JP2012243828A - 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、２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を含む光を、積算光子数が１００００以上となるまで照射する（光予備照射工程Ｓ１）。次に、このカルコパイライト型太陽電池に対して規格された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（出力特性測定工程Ｓ２）。
【選択図】図２

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（Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘ）Ｓｅ_２（以下、ＣＩＧＳともいう）に代表されるカルコパイライト化合物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、ＺｎＯ・Ａｌからなる透明な第２電極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、バッファ層は、例えば、ＣｄＳ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し、光照射を開始すると電池性能が向上する現象、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。

そこで、本出願人は、特許文献１において、先ず、４８０ｎｍ以下の波長に最大ピークが出現する短波長光を照射し、次に、規格された疑似太陽光を照射しながらカルコパイライト型太陽電池の出力測定を行うことを提案している。

特開２００５−３３３０８０号公報

本発明は特許文献１記載の技術に関連してなされたもので、カルコパイライト型太陽電池の出力特性を正確に評価し得る特性評価方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、カルコパイライト型化合物からなる発光層を有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、
規格された疑似太陽光を前記カルコパイライト型太陽電池に対して照射しながら、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２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を含む光を採用するとともに、該光を積算光子数が１００００以上となるまで照射することを特徴とする。

このような光が照射されたカルコパイライト型太陽電池では、該カルコパイライト型太陽電池の光吸収層に存在する欠陥準位の略全てが電荷によって埋められる。本出願人によれば、光照射効果は、欠陥準位の影響によって発現すると推察されるが、本発明では、光予備照射工程において欠陥準位を電荷で埋めるようにしているので、この時点で光照射効果が略飽和する。

この状態で出力特性を測定すると、上記したように欠陥準位が既に埋められているため、光照射効果が発現することが回避される。従って、カルコパイライト型太陽電池の出力特性を高精度に評価することが可能となる。

なお、太陽光の強度は、およそ１００ｍＷ／ｃｍ^２である。そこで、前記第１の光は、１Ｗ／ｃｍ^２以上の強度を有するものであることが好ましい。このような光を用いることで、短時間で光照射効果を飽和させることができる。

本発明によれば、光予備照射工程において照射する第１の光として、所定範囲の波長を含む光を積算光子数が一定数以上となるまで照射するようにしているので、光吸収層に存在する欠陥準位の略全てが電荷によって埋められる。その結果、光照射効果が略飽和するので、続く出力特性測定時に光照射効果が発現することが回避される。このため、カルコパイライト型太陽電池を長期間にわたって屋外に設置することなく、出力特性を正確に評価することが可能となる。

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。 図３Ａは、カルコパイライト型太陽電池における光照射前のバンド図であり、図３Ｂ及び図３Ｃは、光予備照射工程を実施している最中のバンド図である。

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。

先ず、カルコパイライト型太陽電池につき概略説明する。図１は、カルコパイライト型太陽電池１０の概略縦断面図である。カルコパイライト型太陽電池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が介装されている。なお、本実施の形態において、バッファ層２２は、ＩｎＳからなる。

第１電極１６の一部は露呈しており、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の上部には、第２リード部３０が設けられている。

このように構成されたカルコパイライト型太陽電池１０は、複数個が電気的に接続され、さらに、図示しない樹脂材で封止されることでモジュール化されるのが一般的である。樹脂材としては、例えば、ＥＶＡが選定される。

このモジュールの出力特性を評価するに際しては、図２にフローチャートを示す特性評価方法が実施される。この特性評価方法は、モジュール（カルコパイライト型太陽電池１０）に対して第１の光を照射する光予備照射工程Ｓ１と、該モジュール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、モジュールに対し、光予備照射工程Ｓ１において、２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を含む第１の光、すなわち、２５０ｎｍ〜８００ｎｍまで連続的なスペクトルを有する第１の光を照射する。このような範囲の波長の光を発する光源としては、例えば、キセノンランプが挙げられる。なお、照射は、積算光子数が１００００以上となるまで、すなわち、２５０ｎｍ〜８００ｎｍまでの任意の波長で積算光子数が１００００以上となるまで継続して行う。

この光予備照射工程Ｓ１を行う前のＺｎＯ・Ａｌ／ＩｎＳ／ＣＩＧＳヘテロ接合のバンド図を図３Ａに示すとともに、光予備照射工程Ｓ１を行っている最中の前記ヘテロ接合のバンド図を図３Ｂ、図３Ｃに示す。なお、図３Ｂは照射開始から比較的短時間が経過したときのものであり、図３Ｃは照射開始から長時間が経過したときのものである。

なお、図３Ａ〜図３ＢにおけるＥｖ及びＥｃは、それぞれ、価電子帯の頂及び伝導帯の底を表す。さらに、ΔＥｃは、ＩｎＳ／ＣＩＧＳ界面の伝導帯バンド不連続（いわゆる伝導帯オフセット）である。

Ｐ型半導体である光吸収層１８（ＣＩＧＳ）とＮ型半導体であるバッファ層２２（ＩｎＳ）との接合部近傍では、正孔と電子が互いに結合し、その結果、図３Ａに示されるように、電荷が少ない領域としての空乏層が形成される。

この時点では、伝導帯オフセットΔＥｃが大きい。このことは、光励起電子に対する障壁が高いこと、換言すれば、抵抗が大きいことを意味する。また、図３Ａ中に示すように、禁制帯には、白抜きの長方形、黒塗りの長方形で表した欠陥準位が多数存在している。

光予備照射工程Ｓ１を開始すると、すなわち、第１の光をモジュールに照射すると、価電子帯の電子が光を吸収することによって励起される。励起された電子は、図３Ｂに示すように、禁制帯を越えて伝導帯に到達し、伝導電子となる。一方、電子が励起前に存在していた箇所には、正孔が残留する。

伝導電子が発生すると、伝導電子がＩｎＳ側に移動し、且つ正孔がＣＩＧＳ側に移動する。以上の現象が進行する結果、伝導体オフセットΔＥｃが小さくなる。

また、ＩｎＳ／ＣＩＧＳ界面の近傍の欠陥や、禁制帯中の比較的低準位の欠陥に電子や正孔が捕捉される。すなわち、欠陥準位が埋められる。照射される光が２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を含むものであるので、ＩｎＳ／ＣＩＧＳ界面の近傍では、禁制帯の略全域にわたって欠陥準位が埋められる。

そして、さらに光を照射すると、図３Ｃに示すように、ＣＩＧＳ（光吸収層１８）の深部の欠陥準位や、禁制帯中の比較的高準位の欠陥準位が埋められる。ここで、積算光子数が１００００以上となるまで光の照射を行うと、上記した欠陥準位の略全てが埋められる。

以上のように、２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を含む光を、積算光子数が１００００以上となるまでカルコパイライト型太陽電池１０に照射することにより、該カルコパイライト型太陽電池１０の欠陥準位の略全てが埋められる。すなわち、カルコパイライト型太陽電池１０を、光照射効果に影響を及ぼすと推察される欠陥準位が略存在しない状態とすることができる。

このため、カルコパイライト型太陽電池１０を、長期間にわたって太陽光に照射された状態に近似することが可能となる。長期間にわたって太陽光に照射されたカルコパイライト型太陽電池１０においても、上記と同様に、欠陥準位の略全てが埋められていると推定されるからである。

すなわち、光予備照射工程Ｓ１を行うことにより、カルコパイライト型太陽電池１０に光照射効果が発現することを回避することができる。

なお、第１の光の強度を約１Ｗ／ｃｍ^２以上とした場合には、短時間で光照射効果を飽和させることができ、好適である。

次に、出力測定工程Ｓ２において、前記モジュールに対して疑似太陽光、すなわち、ＡＭ１．５、照射強度１００ｍＷ／ｃｍ^２の人工光を照射しながら、該モジュールの出力測定を行う。上記したように、光予備照射工程Ｓ１によってカルコパイライト型太陽電池１０の欠陥準位の略全てが埋められているので、この出力測定の最中、各カルコパイライト型太陽電池１０に光照射効果が発現することが回避される。従って、モジュール、ひいては各カルコパイライト型太陽電池１０の出力を精度よく評価することができる。

なお、出力測定の間、疑似太陽光が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１０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１０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１０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１０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１０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、本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、光吸収層２０はＣＩＧＳに特に限定されるものではなく、ＣＩＳ等の他のカルコパイライト型化合物であってもよい。いずれにしても、本発明は、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。

１０…カルコパイライト型太陽電池 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
２８、３０…リード部

Claims (2)

1. カルコパイライト型化合物からなる発光層を有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、
   規格された疑似太陽光を前記カルコパイライト型太陽電池に対して照射しながら、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２５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長を含む光を採用するとともに、該光を積算光子数が１００００以上となるまで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の光の強度を１Ｗ／ｃｍ^２以上に設定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。

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