電池に負荷を与える負荷回路と、装置全体を制御する制御装置とを有し、前記制御装置が、前記第１の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦な間に、前記第２の光源からパルス波形の頂部が平坦で、前記第１の光源からのフラッシュ光より短いパルスのフラッシュ光を１回以上発光させることを特徴としている。

前記制御装置が、前記第１の光源のフラッシュ光と、前記第２の光源のフラッシュ光とを重ねたフラッシュ光を複数回繰り返す構成としたり、前記第１の光源のフラッシュ光の所定の波長を通過させて測定対象となる太陽電池に照射する第１の光学的なフィルタと、前記第２の光源のフラッシュ光の所定の波長を通過させて測定対象となる太陽電池に照射する第２の光学的なフィルタと、を有する構成としたり、前記制御装置が、負荷回路によって、前記太陽電池の負荷を掃引できる構成としたり、前記第２の光源が波形制御装置を有し、前記第２の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように前記波形制御装置が、フィードフォワード制御するＦＦ制御部を有する構成としたり、前記波形制御装置が、フィードバック制御するＦＢ制御部を有する構成としたりすることができる。

上記の問題を解決するために本発明の多接合型太陽電池の測定方法は、第１の光源からフラッシュ光を発光させてその強度を照度検出器で測定し、前記第１の光源からのフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように制御する工程と、第１の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦な間に、第２の光源からパルス波形の頂部が平坦で、前記第１の光源からのフラッシュ光の平坦部分より短いパルスのフラッシュ光を１回以上発光させる工程と、前記第１と第２の光源からのフラッシュ光を被測定体としての太陽電池に照射し、前記第２の光源からのフラッシュ光の発光中に、前記太陽電池の負荷を制御して太陽電池から出力される電流と電圧を１点又は２点以上で測定する測定工程と、を有することを特徴としている。

前記第１の光源からフラッシュ光を複数回発光させ、その都度、前記第２の光源からのフラッシュ光を１回だけ発光させることとしたり、前記第１の光源からのフラッシュ光を第１の光学的なフィルタを通過させて特定の波長帯を通過させる工程と、前記第２の光源からのフラッシュ光を第２の光学的なフィルタを通過させて特定の波長帯を通過させる工程と、を有する構成としたり、前記太陽電池の負荷を制御して太陽電池から出力される電流と電圧を１点又は２点以上で測定する測定工程が、太陽電池の負荷を掃引して太陽電池から出力される電流と電圧を２点以上で測定する工程である構成としたり、前記測定工程に先だって、前記第１の光源と第２の光源からのフラッシュ光を太陽電池に照射し、前記負荷を制御して前記太陽電池の特性値の概略値を求める予備測定工程を有する構成としたり、前記第１の光源がフラッシュ光を１回発光させ、該フラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になる間に、第２の光源からパルス波形の頂部が平坦で、前記第１の光源からのフラッシュ光の平坦部分より短いパルスのフラッシュ光を複数回以上発光させる構成としたり、前記第２の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように、フィードフォワード制御する構成としたり、前記第２の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように、さらにフィードバック制御する構成としたりすることができる。

本発明のソーラーシミュレータによれば、以下のようにして多接合型太陽電池の測定を行う。第１の光源から頂部の平坦なパルス波形の比較的長いフラッシュ光を発光し、第２の光源が第１の光源の平坦な部分と重なるように、かつ、第１の光源のフラッシュ光の平坦部分より短いフラッシュ光を発光する。第２の光源のフラッシュ光も頂部が平坦なものである。そして、波長の長いフラッシュ光と波長の短いフラッシュ光とが同時に発光している間は、重なった２つのフラッシュ光の強度が一定になっている。この状態のときに、太陽電池の特性を測定することで、短時間に測定することができる。太陽電池の特性は、負荷回路により太陽電池に与える負荷を変化させ、負荷の変化に応じて太陽電池の電流と電圧が変化するのを測定することでＩ−Ｖカーブとして求められる。太陽電池の応答が遅い場合は、第２のフラッシュ光の平坦部の長さを長くし、応答が早い場合は、短くして測定する。

第１の光源からのフラッシュ光を、第１の光学的なフィルタに通し、第２の光源からのフラッシュ光を、第２の光学的なパスフィルタに通すことで、第１の光源と第２の光源のフラッシュ光の光を、強度の安定した、波長部分に限定することができる。

第２の光源の１つのフラッシュ光で、１点の負荷についてだけ測定してもよく、１つのフラッシュ光で負荷を掃引することで、多数点について、測定してもよい。

太陽電池の特性を測定する前に、予備的な測定をして、概略の特性を掴んでおくと、効率的に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明のソーラシミュレータの構成を示す断面図である。図１に示すように、本発明のソーラシミュレータ１０は、箱状のフレーム１１と、この内部を２つに仕切る仕切板１２を有している。そして、仕切板１２によって、フレーム１１内を光学的に独立し、上面側が開放された２つの室に仕切っている。２つの室の一方の室には、第１の光源としてのハロゲンランプ１３を設け、他方の室には第２の光源としてのキセノンランプ１４が設けられている。

ハロゲンランプ１３は、ガラス管内に窒素やアルゴンなどの不活性ガスとともに微量のハロゲン化物（ヨウ素・臭素・塩素・フッ素）を封入した白熱電球である。

キセノンランプ１４は、キセノンガスが封入された放電管を有するランプである。このキセノンランプでは、蓄電器に蓄電した電気をトリガ信号によって急激にランプ内の巻線に流すことによってキセノンガスを瞬間的に発光させ、フラッシュ光を得る。

反射板１７、１８はハロゲンランプ１３又はキセノンランプ１４の反射光をムラなく被測定物に照射するためのものである。

仕切板１２の上方には、透明なアクリル板１９がほぼ水平に設けられ、このアクリル板１９の上には、第１の光学的なフィルタ１５と、第２の光学的なフィルタ１６が載置されている。フレーム１１の上部は、透明なアクリル板１１ａになっている。このアクリル板１１ａの上に被測定対象である太陽電池２０を載置し、測定する。

フレーム１１の上部には、照度検出器２１ａ、２１ｂがあり、照度検出器２１ａはハロゲンランプ１３の照度を測定し、照度検出器２１ｂはキセノンランプ１４の照度を測定する。なお、照度検出器２１ａはキセノンランプ１４の光を受光できないようになっており、照度検出器２１ｂはハロゲンランプ１３の光を受光できないようになっている。

またハロゲンランプの発光は安定的なので、中央上部に１個だけ照度検出器を設け、ハロゲンランプのみ点灯時にハロゲンランプの照度を制御し、キセノンランプ発光している時はキセノンランプの照度を制御する構成とすることも可能である。

またさらに照度検出器は、キセノンランプの照度制御専用に１個、ハロゲンランプの照度制御専用に１個、両者の発光光を受光しその照度を制御するために１個、このように合計３個使用する構成とすることも可能である。

上記の態様でフラッシュ点灯されるハロゲンランプ１３のフラッシュ光は、第１の光学的なフィルタ１５を透過する。第１の光学的なフィルタ１５では、ハロゲンランプ１３の光のうち、波長の短い部分をカットし、長い帯域の光だけを通過させる。

第１の光学的なフィルタ１５を通過したハロゲンランプ１３のフラッシュ光の照度は、図１に例示したように、ハロゲンランプ１３の光を受光可能な位置に設けられた照度検出器２１ａによって検出される。

第２の光学的なフィルタ１６を透過したキセノンランプ１４のフラッシュ光の光の照度は、照度検出器２１ｂによって検出される。

本発明のソーラシミュレータ１０では、ハロゲンランプ１３から第１の光学的なフィルタ１５を透過した光と、キセノンランプ１４から第２の光学的なフィルタ１６を透過した光の双方を受光可能な位置に、測定対象としての太陽電池２０を配置している。

図２は本発明のソーラシミュレータ１０のブロック図である。本発明のソーラシミュレータでは、太陽電池２０から出力される電流・電圧を可変にする。そのため当該太陽電池２０の出力端子に負荷回路２２の電子負荷２２ａを接続する。なお、電子負荷２２ａを備えた負荷回路２２において、２２ｂは直流電源、２２ｃはシャント抵抗である。電子負荷２２ａと直流電源２２ｂをバイポーラ電源等に置き換えても実施可能である。

上記の太陽電池２０が出力する電流と電圧、及び、照度検出器２１ａ、２１ｂから検出される照度のデータは、本発明のソーラシミュレータ１０におけるデータ収集システムにより収集する。このデータ収集システムとしては、図２に例示したように、データ処理ボード２３ａとアナログ出力ボード２３ｂを備えたパソコン２３を使用している。このパソコン２３は、ソーラシミュレータ１０全体の制御装置となっている。データ収集ボード２４は、各部から受信したアナログ出力信号をデータ処理ボード２３ａで処理可能な信号に変換するものである。なお、２５はパソコン２３からのデータを電子負荷２２ａに付与するために接続された電子負荷指令回路である。

制御装置としてのパソコン２３は、ハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４の点灯のタイミングおよびそれぞれの点灯パルスの長さ等を、予めプログラムされた内容にしたがって制御する。

パソコン２３は、ソーラシミュレータ１０全体の制御装置としての他に、ハロゲンランプ１３の波形制御装置を兼ねている。照度検出器２１ａは、第１の光学的なフィルタ１５を通過したハロゲンランプ１３のフラッシュ光の照度を検出し、その結果の照度信号をデータ収集ボード２４を経由してパソコン２３に入力する。パソコン２３には、ハロゲンランプ１３の制御に必要な電圧と照度の関係についてのデータが記憶されている。このデータに基づいて、ハロゲンランプ１３のパルス波形の頂部が平坦になるように、アナログ出力ボード２３ｂを介して電源回路１３ａが出力する電圧をリアルタイムで制御して、照度を一定にする。電源回路１３ａには直流電源１３ｂが接続され、電源回路１３ａによって電圧が変えられてハロゲンランプ１３に印加される。

また、パソコン２３は、ハロゲンランプ１３のフラッシュ光が、照度を一定に保っている間に、キセノンランプ１４を点灯し、キセノンランプ１４からフラッシュ光が照射されるようにタイミングの調整を行う。

図３は、キセノンランプ１４によるフラッシュ光の波形図である。キセノンランプ１４の電源回路１４ａには、キセノンランプ１４の波形制御装置として、図４に例示したような複数のコイルＬとコンデンサＣを使用したパルス幅制御回路１４ｂ（又は、パルス幅延長回路）が接続されている。

キセノンランプ１４には、上述したパルス幅制御回路１４ｂが接続されているので、パルス波形の頂部を平坦にすることができる。ここで、個々のコンデンサＣとコイルＬの容量は、照度波形の上部平坦部の平坦度が望ましい形になるように決定される。これによってキセノンランプ１４は、光パルス波形の上部平坦部の長さｔ１を、約１ｍsec以上となるように制御してキセノンランプ１４をフラッシュ発光させることができる。

図５及び図６は、キセノンランプ１４によるフラッシュ光のパルス波形の頂部を平坦にする別の実施例を説明する図である。図５は、キセノンランプの点灯制御回路のブロック図で、図６は、図５のコントローラ（波形制御装置）の機能構成例を表す図である。

図５は、図２におけるキセノンランプ１４、電源回路１４ａ、及びパルス幅制御回路１４ｂと置き換わるもので、これらに照度検出器２１ｂと制御装置としてのパソコン２３とを付加している。図５に示すように、キセノンランプ１４には、照度検出器２１ｂ、パワースイッチング素子３０、高電圧電源３３、蓄電器３１及びコントローラ３４が設けられている。

キセノンランプ１４には、トリガ回路３２が接続され、このトリガ回路３２にキセノンランプ１４の巻線３５が接続されている。キセノンランプ１４の一方の電極には高電圧電源３３の一方の電極が接続され、キセノンランプ１４の他方の電極には、パワースイッチング素子３０を介して高電圧電源３３の他方の電極に接続されている。パワースイッチング素子３０は、コントローラ３４で制御され、コントローラ３４はパソコン２３で制御される。

トリガ回路３２は、トランスを含み、キセノンランプ１４に巻かれた巻線３５に高電圧のトリガ信号を出力する。このトリガ回路３２は、パソコン２３からの制御によってトリガ信号を出力する。

照度検出器２１ｂは、キセノンランプ１４から発せられたフラッシュ光の照度を測定し、検出信号をコントローラ３４へ出力する。

蓄電器３１はコンデンサ３１ａを含み、高電圧電源３３により蓄電される。この蓄電器３１はキセノンランプ１４に電圧を印加するとともに、キセノンランプ１４が放電する際に電流を放出する。高電圧電源３３はパソコン２３からの制御を受けて蓄電器３１に蓄電をする。

また、蓄電器３１は、スイッチによりコンデンサ３１ａと接続／解放されるコンデンサ群３１ｂを含み、蓄電容量を切り替え可能としている。コンデンサ群３１ｂは、複数のコンデンサが並列に接続されたものである。

コントローラ３４は、キセノンランプ１４の下流側（接地側）に設けられたパワースイッチング素子３０をスイッチング駆動することで、蓄電器３１から放出されてキセノンランプ１４を流れる電流の量を制御する。このコントローラ３４は、例えば、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）で構成することができる。このコントローラ３４の具体的な機能については、図６で説明する。

パワースイッチング素子３０は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）で構成される。また、パワースイッチング素子３０はパワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴであってもよい。

また、パワースイッチング素子３０と並列に設けられた抵抗３６は、パワースイッチング素子３０がオフの場合でもキセノンランプ１４に一定量の電流が流れるようにするために設けられている。

図６により波形制御装置としてのコントローラ３４の機能を説明する。コントローラ３４は、第１加算部４１、フィードバック制御部（ＦＢ制御部）４３、フィードフォワード制御部（ＦＦ制御部）４５、第２加算部４７及び駆動部４９を機能的に有する。これらの機能構成は、コントローラ３４がメモリ（図示せず）に格納されたプログラムを読み出して実行することにより実現する。

第１加算部４１は、フラッシュ光の目標照度と、照度検出器２１ｂが検出した現在照度との誤差量を表す誤差信号を生成して、ＦＢ制御部４３へ出力する。フラッシュ光の目標照度は、パソコン２３により設定される。なお、照度検出器２１ｂからの検出信号は、ＡＤ変換器（図示せず）によりデジタル信号に変換されて、第１加算部４１に入力される。

ＦＢ制御部４３は、第１加算部４１から入力された誤差信号に基づき、照度の誤差量を抑制する制御信号を生成して、第２加算部４７へ出力する。このＦＢ制御部４３の感度関数は、照度の誤差量が０となる点を安定点とし、照度の誤差量に応じたゲインを有するように作成される。このＦＢ制御部４３の感度関数は、パソコン２３により設定される。

ＦＦ制御部４５は、キセノンランプ１４から発せられたフラッシュ光の照度が閾値を越えた場合に、メモリ（図示せず）に格納された制御パターンに従って、制御信号を第２加算部４７へ出力する。この制御パターンは、フラッシュ光が目標照度で一定時間維持されるように定められており、パソコン２３によりメモリ（図示せず）に格納される。

このＦＦ制御部４５は、照度検出器２１ｂが検出するフラッシュ光の照度が閾値を越えた場合をフィードフォワード制御（開ループ制御）の契機としているが、これに限らず、例えば、トリガ信号が出力されたことを表すタイミング信号をトリガ回路３２又はパソコン２３から受信するようにして、このタイミング信号の受信をフィードフォワード制御の契機としてもよい。

第２加算部４７は、ＦＢ制御部４３から出力された制御信号と、ＦＦ制御部４５から出力された制御信号とを加算して駆動部４９へ出力する。

駆動部４９は第２加算部４７から入力される制御信号に応じて、パワースイッチング素子３０をスイッチング駆動する。具体的には、駆動部４９はパルス幅変調（ＰＷＭ）によりパワースイッチング素子３０に出力するパルス波のデューティー比を変化させることでキセノンランプ１４に流れる電流の量を制御する。第２加算部４７から入力される制御信号は、パルス波のデューティー比に対応する。

そして、デューティー比を最大値まで増加させた後は、デューティー比を最大値のまま暫く保つことで、キセノンランプ１４の放電を完了させる。ＦＦ制御部４５は、このようにフィードフォワード制御を行うことで、キセノンランプ１４のフラッシュ光のパルス波形の頂部を目標の照度で一定時間に渡り一定値に維持することができる。このようなフィードフォワード制御は応答性が早いことから、フラッシュ光を目標照度に維持することが容易である。

なお、ＦＦ制御部４５は、上述したように照度検出器２１ｂが検出するフラッシュ光の照度が閾値を越えた時点で（すなわち、最大照度に到達する前に）動作状態に移るが、フラッシュ光の照度が閾値に到達するタイミングまでデューティー比を０としたまま待機する。

ＦＢ制御部４３は、ＦＦ制御部４５がデューティー比を漸増させる期間、フラッシュ光が目標照度で維持されるようにフィードバック制御を行う。このようなフィードバック制御により、フラッシュ光の照度を目標照度で安定させることができる。パソコン２３は、フラッシュ光が目標照度で維持されている間に、太陽電池２０の電流・電圧特性を計測する。

なお、光パルスの幅ｔ１は、被測定体である太陽電池の応答性に配慮して、適宜に決定することができる。一般に、太陽電池の応答性が速い場合、図２に示したパルス波形の上部平坦部は１ｍsec程度と短くすることができ、応答性が遅い場合は、長くすることになる。著しく応答性が遅い太陽電池の場合には、一例として１００ｍsec程度となるように調整してもよい。

光パルスのｔ１の長さが約１〜２０ｍsecの場合、キセノンランプのみであればフラッシュ点灯サイクルｔ２を、約０．５〜１.５secにすることは可能である。フラッシュ点灯サイクルを適切にすることでキセノンランプ１４の温度が過熱せずに安定した照度を得ることができる。

なお、大電流を出力できる直流電源を用いて、キセノンランプ１４をフラッシュ点灯させる方式で光パルス幅を拡張しても、本発明の測定方法を実施するソーラシミュレータの光源として使用することは可能である。

一方、ハロゲンランプ１３は、その性質上、短時間の点灯は困難で、０．５secから数秒間の点灯となる。ただし、上述したように、照度検出器２１ａと制御装置（パソコン２３）とによって、パルスの頂部を平坦にすることができる。

図７は、ハロゲンランプ１３の頂部を平坦にしたフラッシュ光のパルスの例である。頂部の平坦部分の長さＴ１は、０．５sec程度としている。Ｔ１が０．５sec程度の場合は、フラッシュ光の間隔Ｔ２は５〜１０secで、ハロゲンランプ１３の照射光による光学部品、被測定太陽電池等の温度上昇の影響を受けないようにすることができる。

次に、本発明のソーラシミュレータで多接合型太陽電池の測定をする方法を説明する。まず、第１の光源としてのハロゲンランプ１３と、第２の光源としてのキセノンランプ１４の照度の設定をする。

照度の設定は、次のように行う。測定対象となる太陽電池２０が配置される位置に、太陽電池２０に代えて基準となる太陽電池を配置し、照度検出器２１ａ、２１ｂを所定の位置に配置する。ここで、太陽電池２０及び基準太陽電池は、トップ層用とボトム層用である。各々の基準太陽電池には、ハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４のそれぞれについて、規定照度（１０００Ｗ／ｍ^２）での短絡電流Ｉsc又は最大電力Ｐmaxの校正データを有している。この校正データを、データ処理ボード２３ａに設定しておく。

また、ハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４のそれぞれについて、一般的に知られている照度と太陽電池出力Ｉsc，Ｐmaxの相関関係をパソコン２３のソフトウエアに組み込んでおく。上述した基準太陽電池を測定した段階において、基準太陽電池の測定結果と校正データとから、照度検出器２１ａ、２１ｂでの目標照度を相関関係式から演算して記憶させる。基準太陽電池の次測定において、照度検出器２１ａ、２１ｂでの照度を、この目標照度となるようにランプ電圧が制御されて測定が実行されるので、基準太陽電池の測定結果は校正データに近いデータで測定される。従来、試行錯誤を繰り返して照度設定をしていたのが、非常に少ない回数で照度設定が可能となる。

本実施例として、データ処理ボード２３ａは、予め設定している規定照度（１０００Ｗ／ｍ^２）と照度検出器２１ａ、２１ｂに検出された照度をパソコン２３の演算部で比較する。そして、演算部での演算結果に基づき、光源であるハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４への印加電圧を制御するアナログ出力ボード２３ｂの出力指令を制御して照度を図３、図５の点線に示す範囲内（ここでは、±１％）に入るように調整する。なお、アナログ出力ボード２３ｂは、図４のパルス幅制御回路１４ｂのコンデンサＣへの充電電圧を制御する直流電源２２ｂと、前記の照度の演算結果から、この直流電源２２ｂへの充電電圧を制御する制御信号を出力する信号出力部を具備している。また、アナログ出力ボード２３ｂは、ハロゲンランプ１３の電源回路１３ａがハロゲンランプ１３に印加する電圧を制御する信号出力部も備えている。

このようにしてハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４の照度の設定ができると、これら２つの光源から太陽電池２０に照射される光のスペクトル分布も決定されることになる。

検出照度が規定値と同じか規定値に近ければ（この範囲を許容範囲という）、次に、太陽電池２０の出力測定に移行する。

基準太陽電池に代えて、測定対象となる太陽電池２０をセットする。そして、ハロゲンランプ１３をフラッシュ点灯し、ハロゲンランプ１３のフラッシュ光の頂部が平坦なタイミングで、キセノンランプ１４を発光させる。

図８は、ハロゲンランプ１３のフラッシュ光の頂部が平坦なタイミングで、キセノンランプ１４を発光させた状態を示す。２つのフラッシュ光の平坦な部分が重なったとき、太陽電池の測定をすることになる。

図８のようなフラッシュ光を１回フラッシュして測定を行うが、照度検出器２１ａ、２１ｂによる検出照度が規定値に対して、許容範囲から外れて高かったり、低かったりする場合は、フラッシュ毎にランプ電圧を増減して、照度が規定値（許容範囲を含む）になるように自動的に制御される。本発明の実施例では、許容範囲としては、±１〜５％を目安としている。予め、ランプ電圧に関して照度がどのように変化するかの特性を把握しておくことで、ランプ電圧によって照度を調整することができる。

照度が規定値に近い場合、太陽電池２０に接続されている電子負荷２２ａをその電子負荷指令回路２５からの出力によって制御して太陽電池２０から出力される電流を加減する。

電子負荷指令回路２５は、電子負荷２２ａを、連続的に加減することで掃引するか、又はステップ状に変化させる。パソコン２３とデータ収集ボード２４を主体とするデータ収集システムは、ハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４の１回のフラッシュ光の間で、照度のデータ、及び、Ｉ−Ｖカーブのための太陽電池２０の出力電流、電圧のデータを１００〜２００組程度収集することができる。

予備測定（これについては後述する）として、第１の光源としてのハロゲンランプ１３を発光させ、続いてキセノンランプ１４を発光させる。その後、本測定として、同様にハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４を発光させる。予備測定と本測定にてハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４の同時発光を２回行うことで出力特性の測定が可能である。このような測定方法により測定時間は、約５秒となる。したがってハロゲンランプ１３の発光時間が短いので、光学部品の温度上昇を抑えることができる。また被測定太陽電池の温度上昇が少なくてすむので、より正確な出力特性の測定が可能となる。

なお、本発明では、測定に先だって、予備的な測定を行うことが望ましい。予備測定では、本測定と同じフラッシュ発光を行う。このフラッシュ発光では、掃引速度を早くして、電子負荷２２ａを広範囲に変化させ、測定対象となる太陽電池２０の短絡電流Ｉscと開放電圧Ｖocの概略値を求める。この概略値を求めることで、電子負荷２２ａの掃引範囲を特定することができ、本測定の際の掃引速度を遅くすることが可能となる。この予備的なフラッシュ発光は、複数フラッシュで行っても良い。複数フラッシュで行うことにより、より概略値の精度を上げることが可能となり、次の本測定において、より被測定体である太陽電池の特性に適した負荷の掃引が可能となる。

こうして短絡電流Ｉscと開放電圧Ｖocの概略値が求められたら、Ｉ−Ｖカーブ作成のためのフラッシュ発光を行う。１フラッシュ点灯で電子負荷を掃引し、Ｉ−Ｖカーブの１００〜２００ポイントのデータを得る。そして、光パルスがその波形における上部平端部の終端に近くなった時点で、データ収集を中止し、ハロゲンランプ１３とキセノンランプ１４を一端休止させる。その間に、次の１フラッシュ点灯のために、ランプ電圧の制御を行う。予め定めた休止時間が経過した後、次の１フラッシュ点灯を行い、上述した手順と同じようにして照度の比較をし、次の出力特性のデータの収集を行い、これを繰り返す。各フラッシュ光での測定点は、一部がオーバーラップするようにすることで、接続を容易にすることができる。本発明の実施例では、２回のフラッシュ発光により４００ポイントでのデータの収集ができ、Ｉ−Ｖカーブを得ることができる。したがって、予備測定に２回のフラッシュ発光を使用したとしても、合計で４回のフラッシュ発光で測定が完了する。

本発明の測定方法によれば、ハロゲンランプ１３を０．５秒点灯する場合、５〜１０秒のインターバルで点灯しても、ランプ温度の上昇の影響を受けないことが分かった。そのため、予備測定を含めて４回のフラッシュ発光を行っても、２０〜４０秒のサイクルで測定できることになる。本測定は、被測定体である太陽電池の応答に応じて、フラッシュ回数を数回まで増やして測定することも可能である。

図９は、ハロゲンランプ１３の１回のフラッシュ光の間に、キセノンランプ１４のフラッシュ光を複数回発光して行う測定方法を説明する図である。この場合、ハロゲンランプ１３の点灯時間は０．５〜数秒の範囲とする。ハロゲンランプ１３を数秒点灯した場合、次に点灯するまでに長い時間を要する。また光学部品や被測定太陽電池の温度が上昇しやすい。したがって、この方法を採用する場合は、ハロゲンランプ１３の点灯は１回に限定した方がよい。

以上によって、被測定体である太陽電池２０の出力測定に必要な点数分のデータ収集を行い、収集したデータからＩ−Ｖカーブが作成される。本発明において、照度の確認，制御のための発光回数、短絡電流検出のための発光回数、Ｉ−Ｖデータ測定のための発光回数は、いずれも上記例に限られるものではない

また、実施例において、電子負荷２２ａの制御においては、電流を制御する他に、電圧を制御する方式を用いることもできる。また、データ収集過程において、経過時間における照度信号を逐次記録し、前記時間に対応する太陽電池２０の電流、電圧信号を記録することがある。この記録データの演算に基づいて照度に対する被測定体の出力応答遅れを算出することができる。前記出力応答遅れに応じて、掃引速度、フラッシュ数を演算して増減させることで、応答遅れに適した測定を行うことも可能である。

なお、上記実施例では、１フラッシュ発光で電子負荷２２ａを掃引して多点のデータを取得したが、これに限定されるものではない。たとえば、１フラッシュ光の間では電子負荷の掃引をせず、１フラッシュ発光で１点のデータを取得するようにしてもよい。応答が非常に遅い太陽電池を測定する場合は、１フラッシュ中、電子負荷２２ａの制御状態を一定に維持して、被測定体太陽電池からの出力が飽和する光パルス後半部において、データを収集する。太陽電池の応答性に応じて光パルス波形の上部平坦部の長さを長くする。たとえば、標準で４ｍsecであった平坦部の時間を８〜１０ｍsecにする。逆に、応答の早い太陽電池を測定する場合は、平坦部の時間を１ｍsecにすることもできる。

通常のショートパルスフラッシュ光では、パルス波形に平坦部がないので、応答の
遅い太陽電池は測定できなかったが、本発明では、パルス波形に平坦部があるので、応答
の遅い太陽電池でも正確な測定が可能である。

反対に、１回のフラッシュ光の平坦時間を、たとえば、１０ｍsec以上に長くして、１
回のフラッシュ光で４００ポイント以上のデータを取得することも可能である。

本発明のソーラシミュレータの構成を示す断面図である。 本発明のソーラシミュレータのブロック図である。 キセノンランプによるフラッシュ光の波形図である。 複数のコイルＬとコンデンサＣを使用したパルス幅制御回路の一例を示す図である。 キセノンランプの点灯制御回路のブロック図である。 図５のコントローラ（波形制御装置）の機能構成例を表す図である。 ハロゲンランプの頂部を平坦にしたフラッシュ光のパルスの例である。 ハロゲンランプのフラッシュ光の頂部が平坦なタイミングで、キセノンランプを発光させた状態を示す図である。 ハロゲンランプの１回のフラッシュ光の間に、キセノンランプのフラッシュ光を複数回発光して行う測定方法を説明する図である。

符号の説明

１０ ソーラシミュレータ
１３ ハロゲンランプ（第１の光源）
１４ キセノンランプ（第２の光源）
１４ｂ パルス幅制御回路（第２の光源の波形制御装置）
１５ 第１の光学的なフィルタ
１６ 第２の光学的なフィルタ
２０ 太陽電池
２１ａ 照度検出器（第１の光源用）
２１ｂ 照度検出器（第２の光源用）
２２ 負荷回路
２２ａ 電子負荷
２３ パソコン（制御装置、第１の光源の波形制御装置）
３１ 蓄電器
３１ａ コンデンサ
３１ｂ コンデンサ群
３２ トリガ回路
３４ コントローラ（第２の光源の波形制御装置）
４３ ＦＢ制御部
４５ ＦＦ制御部

Claims (14)

1. 第１の光源と、前記第１の光源とは異なる波長帯域を持つ第２の光源と、前記第１の光源からのフラッシュ光の強度を測定する照度検出器と、該照度検出器の測定によって前記第１の光源からのフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように制御する波形制御装置と、前記第２の光源からのフラッシュ光の強度を測定する照度検出器と、該照度検出器の測定によって前記第２の光源からのフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように制御する波形制御装置と、測定対象となる太陽電池に負荷を与える負荷回路と、装置全体を制御する制御装置とを有し、前記制御装置が、前記第１の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦な間に、前記第２の光源からパルス波形の頂部が平坦で、前記第１の光源からのフラッシュ光より短いパルスのフラッシュ光を１回以上発光させることを特徴とするソーラシミュレータ。
2. 前記制御装置が、前記第１の光源のフラッシュ光と、前記第２の光源のフラッシュ光とを重ねたフラッシュ光を複数回繰り返すことを特徴とするソーラシミュレータ。
3. 前記第１の光源のフラッシュ光の所定の波長を通過させて測定対象となる太陽電池に照射する第１の光学的なフィルタと、前記第２の光源のフラッシュ光の所定の波長を通過させて測定対象となる太陽電池に照射する第２の光学的なフィルタと、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のソーラシミュレータ。
4. 前記制御装置が、前記負荷回路によって、前記太陽電池の負荷を掃引できることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のソーラシミュレータ。
5. 前記第２の光源が波形制御装置を有し、前記第２の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように前記波形制御装置が、フィードフォワード制御するＦＦ制御部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のソーラシミュレータ。
6. 前記波形制御装置が、フィードバック制御するＦＢ制御部を有することを特徴とする請求項５に記載のソーラシミュレータ。
7. 第１の光源からフラッシュ光を発光させてその強度を照度検出器で測定し、前記第１の光源からのフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように制御する工程と、第１の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦な間に、第２の光源からパルス波形の頂部が平坦で、前記第１の光源からのフラッシュ光の平坦部分より短いパルスのフラッシュ光を１回以上発光させる工程と、前記第１と第２の光源からのフラッシュ光を被測定体としての太陽電池に照射し、前記第２の光源からのフラッシュ光の発光中に、前記太陽電池の負荷を制御して太陽電池から出力される電流と電圧を１点又は２点以上で測定する測定工程と、を有することを特徴とする多接合型太陽電池の測定方法。
8. 前記第１の光源からフラッシュ光を複数回発光させ、その都度、前記第２の光源からのフラッシュ光を１回だけ発光させることを特徴とする請求項７に記載の多接合型太陽電池の測定方法。
9. 前記第１の光源からのフラッシュ光を第１の光学的なフィルタを通過させて特定の波長帯を通過させる工程と、前記第２の光源からのフラッシュ光を第２の光学的なフィルタを通過させて特定の波長帯を通過させる工程と、を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の多接合型太陽電池の測定方法。
10. 前記太陽電池の負荷を制御して太陽電池から出力される電流と電圧を１点又は２点以上で測定する測定工程が、太陽電池の負荷を掃引して太陽電池から出力される電流と電圧を２点以上で測定する工程であることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の多接合型太陽電池の測定方法。
11. 前記測定工程に先だって、前記第１の光源と第２の光源からのフラッシュ光を太陽電池に照射し、前記負荷を制御して前記太陽電池の特性値の概略値を求める予備測定工程を有することを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の多接合型太陽電池の測定方法。
12. 前記第１の光源がフラッシュ光を１回発光させ、該フラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になる間に、第２の光源からパルス波形の頂部が平坦で、前記第１の光源からのフラッシュ光の平坦部分より短いパルスのフラッシュ光を複数回以上発光させることを特徴とする請求項７に記載の多接合型太陽電池の測定方法。
13. 前記第２の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように、フィードフォワード制御することを特徴とする請求項７から１２のいずれかに記載の多接合型太陽電池の測定方法。
14. 前記第２の光源のフラッシュ光のパルス波形の頂部が平坦になるように、さらにフィードバック制御することを特徴とする請求項１３に記載の多接合型太陽電池の測定方法。

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