JP2013070046A - 太陽電池の欠陥不良検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池の生産工程においてセルをラミネートする前に太陽電池の異常、特にはんだ付け不良を発見する方法及び装置であって、セルよりも小さな単位で異常を発見できるものを提供すること。
【解決手段】セルを分割した評価領域を評価するために、評価領域を含むセルに照射される光の照射量を他のセルよりも小さくし、評価領域に照射される光の照射量を変化させて太陽電池の特性値を測定する。特性値の変化に基づいて評価を行う。評価領域を変更して評価を行うことで、評価結果の異なる部分が異常であると判定することもできる。また、この評価をはんだ付けの後、セルをラミネートする前に行い、半田付け不良を発見して修復することを容易にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の欠陥不良検出方法及び装置、特に、セルの一部に異常がある場合にその異常のある部分を発見する方法並びに装置に関するものであり、セルの各部分の半田付けの良否の検査に用いることができるものである。

太陽電池は、構造が単結晶型、多結晶型、アモルファス型のいずれであっても、また、材料がシリコン系、化合物系のいずれであっても、ｐｎ接合またはｐｉｎ接合を基本構成とし（以下、このような基本構成の単位を「セル」と言う。）、それぞれのセルに光電変換させている。このセル1個の起電力は0.5V〜1.2V程度なので、一般に直列に接続して電圧を数十ボルト以上にして扱われる。結晶シリコン太陽電池では、個々のセルが独立していて、面積が大きいことから、接続に当たっては数アンペア〜十アンペア程度の電流を流せる導線を用いる必要がある。結晶シリコン太陽電池の表面には金属粉末を加えた電極パターンが印刷されているので、銅などの金属箔リードをこの電極パターンに半田付けする。この際、電極広がり抵抗の低抵抗化をも兼ねて、この金属箔リードをセルの電極パターンに重ねて半田付けされている。銅とシリコンとでは熱膨張係数が7倍〜8倍異なり、半田にはこれに起因する強いせん断応力が加わっているので、シリコンが割れたり半田が外れたりする事故が起きる。仮に金属箔リードがセルの１／８程度の長さに亘り半田と電極パターンの間で外れると0.01Ω程度の、電極パターンとシリコンの間で外れると0.1Ω程度の抵抗上昇が起こると見積られる。したがって、半田付けが不良である場合には、セルの電気抵抗上昇に伴い発熱する。この発熱が、発電能力の減退をきたし、甚だしい場合には太陽電池モジュールの長期間の運転で外装樹脂の焼損に至ることもある。太陽電池を設置した建物の火災につながる可能性も否定できない。是非とも避けたい問題である。
このような半田付不良は、セルよりも小さな単位での不良である。セル単位の検査ではそのセルの他の正常部分の特性でマスキングされてしまい、発見できないことも考えられる。また、出荷前の検査の時点では不良の度合が小さくても、出荷後の使用時に発熱して不良の度合が大きくなることも考えられる。出荷前にセルよりも小さな単位で小さな不良を発見することが好ましい。

流通している最小単位の太陽電池は、セルを10枚〜20枚直列接続してクラスタとし、これを数組 ガラス板に樹脂でラミネート(封止)してモジュールとした物である。この様にラミネートした後では、多数のセルを直列接続した両端からの電極しか端子が出ていないので、個々の特性を知るのが難しい。また、半田不良を見つけてもモジュールを分解できない為、多くの良品セルと共にそのモジュール全体を廃棄する事になる。
従って、半田付の不良の有無は、直列接続した後でラミネートする前に見つけなければならない。クラスタ化後の太陽電池セル個々の特性やその中の抵抗値の評価は従来簡単には行なえず、実質上上記検査は従来行なわれてこなかった。
この様なセル内又はセル縁における接続不良に伴う抵抗増加は、ジュール熱を増し、上述の通り部分的温度上昇を来すので、その発見には赤外線カメラを用いるのが有用であり、非特許文献１にその実例が示されている。しかし、赤外線カメラでは、0.1℃程度の温度上昇の発見は容易でなく、モジュール製造工程の中の10秒程度の短時間に見つけられるのは発熱が激しく数℃以上温度が上昇する一部の場合のみである。
特許文献１には、太陽電池全体の集電端子に低周波発振器を繋ぎ、各モジュールの中の配線に沿ってセンサ部でなぞり、信号が出なくなる部分に異常があることを知る方法が開示されている。この方法によれば、電流が殆ど流れない程抵抗が高い異常のある部分を発見することが可能である。しかし、以下の問題があった。（１）僅かに抵抗値が高い程度の抵抗上昇、換言すれば劣化の兆候を見つけるのは難しい。（２）モジュール全体、少なくともクラスタ全面をなぞる必要があり、照射光との関係からモジュールの裏面をなぞらねばならない等、制約が大きい。

特開２０１０−１７１０６５号公報

加藤和彦「太陽光発電システムの不具合事例ファイル」、日刊工業新聞社

解決しようとする課題は、太陽電池の検査に用いられる方法であって、セルよりも小さな単位で異常を発見できるものを提供することである。

本発明の太陽電池の欠陥不良検出方法は、
2個以上の太陽電池セルが直列に接続されその両端のみに正負の端子を持つ最小単位のセル群中の1セルを被評価セルとし、
当該被評価セルの受光面をｎ個の等面積の領域に区分けし、その第ｉ番目の領域（評価領域）を照射する光の放射照度を第ｉ番目以外の領域（評価外領域）を照射する放射照度より大きくする照射条件の下で前記最小単位のセル群全体の電流-電圧特性又はその電流-電圧特性のうちの所定の部分における接線の傾きを測定することを評価領域を変えてｎ回行う（ｉ：１，２，・・・，ｎ）工程を含み、
前記工程で得た電流-電圧特性の接線の傾きから、当該被評価セルの直列抵抗の適否を判定する
ことを特徴とする。
ここで、「放射照度」は受光面の単位面積、単位時間当りに入射する光エネルギーを言い、受光面の範囲内で前記光エネルギーの強弱差がある場合には、受光面全体にわたる平均値を言う。
太陽電池の電流-電圧特性について、直列抵抗は、後の実施例で詳述するとおり、電流との積に相当する電圧降下を惹起する。即ち、直列抵抗は電流-電圧特性の傾き（即ち、微分抵抗）に反映される。１セル内の被評価領域は評価外領域と電気的に並列に繋がっており、電圧が平均化されて違いが減少する。また太陽電池では、評価外セルが多数直列に繋がっており得られる電流−電圧特性の電圧が大きくなるため、同グラフから違いを読み取るのは容易で無い。しかし、これ等は照射条件下では変わらずに一定であるので、測定結果を電圧で微分して微分抵抗（接線の傾きの逆数）を求める事は容易で、被評価領域毎の差を比較する事は簡単である。また、これに基づいて評価領域が正常であるか否かの判定を行う。
被評価領域の違いによる直列抵抗値の違いを十分に識別するためには、被評価領域を照射する光の放射照度を評価領域外の放射照度の2倍以上にすることが好ましい。また、通常の太陽電池を想定すれば、過剰な発熱や大電流を避ける意味から、評価領域を照射する光の放射照度は、10,000 W/m2程度迄に留めるのが無難である。
なお、光源の設計と評価の容易性に鑑み、区分けされる各部分は同形・等面積であることが好ましい。しかし、同形・等面積でなくても、形状に合わせて光源を設計し、単位面積当たりの放射照度を制御して本発明を実施することができる。

本発明の太陽電池の欠陥不良検出方法は、
2個以上の太陽電池セルが直列に接続されその両端のみに正負の端子を持つ最小単位のセル群中の1セルを被評価セルとし、
当該被評価セルの受光面をｎ個の領域に区分けし、その第ｉ番目の領域（評価領域）を照射する光の放射照度を第ｉ番目以外の領域（評価外領域）を照射する放射照度より大きくし、当該被評価セル以外のセルを上記被評価セルの放射照度以上の放射照度で照射する第一の照射条件の下で前記最小単位の電流-電圧特性、その電流-電圧特性のうちの所定の部分における接線の傾き又は所定の電流値に対応する電圧値を測定する第一の工程と、
最小単位のセル群中の所定のセルを照射する放射照度を当該セル以外のセルを照射する放射照度より小さくし、前記最小単位のセル群全体を照射する放射照度を前記第一の照射条件における前記最小単位のセル群全体を照射する放射照度と等しくする第二の照射条件の下で、上記最小単位のセル群全体の、電流-電圧特性、その電流-電圧特性のうちの所定の部分における接線の傾き又は所定の電流値に対応する電圧値を測定する第二の工程とを含み、
前記第一の工程を、評価領域を変えてｎ回行い（ｉ：１，２，・・・，ｎ）、これらを比較して、所定の電流値に対応した前記接線の傾き又は前記電圧値について、前記第二の工程の測定値との差が大きい評価領域を異常な領域と判定する
ことを特徴とする。
ここで、第二の照射条件は、最小単位のセル群中の各セルの領域全てを同じ放射照度で照射するが、セル毎に放射照度を替えてもよい。被評価セル又は他の１つのセルの放射照度を小さくし、他のセルを一様な放射照度で照射することが好ましい。
直列に繋がった一連のセル群の電流−電圧特性の変化を観測可能にすると共に、僅かな変化を見つけ易くする為、平均的状態との比較を容易にしたデータとしている。両電流−電圧特性の差を計算機上で求める事で、領域毎の差を一層顕著にすることも可能である。また、これに基づいて評価領域が正常であるか否かの判定を行う。
この光照射条件は、評価領域と評価外部分との対比が、上記光照射条件よりも更に明らかになる。

本発明の太陽電池の欠陥不良検出方法は、
前記第一の照射条件と前記第二の照射条件とを短時間に繰返し切換え、前記最小単位を所定の電流値を設定した定電流電源でバイアスして得られる電圧を上記照射条件の切り替えに同期させて測定し、前記２つの照射条件による電圧の差を検出することを評価領域を変えてｎ回行い（ｉ：１，２，・・・，ｎ）、
前記ｎ回の測定結果の前記電圧の差を比較する事で、セルの異常、セル中の異常個所を判定することを特徴とする。
2つの光照射条件について、それぞれの測定を行う（2回の測定を行う）ことをしなくても、２つの光照射条件の間を往復するように各価部分に照射される光の照射量を周期的に変化させて太陽電池の出力のうちの前記周期で変動する成分を検出することもできる。1回の測定によって検出される成分の大きさは、特性値の変化量を表すものである。

本発明の太陽電池の欠陥不良検出装置は、
太陽電池セルの受光領域を区分けして照射するための半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の発光量を制御する制御機構と、
前記測定を実行する測定手段と、
前記判定を実行する判定手段とを備えることを特徴とする。
上記の方法を実行するための装置である。

本発明の太陽電池の欠陥不良検出方法は、セルよりも小さな単位での異常（部分異常）を発見できる。
本発明の太陽電池の欠陥不良検出装置は、これらの方法を容易に実行するものである。

図１は、本発明の太陽電池の欠陥不良検出装置の構成の例を示す図である。 図２は、太陽電池のセルの電気的接合を示す図である。 図３は、セルの分割の例を示す図である。 図４は、光照射条件の例を示す図である。 図５は、太陽電池の電流−電圧特性の例を示す図である。 図６は、測定結果を説明する為の等価回路と、そのパラメータ値を示す図である。 図７は、照射条件を示す図である。

以下に、本発明の実施例を示す。

（装置の構成）
図１は、本発明の太陽電池の欠陥不良検出装置の構成の例を示す図である。太陽電池１の出力端子が導線で結ばれ、その導線上に特性測定部２が設けられている。特性測定部２は、太陽電池１の特性値を測定し、その測定結果を制御・判定部３に送信する。
制御・判定部３は、光源部４を制御する。光源部４としては、全ての領域の数だけの半導体発光素子が設けられており、各半導体発光素子は１つの領域に光を照射する。制御・判定部３からの制御により各半導体発光素子の駆動電流が調整され、照射量(放射束)が定められた光を照射するものである。

図２は、セルの電気的接合を示す図である。セル５に金属箔リード６を半田付けすることにより、セル５が隣接するセル５と電気的に直列に接続される。ここで、半田付けが不良であると、その部分で発生した電流は低抵抗で金属箔リード６に達する事ができず、金属に比べて100倍以上抵抗が高いシリコン結晶或は10倍高い金属粉入り導電パターンを経て隣接する半田接続部へ迂回して流れることになり、直列抵抗が増す。その迂回路の抵抗増加に起因してセルの電流−電圧特性が変化する。

（セルの区分け）
図３は、セルの区分けの例を示す図である。区分けされた領域毎に電流が発生して金属箔リードへ電流が流れ、途中の抵抗を反映した特性を示す。本実施例においては、２本の金属箔リードに沿って、各金属箔リードを２分割して、図に点線で境界を示した４つの等面積の領域に区分けした。このように、金属箔リード毎に図の縦方向に短冊状に区分けすることが好ましい。

（検査時の動作）
検査を行う際の動作は、以下のとおりである。
図４は、光照射条件の例を示す図である。領域数に対応して４つの光照射条件を示している。評価外セルの各領域には等しく波長915nmで放射束1.67Wの半導体レーザ光を照射している。この図では、セル２が被評価セル当たっており、ある1つの評価領域を強調して見るため、その領域にのみ5.56Wの放射束としている。同図（ａ）では被評価領域を領域Aとした場合を、同図（ｂ）では被評価領域を領域Bとした場合を示している。同様に、同図（ｃ）及び（ｄ）では被評価領域を領域Ｃ及びＤとした場合を示している。この波長域ではほぼ0.9A/Wの光電変換が行われる事がわかっているので、評価外セルの各領域では、1.5Aの電流が発生しセル全体では6Aの電流となる。これに対し、被評価セルでは、5Aの電流が流れる筈である。

制御・判定部３は、１つの評価領域を定め、（ａ）の光照射条件で光源部４の半導体発光素子の光量を制御して発光、照射をさせ、特性測定部２から測定された特性値を受け取る。次いで、（ｂ）の光照射条件で光源部４の半導体発光素子の光量を制御して発光、照射をさせ、特性測定部２から測定された特性値を受け取る。
図５は、上記条件で測定した太陽電池の電流−電圧特性の例を示す図である。図中曲線５aは図４の照射条件（a）の条件下で得られる電流−電圧特性であり、５ｂは図４の照射条件（ｂ）の条件下で得られる電流−電圧特性である。以下同様に、５ｃ及び５ｄは図４の照射条件（ｃ）及び（ｄ）の照射条件下で得られる電流−電圧特性である。明らかに曲線５ｂは曲線５ａ、５ｃ、５ｄの左側(低電圧側)に位置しており、その接線の傾きは曲線５ｂの方が小さい。これは、等価回路で表した時の直列抵抗RSが大きい事を示唆している。

図６は、測定結果を説明する為の等価回路（ａ）と、そのパラメータ値（ｂ）を示す図である。上記実施例１では、セル２の領域Bの直列抵抗RSが高いのであろうとの判定がなされた。同図（ｂ）では、セル２の領域Bに於けるRS値を0.02Ωとしてある。半田付けが不良で抵抗値が0.015Ω高くなったとしている。この様なパラメータ変化であるとすれば、図5の特性曲線を説明できる。
また、図5を見ると電圧範囲9V〜11V領域にその前後と異なり、電流が5Aで比較的平坦な領域を認める事が出来る。これはセル２への放射束と同領域の光電変換能力による電流値と漏洩抵抗の大きさを反映している。図６（ａ）の等価回路で表わせば、ILとRpに対応している。ILの値は通常であれば大きくは変らない。しかし、先に述べた金属箔リードとシリコン結晶との間に存在する応力に外部的ショックなどが加わるとシリコンが負けて割れることがある。即ち発電する領域を失うと当然ILが小さくなる。また、Rpの値も半減するなどの事があればこの領域の傾きに反映され違いを発見する事が出来る。

上記実施例１では、曲線の接線の傾きから異常を見つけていたが、この曲線を得るのが「特性測定部」で、具体的にはパワーＭＯＳトランジスタを負荷抵抗として使いこれを実現している。このパワーＭＯＳトランジスタのゲート電圧を数ボルト掃引することで、１オーム以下の低抵抗から数キロオーム以上の高抵抗まで連続して変えられ、電流―電圧特性を簡単に得られる。勿論、定電流源でバイアスしてその時の電圧値を比較する、又は定電圧源でバイアスして電流値を比較する事でも目的を達する事が可能である。例えば、図５を参照しつつ言えば、電流4Aにバイアスして、セルと領域を変えつつ電圧を読めば、直列抵抗異常（半田不良）は簡単に見つけられるし、電圧10Vにバイアスしておいて、セルと領域を変えつつ電流値を読めば、ILの低下（割れ）を簡単に見つけられる。制御・判定部３は、上記２つの特性値の差の値が予め定めた閾値より大きい場合には、その評価領域を不良と判定する。ここで、閾値は、全ての部分が正常な太陽電池を用いて測定した値にセルの個体差及び測定誤差の余裕分を加えた値とすることができる。
制御・判定部３は、以上に述べた測定及び判定を全ての部分について繰り返し実行する。

以上の評価は、太陽電池の生産に当たり、隣接するセル間を通電する金属箔リードをはんだ付けした後であってセルをラミネートする前に実行することができる。半田付け不良を発見して修復することが容易になる。

本実施例は、被照射領域を照射する照射条件と全体を均等に照射する照射条件とを用いるものである。装置の構成及びセルの分割は実施例１と同様である。以下、検査時の動作について説明する。

（検査時の動作）
図７（ａ）は、被評価セルをセル２とした場合の照射条件を示す図である。被評価セル２の４領域を何れも同じ放射束1.39Wで照射している。この照射を受け被評価セル２が正常であれば短絡電流５Aを期待できる。一方、評価外セルは、各領域とも均一に1.67Wの放射束で照射され、短絡電流６Aを期待している。同図（ｂ）は被評価セル２のA領域を被評価領域とするもので、領域Aのみに5.56Wの光照射を行なう。この領域が正常であれば短絡電流５Aを期待できる。同様に、同図（ｃ）は被評価セル２のB領域を被評価領域とするものであり、同図（ｄ）は被評価セル２のC領域を被評価領域とし、同図（ｅ）は被評価セル２のD領域を被評価領域としている。

本実施例２では、同図（ｂ）の照射条件と同図（ｃ）の照射条件との２つの光照射条件を例えば１／１６０秒の周期で切換えて測定し、出力の周波数１６０Ｈｚ交流分を抽出すれば、その交流分は両照射条件での差に相当しているので、セル２の領域ＡとＢと直列抵抗Ｒｓの違い、発電能力ＩＬの違い、漏洩抵抗Ｒｐの違い、更には逆方向耐圧Ｖｒの違いの有無を簡単に見ることが出来る。同様に、同図（ｂ）の照射条件と同図（ｄ）の照射条件との２つの光照射条件を切換えて測定すれば、セル２の領域ＡとＣの差異を知ることができる。これ等の照射条件の切替とその交流分の測定は、ロックインの手法を使えば簡単に実現できる。この場合、負荷抵抗値がゼロでも無限大でもない為、得た値から微分抵抗が幾ら大きいといった正確な絶対値は直ぐには分らないが、異常を摘発することは簡単で便利である。

本実施例は、多くの部分に対する特性値の変化を用いて不良か否かの判定を行うものである。装置の構成及びセルの分割は実施例１と同様である。また、検査時の動作のうち各部分を測定する際の光照射条件及び光源部の発光の制御も実施例１と同様である。以下、不良か否かの判定について説明する。
同図（ａ）の照射条件と同図（ｂ）の照射条件との２つの光照射条件を切換えて測定すれば、セル２全体の平均とセル２の領域Ａとの比較を知ることが出来る。これ等の照射条件の切替とその交流分の測定は、ロックインの手法を使えば簡単に実現できる。
このように、セル毎或はセル間の更には領域間の比較は、照射光源に電球ではなく半導体発光素子を採用する事で実現される。
なお、上述の実施例１同様に定電流源でバイアスしつつ電圧を読む、或は定電圧源でバイアスしつつ電流を読む手法も、値が直列抵抗や漏洩並列抵抗の値となる点で有効である。

予め求めた閾値によって、これを超えるものは不合格と決め、除外する事を可能にする。これは、太陽電池製造工程中の検査で要求される高速性を満たす物である。
実施例１及び２と異なり、制御・判定部３は、各評価領域を２つの光照射条件で照射しての評価領域毎の判定を行わない。制御・判定部３は、全ての評価領域を２つの光照射条件で照射し、その特性値の変化量のデータを取得する。全ての評価領域の変化量の平均値を求め、評価領域に係る変化量と平均値との差が予め定めた閾値より大きい場合には、その評価領域を不良と判定する。
このようにして判定することにより、各々の評価領域に係る異常と正常とを判別するための特性値変化量の評価を定めない場合にも、異常と正常とを判別することが可能になる。

太陽電池の生産工程において、セルよりも小さな単位で異常を発見できるものであり、太陽電池を生産する企業による活用が期待できる。

１ 太陽電池
２ 特性測定部
３ 制御・判定部
４ 光源部
５ セル
６ 金属箔リード

Claims (4)

1. ２個以上の太陽電池セルが直列に接続されその両端のみに正負の端子を持つ最小単位のセル群中の1セルを被評価セルとし、
   当該被評価セルの受光面をｎ個の領域に区分けし、その第ｉ番目の領域（評価領域）を照射する光の放射照度を第ｉ番目以外の領域（評価外領域）を照射する放射照度より大きくする照射条件の下で前記最小単位のセル群全体の電流-電圧特性又はその電流-電圧特性のうちの所定の部分における接線の傾きを測定することを評価領域を変えてｎ回行う（ｉ：１，２，・・・，ｎ）工程を含み、
   前記工程で得た電流-電圧特性の接線の傾きから、当該被評価セルの直列抵抗の適否を判定する
   ことを特徴とする太陽電池の欠陥不良検出方法。
2. ２個以上の太陽電池セルが直列に接続されその両端のみに正負の端子を持つ最小単位のセル群中の1セルを被評価セルとし、
   当該被評価セルの受光面をｎ個の領域に区分けし、その第ｉ番目の領域（評価領域）を照射する光の放射照度を第ｉ番目以外の領域（評価外領域）を照射する放射照度より大きくし、当該被評価セル以外のセルを上記被評価セルの放射照度以上の放射照度で照射する第一の照射条件の下で前記最小単位の電流-電圧特性、その電流-電圧特性のうちの所定の部分における接線の傾き又は所定の電流値に対応する電圧値を測定する第一の工程と、
   最小単位のセル群中の所定のセルを照射する放射照度を当該セル以外のセルを照射する放射照度より小さくし、前記最小単位のセル群全体を照射する放射照度を前記第一の照射条件における前記最小単位のセル群全体を照射する放射照度と等しくする第二の照射条件の下で、上記最小単位のセル群全体の、電流-電圧特性、その電流-電圧特性のうちの所定の部分における接線の傾き又は所定の電流値に対応する電圧値を測定する第二の工程とを含み、
   前記第一の工程を評価領域を変えてｎ回行い（ｉ：１，２，・・・，ｎ）、これらを比較して、所定の電流値に対応した前記接線の傾き又は前記電圧値について、前記第二の工程の測定値との差が大きい評価領域を異常な領域と判定する
   ことを特徴とする太陽電池の欠陥不良検出方法。
3. 前記第一の照射条件と前記第二の照射条件とを短時間に繰返し切換え、前記最小単位を所定の電流値を設定した定電流電源でバイアスして得られる電圧を上記照射条件の切り替えに同期させて測定して前記２つの照射条件による電圧の差を検出することを評価領域を変えてｎ回行い（ｉ：１，２，・・・，ｎ）、
   前記ｎ回の測定結果の前記電圧の差を比較する事で、セルの異常、セル中の異常個所を判定することを特徴とする太陽電池の欠陥不良検出方法。
4. 太陽電池セルの受光領域を区分けして照射するための半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子の発光量を制御する制御機構と、
   前記測定を実行する測定手段と、
   前記判定を実行する判定手段とを備えることを特徴とする太陽電池の欠陥不良検出装置。

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