JP2014145696A - 電圧電流特性測定方法および電圧電流特性測定装置並びにソーラーシミュレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】光電変換素子の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる電圧電流特性測定方法および電圧電流特性測定装置並びにソーラーシミュレータを提供する。
【解決手段】電圧電流特性が同等な光電変換素子（Ａ，Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧および開放電圧が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性を測定する方法であって、光が照射された状態で光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、光電変換素子（Ｂ）の電圧値を測定すると共に、光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に電流値を測定し、これらの電圧値および電流値に基づいて光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性を生成する工程を有し、光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧および開放電圧における応答時間に基づいて、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求め、特定の関係式およびバイアス電圧から、所定の応答時間を求める。
【選択図】図２
【解決手段】電圧電流特性が同等な光電変換素子（Ａ，Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧および開放電圧が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性を測定する方法であって、光が照射された状態で光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、光電変換素子（Ｂ）の電圧値を測定すると共に、光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に電流値を測定し、これらの電圧値および電流値に基づいて光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性を生成する工程を有し、光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧および開放電圧における応答時間に基づいて、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求め、特定の関係式およびバイアス電圧から、所定の応答時間を求める。
【選択図】図２
Description
本発明は、太陽電池などの光電変換素子の電圧電流特性を測定する電圧電流特性測定方法および電圧電流特性測定装置並びにソーラーシミュレータに関する。
一般に、太陽電池などの光電変換素子の電圧電流特性は、以下のようにして測定される。先ず、光電変換素子に疑似太陽光を照射する。次いで、光電変換素子にバイアス電圧を印加し、当該光電変換素子で生成される電圧値を測定すると共に、当該電圧値における電流値を測定する。その後、光電変換素子に印加するバイアス電圧をステップ状に変化させて、光電変換素子で生成される電圧値および当該電圧値における電流値を測定する操作を繰り返すことにより、多数の電圧−電流データを取得する。そして、これらの電圧−電流データに基づいて、光電変換素子の電圧電流特性を求める。このような光電変換素子の電圧電流特性測定方法は、例えば特許文献１および特許文献２に記載されている。
上記の電圧電流特性測定方法においては、図４に示すように、光電変換素子に印加するバイアス電圧を電圧値Ｖ1 から電圧値Ｖ2 にステップ状に変化させると、当該光電変換素子に流れる電流は、 電流値Ｉ1 から電流値Ｉ2 に変化する。然るに、バイアス電圧をステップ状に変化させた直後では、光電変換素子に流れる電流が安定しない。そのため、光電変換素子に印加するバイアス電圧を変化させてから所定の時間待機した後に、当該光電変換素子の電流値が測定される。光電変換素子に印加するバイアス電圧を変化させてから電流値を測定するまでの待機時間をサンプリング遅延時間という。そして、このサンプリング遅延時間は、ＪＩＳ規格（例えばＪＩＳ Ｃ ８９３４）に、光電変換素子の時定数の４倍以上とされることが規定されている。
しかしながら、光電変換素子の応答時間、すなわち光電変換素子に印加するバイアス電圧を変化させてから当該光電変換素子に流れる電流が安定するまでの時間Ｔは、印加されるバイアス電圧の値によって異なる。従って、光電変換素子に対して応答時間Ｔが短いバイアス電圧を印加したときには、実際には、光電変換素子に流れる電流が安定してから更に長い時間待機した後に、当該光電変換素子の電流値が測定される。このため、光電変換素子の電圧電流特性の測定における時間的効率が低くなる、という問題がある。
このような問題を解決する手段として、特許文献１および特許文献２において、光電変換素子の出力電圧と光電変換素子の応答時間との関係を調べ、光電変換素子の応答時間が短い場合には、サンプリング遅延時間を短くする技術が提案されている。
しかしながら、このような電圧電流特性測定方法においては、電圧電流特性を測定する個々の光電変換素子について、予め、印加するバイアス電圧毎に応答時間を測定する予備測定を行うことが必要となるため、結局、光電変換素子の電圧電流特性の測定において、高い時間的効率が得られない。
しかしながら、このような電圧電流特性測定方法においては、電圧電流特性を測定する個々の光電変換素子について、予め、印加するバイアス電圧毎に応答時間を測定する予備測定を行うことが必要となるため、結局、光電変換素子の電圧電流特性の測定において、高い時間的効率が得られない。
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、光電変換素子の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる電圧電流特性測定方法および電圧電流特性測定装置並びにソーラーシミュレータを提供することにある。
本発明の電圧電流特性測定方法は、互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定する電圧電流特性測定方法であって、
前記光電変換素子（Ｂ）に光を照射する光照射工程と、
光が照射された状態で前記光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に前記電圧値における電流値を測定し、測定された電圧値および電流値に基づいて前記光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性を生成する電圧電流特性生成工程とを有し、
前記光電変換素子（Ａ）について、前記最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および前記開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を測定し、これらの応答時間（τVpm ）および応答時間（τVoc ）に基づいて、当該光電変換素子（Ａ）におけるバイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求め、
この特定の関係式および前記光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧から、当該バイアス電圧における前記光電変換素子（Ｂ）の前記所定の応答時間を演算して求めることを特徴とする。
前記光電変換素子（Ｂ）に光を照射する光照射工程と、
光が照射された状態で前記光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に前記電圧値における電流値を測定し、測定された電圧値および電流値に基づいて前記光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性を生成する電圧電流特性生成工程とを有し、
前記光電変換素子（Ａ）について、前記最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および前記開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を測定し、これらの応答時間（τVpm ）および応答時間（τVoc ）に基づいて、当該光電変換素子（Ａ）におけるバイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求め、
この特定の関係式および前記光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧から、当該バイアス電圧における前記光電変換素子（Ｂ）の前記所定の応答時間を演算して求めることを特徴とする。
本発明の電圧電流特性測定方法においては、前記特定の関係式は、下記式（１）で表されるものであることが好ましい。
（但し、Ｓａ（ｘ）は応答時間［μｓ］、ｘはバイアス電圧［Ｖ］、ｅはネイピア数、Ｖy は、生成される電圧値が開放電圧（Ｖoc）となるバイアス電圧の値［Ｖ］、τVoc は、開放電圧（Ｖoc）における応答時間［μｓ］、ａ1 およびａ2 は、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に基づいて定められる係数である。）
本発明の電圧電流特性測定装置は、互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定する電圧電流特性測定装置であって、
前記光電変換素子（Ｂ）にバイアス電圧を印加するバイアス用電源と、
前記光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定する電圧計と、
前記光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値における電流値を測定する電流計と、
前記光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に前記電圧値における電流値を測定するよう制御する制御機構と
を備えてなり、
前記制御機構は、前記光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に基づいて求められた、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式を記憶する記憶部と、前記特定の関係式および前記光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧から、当該バイアス電圧における前記光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間を演算する演算部とを有することを特徴とする。
前記光電変換素子（Ｂ）にバイアス電圧を印加するバイアス用電源と、
前記光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定する電圧計と、
前記光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値における電流値を測定する電流計と、
前記光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に前記電圧値における電流値を測定するよう制御する制御機構と
を備えてなり、
前記制御機構は、前記光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に基づいて求められた、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式を記憶する記憶部と、前記特定の関係式および前記光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧から、当該バイアス電圧における前記光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間を演算する演算部とを有することを特徴とする。
本発明のソーラーシミュレータは、互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定するためのソーラーシミュレータであって、
上記の電圧電流特性測定装置と、前記光電変換素子（Ｂ）に光を照射する光源とを備えてなり、
前記電圧電流特性測定装置における制御機構は、前記光源を所定の放射照度となるよう制御した後に、バイアス電圧を変化させるようバイアス用電源を制御するものであることを特徴とする。
上記の電圧電流特性測定装置と、前記光電変換素子（Ｂ）に光を照射する光源とを備えてなり、
前記電圧電流特性測定装置における制御機構は、前記光源を所定の放射照度となるよう制御した後に、バイアス電圧を変化させるようバイアス用電源を制御するものであることを特徴とする。
本発明においては、測定対象である光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧と特定の関係式とから、当該バイアス電圧における当該光電変換素子（Ｂ）の応答時間が求められる。そのため、この応答時間に応じてサンプリング遅延時間を設定することができる。その結果、光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させてから当該光電変換素子（Ｂ）に流れる電流値を測定するまでに要する時間を短縮することができる。
また、特定の関係式は、光電変換素子（Ａ）について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を求め、これらの応答時間に基づいて求められる。そのため、光電変換素子（Ａ）について、測定対象である光電変換素子（Ｂ）に実際に印加されるバイアス電圧毎に、当該バイアス電圧における応答時間を測定することが不要となる。また、光電変換素子（Ａ）は、測定対象である光電変換素子（Ｂ）と同等の電圧電流特性を有すると想定されるものである。そのため、光電変換素子（Ｂ）の電流電圧特性の測定に際し、光電変換素子（Ａ）に係る特定の関係式を利用することにより、測定対象である個々の光電変換素子（Ｂ）について予備測定を行うことが不要となる。
従って、本発明によれば、光電変換素子の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる。
また、特定の関係式は、光電変換素子（Ａ）について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を求め、これらの応答時間に基づいて求められる。そのため、光電変換素子（Ａ）について、測定対象である光電変換素子（Ｂ）に実際に印加されるバイアス電圧毎に、当該バイアス電圧における応答時間を測定することが不要となる。また、光電変換素子（Ａ）は、測定対象である光電変換素子（Ｂ）と同等の電圧電流特性を有すると想定されるものである。そのため、光電変換素子（Ｂ）の電流電圧特性の測定に際し、光電変換素子（Ａ）に係る特定の関係式を利用することにより、測定対象である個々の光電変換素子（Ｂ）について予備測定を行うことが不要となる。
従って、本発明によれば、光電変換素子の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる。
以下、本発明の実施の形態について、光電変換素子として太陽電池セルを用いた場合を例に挙げて詳細に説明する。
〈電圧電流特性測定方法〉
本発明の電圧電流特性測定方法は、互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、一方の光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、他方の光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定する方法である。
本発明において、光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）としては、結晶型またはアモルファス型等のシリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、色素増感型等の有機材料系太陽電池などのセル若しくはモジュールを用いることができるが、印加されるバイアス電圧を変化させたときの応答時間が長い光電変換素子を本発明に適用したときには、大きい効果が発揮される。このような光電変換素子としては、ｎ型太陽電池、ハイブリッド型太陽電池、バックコンタクト型太陽電池、ＣＩＳ系太陽電池、有機材料系太陽電池などが挙げられる。
また、本発明において、光電変換素子（Ａ）としては、光電変換素子（Ｂ）と同等の電圧電流特性を有すると想定され、かつ、予め最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られているものであれば特に限定されない。
また、本発明において、光電変換素子（Ｂ）は、測定対象光電変換素子である。
本発明の電圧電流特性測定方法は、互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、一方の光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、他方の光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定する方法である。
本発明において、光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）としては、結晶型またはアモルファス型等のシリコン系太陽電池、化合物系太陽電池、色素増感型等の有機材料系太陽電池などのセル若しくはモジュールを用いることができるが、印加されるバイアス電圧を変化させたときの応答時間が長い光電変換素子を本発明に適用したときには、大きい効果が発揮される。このような光電変換素子としては、ｎ型太陽電池、ハイブリッド型太陽電池、バックコンタクト型太陽電池、ＣＩＳ系太陽電池、有機材料系太陽電池などが挙げられる。
また、本発明において、光電変換素子（Ａ）としては、光電変換素子（Ｂ）と同等の電圧電流特性を有すると想定され、かつ、予め最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られているものであれば特に限定されない。
また、本発明において、光電変換素子（Ｂ）は、測定対象光電変換素子である。
そして、本発明の電圧電流特性測定方法においては、光電変換素子（Ｂ）に対して、下記の光照射工程および電圧電流特性生成工程が実行される。
［光照射工程］
光照射工程においては、光電変換素子（Ｂ）に所定の放射照度の光を照射する。
光電変換素子（Ｂ）に光を照射するための光源としては、いわゆる疑似太陽光源が用いられ、具体的には、ショートアーク型キセノン放電ランプ、ロングアーク型キセノン放電ランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ、プラズマランプなどが用いられる。
また、光電変換素子（Ｂ）に照射される光の放射照度は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｃ ８９３４）等に準拠して設定される。
光照射工程においては、光電変換素子（Ｂ）に所定の放射照度の光を照射する。
光電変換素子（Ｂ）に光を照射するための光源としては、いわゆる疑似太陽光源が用いられ、具体的には、ショートアーク型キセノン放電ランプ、ロングアーク型キセノン放電ランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ、プラズマランプなどが用いられる。
また、光電変換素子（Ｂ）に照射される光の放射照度は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｃ ８９３４）等に準拠して設定される。
［電圧電流特性生成工程］
電圧電流特性生成工程においては、光が照射された状態で光電変換素子（Ｂ）にバイアス電圧を印加し、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に当該電圧値における電流値を測定する。その後、光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧をステップ状に変化させて、光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値および当該電圧値における電流値を測定する操作（以下、「電圧電流測定操作」ともいう。）を繰り返すことにより、多数の電圧−電流データを取得する。そして、取得された多数の電圧−電流データに基づいて、光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性、具体的には電圧−電流曲線が得られ、この電圧電流曲線から、光電変換素子（Ｂ）の最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が求められる。
電圧電流特性生成工程においては、光が照射された状態で光電変換素子（Ｂ）にバイアス電圧を印加し、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に当該電圧値における電流値を測定する。その後、光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧をステップ状に変化させて、光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値および当該電圧値における電流値を測定する操作（以下、「電圧電流測定操作」ともいう。）を繰り返すことにより、多数の電圧−電流データを取得する。そして、取得された多数の電圧−電流データに基づいて、光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性、具体的には電圧−電流曲線が得られ、この電圧電流曲線から、光電変換素子（Ｂ）の最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が求められる。
電圧電流特性生成工程において、光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧は、当該光電変換素子（Ｂ）の種類に応じて適宜選択される。例えば光電変換素子（Ｂ）として太陽電池セルを用いる場合には、生成される電圧が補正した後でも−０．１〜０．７Ｖとなるような範囲から選択される。
また、光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧は、上昇するよう変化させても、下降するよう変化させてもよい。
また、バイアス電圧をステップ状に変化させるときのステップ電圧値（ΔＶ）は、光電変換素子（Ｂ）の種類などに応じて適宜設定される。
また、電圧電流測定操作の回数（取得される電圧−電流データの数）は、例えば３０〜２０００回（個）である。
また、光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧は、上昇するよう変化させても、下降するよう変化させてもよい。
また、バイアス電圧をステップ状に変化させるときのステップ電圧値（ΔＶ）は、光電変換素子（Ｂ）の種類などに応じて適宜設定される。
また、電圧電流測定操作の回数（取得される電圧−電流データの数）は、例えば３０〜２０００回（個）である。
そして、本発明の電圧電流特性測定方法において、光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間は、以下のようにして求められる。
先ず、光電変換素子（Ａ）について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を測定する。
ここで、「応答時間」とは、光電変換素子にバイアス電圧を印加してから当該光電変換素子に流れる電流が安定するまでの時間を意味する。
また、「最大出力電圧における応答時間」とは、光電変換素子に対して、生成される電圧が最大出力電圧（Ｖpm）となるバイアス電圧（Ｖx ）を印加したときの応答時間を意味する。
また、「開放電圧における応答時間」とは、光電変換素子に対して、生成される電圧が開放電圧（Ｖoc）となるバイアス電圧（Ｖy ）を印加したときの応答時間を意味する。
先ず、光電変換素子（Ａ）について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を測定する。
ここで、「応答時間」とは、光電変換素子にバイアス電圧を印加してから当該光電変換素子に流れる電流が安定するまでの時間を意味する。
また、「最大出力電圧における応答時間」とは、光電変換素子に対して、生成される電圧が最大出力電圧（Ｖpm）となるバイアス電圧（Ｖx ）を印加したときの応答時間を意味する。
また、「開放電圧における応答時間」とは、光電変換素子に対して、生成される電圧が開放電圧（Ｖoc）となるバイアス電圧（Ｖy ）を印加したときの応答時間を意味する。
応答時間（τVpm ）および応答時間（τVoc ）の測定は、例えば以下のようにして行われる。
先ず、光電変換素子（Ａ）に対して、生成される電圧値が最大出力電圧（または開放電圧）と異なる電圧値となるバイアス電圧を所定の時間印加する。その後、光電変換素子（Ａ）に印加するバイアス電圧を変化（上昇若しくは降下））させて、生成される電圧値が最大出力電圧（または開放電圧）となるバイアス電圧とする。そして、光電変換素子（Ａ）に印加するバイアス電圧を変化させてから当該光電変換素子（Ａ）に流れる電流が安定するまでの時間を測定する。
先ず、光電変換素子（Ａ）に対して、生成される電圧値が最大出力電圧（または開放電圧）と異なる電圧値となるバイアス電圧を所定の時間印加する。その後、光電変換素子（Ａ）に印加するバイアス電圧を変化（上昇若しくは降下））させて、生成される電圧値が最大出力電圧（または開放電圧）となるバイアス電圧とする。そして、光電変換素子（Ａ）に印加するバイアス電圧を変化させてから当該光電変換素子（Ａ）に流れる電流が安定するまでの時間を測定する。
次いで、生成される電圧値が最大出力電圧（Ｖpm）となるバイアス電圧（Ｖx ）、生成される電圧値が開放電圧（Ｖoc）となるバアイス電圧（Ｖy ）、応答時間（τVpm ）および応答時間（τVoc ）に基づいて、光電変換素子（Ａ）におけるバイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求める。
この特定の関係式は、例えば図１に示すように、横軸をバイアス電圧（Ｖ）とし、縦軸を応答時間（μｓ）とする座標系において、座標（０，０）、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）に係る座標Ｐ１（Ｖx ，τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に係る座標Ｐ２（Ｖy ，τVoc ）或いはそれらの近傍を通る近似曲線Ｃを求めることによって、得られる。
この近似曲線Ｃを求めるにあたっては、シグモイド関数を変形したものを利用することが好ましい。具体的には、特定の関係式は、下記式（１）で表されるものであることが好ましい。
この特定の関係式は、例えば図１に示すように、横軸をバイアス電圧（Ｖ）とし、縦軸を応答時間（μｓ）とする座標系において、座標（０，０）、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）に係る座標Ｐ１（Ｖx ，τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に係る座標Ｐ２（Ｖy ，τVoc ）或いはそれらの近傍を通る近似曲線Ｃを求めることによって、得られる。
この近似曲線Ｃを求めるにあたっては、シグモイド関数を変形したものを利用することが好ましい。具体的には、特定の関係式は、下記式（１）で表されるものであることが好ましい。
（但し、Ｓａ（ｘ）は応答時間［μｓ］、ｘはバイアス電圧［Ｖ］、ｅはネイピア数、Ｖy は、生成される電圧値が開放電圧（Ｖoc）となるバイアス電圧の値［Ｖ］、τVoc は、開放電圧（Ｖoc）における応答時間［μｓ］、ａ1 およびａ2 は、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に基づいて定められる係数である。）
上記式（１）において、係数ａ1 は、１．２〜２の範囲で設定されることが好ましく、係数ａ2 は、１０〜２０の範囲で設定されることが好ましい。
また、係数ａ1 および係数ａ2 の値は、開放電圧（Ｖoc）に対する最大出力電圧（Ｖpm）の比（Ｖpm／Ｖoc）、および応答時間（τVoc ）に対する応答時間（τVpm ）の比（τVpm ／τVoc ) と相関関係があるため，予め比（Ｖpm／Ｖoc）および比（τVpm ／τVoc ) と係数ａ1 および係数ａ2 と対応表を作成しておくことにより、係数ａ1 および係数ａ2 を容易に求めることができる。
また、係数ａ1 および係数ａ2 の値は、開放電圧（Ｖoc）に対する最大出力電圧（Ｖpm）の比（Ｖpm／Ｖoc）、および応答時間（τVoc ）に対する応答時間（τVpm ）の比（τVpm ／τVoc ) と相関関係があるため，予め比（Ｖpm／Ｖoc）および比（τVpm ／τVoc ) と係数ａ1 および係数ａ2 と対応表を作成しておくことにより、係数ａ1 および係数ａ2 を容易に求めることができる。
このようにして求められた特定の関係式である式（１）において、ｘに光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧を代入することにより、当該バイアス電圧を印加したときの光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間Ｓａ（ｘ）が求められる。
そして、電圧電流特性生成工程におけるサンプリング遅延時間、すなわち光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させてから当該光電変換素子に流れる電流値を測定するまでの待機時間は、所定の応答時間Ｓａ（ｘ）以上であればよい。
以上のように、本発明の電圧電流特性測定方法においては、測定対象である光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧と特定の関係式とから、当該バイアス電圧における当該光電変換素子（Ｂ）の応答時間が求められる。そのため、この応答時間に応じてサンプリング遅延時間を設定することができる。その結果、光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させてから当該光電変換素子（Ｂ）に流れる電流値を測定するまでに要する時間を短縮することができる。
また、特定の関係式は、光電変換素子（Ａ）について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を求め、これらの応答時間に基づいて求められる。そのため、光電変換素子（Ａ）について、測定対象である光電変換素子（Ｂ）に実際に印加されるバイアス電圧毎に、当該バイアス電圧における応答時間を測定することが不要となる。また、光電変換素子（Ａ）は、測定対象である光電変換素子（Ｂ）と同等の電圧電流特性を有すると想定されるものである。そのため、光電変換素子（Ｂ）の電流電圧特性の測定に際し、光電変換素子（Ａ）に係る特定の関係式を利用することにより、測定対象である個々の光電変換素子（Ｂ）について予備測定を行うことが不要となる。
従って、本発明の電圧電流特性測定方法によれば、光電変換素子の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる。
また、特定の関係式は、光電変換素子（Ａ）について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を求め、これらの応答時間に基づいて求められる。そのため、光電変換素子（Ａ）について、測定対象である光電変換素子（Ｂ）に実際に印加されるバイアス電圧毎に、当該バイアス電圧における応答時間を測定することが不要となる。また、光電変換素子（Ａ）は、測定対象である光電変換素子（Ｂ）と同等の電圧電流特性を有すると想定されるものである。そのため、光電変換素子（Ｂ）の電流電圧特性の測定に際し、光電変換素子（Ａ）に係る特定の関係式を利用することにより、測定対象である個々の光電変換素子（Ｂ）について予備測定を行うことが不要となる。
従って、本発明の電圧電流特性測定方法によれば、光電変換素子の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる。
〈電圧電流特性測定装置およびソーラーシミュレータ〉
図２は、本発明の電圧電流特性測定方法を実行するためのソーラーシミュレータの構成の概略を示す説明図である。このソーラーシミュレータは、光電変換素子（Ｂ）である測定対象光電変換素子１の電圧電流特性を測定する電圧電流特性測定装置１０と、測定対象光電変換素子１に光を照射する光源５０とを備えてなる。
図２は、本発明の電圧電流特性測定方法を実行するためのソーラーシミュレータの構成の概略を示す説明図である。このソーラーシミュレータは、光電変換素子（Ｂ）である測定対象光電変換素子１の電圧電流特性を測定する電圧電流特性測定装置１０と、測定対象光電変換素子１に光を照射する光源５０とを備えてなる。
電圧電流特性測定装置１０は、測定対象光電変換素子１にバイアス電圧を印加するバイアス用電源１１と、測定対象光電変換素子１で生成される電圧値を測定する電圧計１５と、測定対象光電変換素子１に流れる電流値を測定する電流計１６と、バイアス用電源１１および光源５０を制御する制御機構２０とを有する。
制御機構２０は、光源５０を所定の放射照度となるよう制御した後に、バイアス電圧を変化させるようバイアス用電源１１を制御するものである。この制御機構２０は、制御部２１と、電圧計１５からの電圧信号および電流計１６からの電流信号が入力される入力部２２と、制御部２１からの制御信号をバイアス用電源１１および光源５０に出力する出力部２３と、処理結果が記憶される記憶部２４と、演算部２５とを有する。
制御機構２０は、光源５０を所定の放射照度となるよう制御した後に、バイアス電圧を変化させるようバイアス用電源１１を制御するものである。この制御機構２０は、制御部２１と、電圧計１５からの電圧信号および電流計１６からの電流信号が入力される入力部２２と、制御部２１からの制御信号をバイアス用電源１１および光源５０に出力する出力部２３と、処理結果が記憶される記憶部２４と、演算部２５とを有する。
制御機構２０における記憶部２４には、光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に基づいて求められた、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式が予め記憶され、演算部２５においては、特定の関係式および測定対象光電変換素子１に印加されるバイアス電圧から、当該バイアス電圧を測定対象光電変換素子１に印加したときの所定の応答時間が演算される。
具体的な一例を挙げて説明すると、先ず、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）、測定終了バイアス電圧（Ｖend ）、測定点数（ｎ）およびサンプリング時間（Ｔｓ）が設定される。また、生成される電圧値が最大出力電圧（Ｖpm）となるバイアス電圧（Ｖx ）、生成される電圧値が開放電圧（Ｖoc）となるバイアス電圧（Ｖy ）、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）が設定される。次いで、バイアス電圧（Ｖx ）、バイアス電圧（Ｖy ）、応答時間（τVpm ）および応答時間（τVoc ）から、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求める。得られた特定の関係式は、記憶部２３に記憶される。この特定の関係式から、各バイアス電圧（Ｖi ）を測定対象光電変換素子１に印加したときの応答時間（τi ）が演算される。ここで、各バイアス電圧（Ｖi ）は、Ｖstart ＋（Ｖstart −Ｖend ）／（ｎ−１）×（ｉ−１）によって求められる。
上記式では電圧を等間隔に分割した例を示すが、本発明の電圧電流特性測定方法においては、電圧を等間隔に分割することに限定されず、任意のパターンで分割することができる。 そして、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）、測定終了バイアス電圧（Ｖend ）、測定点数（ｎ）、サンプリング時間（Ｔｓ）および応答時間（τi ）に基づいて、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）から測定終了バイアス電圧（Ｖend ）までの電圧掃引パターンが作成される。
具体的な一例を挙げて説明すると、先ず、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）、測定終了バイアス電圧（Ｖend ）、測定点数（ｎ）およびサンプリング時間（Ｔｓ）が設定される。また、生成される電圧値が最大出力電圧（Ｖpm）となるバイアス電圧（Ｖx ）、生成される電圧値が開放電圧（Ｖoc）となるバイアス電圧（Ｖy ）、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）が設定される。次いで、バイアス電圧（Ｖx ）、バイアス電圧（Ｖy ）、応答時間（τVpm ）および応答時間（τVoc ）から、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求める。得られた特定の関係式は、記憶部２３に記憶される。この特定の関係式から、各バイアス電圧（Ｖi ）を測定対象光電変換素子１に印加したときの応答時間（τi ）が演算される。ここで、各バイアス電圧（Ｖi ）は、Ｖstart ＋（Ｖstart −Ｖend ）／（ｎ−１）×（ｉ−１）によって求められる。
上記式では電圧を等間隔に分割した例を示すが、本発明の電圧電流特性測定方法においては、電圧を等間隔に分割することに限定されず、任意のパターンで分割することができる。 そして、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）、測定終了バイアス電圧（Ｖend ）、測定点数（ｎ）、サンプリング時間（Ｔｓ）および応答時間（τi ）に基づいて、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）から測定終了バイアス電圧（Ｖend ）までの電圧掃引パターンが作成される。
上記のソーラーシミュレーターにおいては、制御機構２０からの指令により、光源５０から測定対象光電変換素子１に、所定の放射照度となるよう光が照射される。そして、この状態で、電圧電流特性測定装置１０は、制御機構２０によって、予め作成された電圧掃引パターンに従って測定対象光電変換素子１に印加するバイアス電圧を変化させて、測定対象光電変換素子１で生成される電圧値を測定すると共に、当該測定対象光電変換素子１の所定の応答時間以上待機した後に当該電圧値における電流値を測定するよう制御される。
具体的に説明すると、先ず、バイアス電源１１によって、測定対象光電変換素子１に測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）が印加される。そして、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）を印加したときの所定の応答時間（τ1 ）が経過するまで待機する。その後、電圧計１５によって測定対象光電変換素子１で生成される電圧値が測定されると共に、および電流計１６によって当該電圧値における電流値が測定される。測定された電圧値および電流値は、記憶部２３に記憶される。このような電圧電流測定操作を、印加するバイアス電圧をステップ状に変化させて、印加すべき全てのバイアス電圧の各々について行うことにより、所要の電圧電流測定が達成される。そして、測定された電圧電流データは、演算部２３において電圧掃引パターンと比較され、応答時間経過後の測定値を対象とした電圧電流特性データに編集される。
具体的に説明すると、先ず、バイアス電源１１によって、測定対象光電変換素子１に測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）が印加される。そして、測定開始バイアス電圧（Ｖstart ）を印加したときの所定の応答時間（τ1 ）が経過するまで待機する。その後、電圧計１５によって測定対象光電変換素子１で生成される電圧値が測定されると共に、および電流計１６によって当該電圧値における電流値が測定される。測定された電圧値および電流値は、記憶部２３に記憶される。このような電圧電流測定操作を、印加するバイアス電圧をステップ状に変化させて、印加すべき全てのバイアス電圧の各々について行うことにより、所要の電圧電流測定が達成される。そして、測定された電圧電流データは、演算部２３において電圧掃引パターンと比較され、応答時間経過後の測定値を対象とした電圧電流特性データに編集される。
上記のソーラーシミュレータにおいては、測定対象光電変換素子１に印加されるバイアス電圧と、制御機構２０における記憶部２３に記憶された特定の関係式とから、当該バイアス電圧における測定対象光電変換素子１の応答時間が求められる。そのため、この応答時間に応じてサンプリング遅延時間を設定することができる。その結果、測定対象光電変換素子１に印加するバイアス電圧を変化させてから当該測定対象光電変換素子１に流れる電流値を測定するまでに要する時間を短縮することができる。
また、特定の関係式は、対象光電変換素子と同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を求め、これらの応答時間に基づいて求められる。そのため、個々の測定対象光電変換素子１について予備測定を行うことが不要となる。 従って、本発明のソーラーシミュレータによれば、測定対象光電変換素子１の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる。
また、特定の関係式は、対象光電変換素子と同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子について、最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を求め、これらの応答時間に基づいて求められる。そのため、個々の測定対象光電変換素子１について予備測定を行うことが不要となる。 従って、本発明のソーラーシミュレータによれば、測定対象光電変換素子１の電圧電流特性を高い時間的効率で測定することができる。
〈実験例〉
予め電圧電流特性、最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が測定されたｎ型結晶シリコン系の太陽電池（以下、これを「太陽電池（Ａ１）」という。）を用意した。この太陽電池（Ａ１）の最大出力電圧（Ｖpm）は、０．４８Ｖ、開放電圧（Ｖoc）は０．６３である。
次いで、太陽電池（Ａ１）に対して、下記の条件で、光が照射された状態で当該太陽電池（Ａ１）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該太陽電池（Ａ１）についての最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を測定した。その結果、応答時間（τVpm ）が５００μｓ、応答時間（τVoc ）が５９０μｓであった。
［光照射条件］
光源としてショートアーク型キセノン放電ランプを用い、太陽電池（Ａ１）の受光面に対して、放射照度が１０００Ｗ／ｍ2 となる条件で光を照射した。
［バイアス電圧印加条件］
ＪＩＳ Ｃ８９１３ ４ （７）に準拠した。
予め電圧電流特性、最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が測定されたｎ型結晶シリコン系の太陽電池（以下、これを「太陽電池（Ａ１）」という。）を用意した。この太陽電池（Ａ１）の最大出力電圧（Ｖpm）は、０．４８Ｖ、開放電圧（Ｖoc）は０．６３である。
次いで、太陽電池（Ａ１）に対して、下記の条件で、光が照射された状態で当該太陽電池（Ａ１）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該太陽電池（Ａ１）についての最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を測定した。その結果、応答時間（τVpm ）が５００μｓ、応答時間（τVoc ）が５９０μｓであった。
［光照射条件］
光源としてショートアーク型キセノン放電ランプを用い、太陽電池（Ａ１）の受光面に対して、放射照度が１０００Ｗ／ｍ2 となる条件で光を照射した。
［バイアス電圧印加条件］
ＪＩＳ Ｃ８９１３ ４ （７）に準拠した。
そして、測定された最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に基づいて、以下のようにして、太陽電池（Ａ１）におけるバイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求めた。その結果、得られた特定の関係式は、上記式（１）で表される関係式であって、係数ａ1 が１．４８、係数ａ2 が１３．５のものであった。得られた特定の関係式のグラフを図３に示す。図３に示すグラフにおいて、横軸は太陽電池（Ａ１）に印加するバイアス電圧（Ｖ）、縦軸は応答時間（μｍ）であり、Ｐ１は最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）に係る座標、Ｐ２は開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に係る座標を示す。
また、太陽電池（Ａ１）に対して、光が照射された状態で太陽電池（Ａ１）に印加するバイアス電圧を、０〜０．６３Ｖの範囲でステップ状に変化させて、各バイアス電圧における応答時間を測定した。結果を下記表１に示す。
表１の結果から明らかなように、特定の関係式により求めた応答時間（演算値）は、実際に測定した応答時間（測定値）に近似する値であることが理解される。
１ 測定対象光電変換素子
１０ 電圧電流特性測定装置
１１ バイアス用電源
１５ 電圧計
１６ 電流計
２０ 制御機構
２１ 制御部
２２ 入力部
２３ 出力部
２４ 記憶部
２５ 演算部
５０ 光源
１０ 電圧電流特性測定装置
１１ バイアス用電源
１５ 電圧計
１６ 電流計
２０ 制御機構
２１ 制御部
２２ 入力部
２３ 出力部
２４ 記憶部
２５ 演算部
５０ 光源
Claims (4)
- 互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定する電圧電流特性測定方法であって、
前記光電変換素子（Ｂ）に光を照射する光照射工程と、
光が照射された状態で前記光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に前記電圧値における電流値を測定し、測定された電圧値および電流値に基づいて前記光電変換素子（Ｂ）の電圧電流特性を生成する電圧電流特性生成工程とを有し、
前記光電変換素子（Ａ）について、前記最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および前記開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）を測定し、これらの応答時間（τVpm ）および応答時間（τVoc ）に基づいて、当該光電変換素子（Ａ）におけるバイアス電圧と応答時間との特定の関係式を求め、
この特定の関係式および前記光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧から、当該バイアス電圧における前記光電変換素子（Ｂ）の前記所定の応答時間を演算して求めることを特徴とする電圧電流特性測定方法。 - 前記特定の関係式は、下記式（１）で表されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電圧電流特性測定方法。
- 互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定する電圧電流特性測定装置であって、
前記光電変換素子（Ｂ）にバイアス電圧を印加するバイアス用電源と、
前記光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定する電圧計と、
前記光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値における電流値を測定する電流計と、
前記光電変換素子（Ｂ）に印加するバイアス電圧を変化させて、当該光電変換素子（Ｂ）で生成される電圧値を測定すると共に、当該光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間以上待機した後に前記電圧値における電流値を測定するよう制御する制御機構と
を備えてなり、
前記制御機構は、前記光電変換素子（Ａ）の最大出力電圧（Ｖpm）における応答時間（τVpm ）および開放電圧（Ｖoc）における応答時間（τVoc ）に基づいて求められた、バイアス電圧と応答時間との特定の関係式を記憶する記憶部と、前記特定の関係式および前記光電変換素子（Ｂ）に印加されるバイアス電圧から、当該バイアス電圧における前記光電変換素子（Ｂ）の所定の応答時間を演算する演算部とを有することを特徴とする電圧電流特性測定装置。 - 互いに同等の電圧電流特性を有すると想定される光電変換素子（Ａ）および光電変換素子（Ｂ）のうち、光電変換素子（Ａ）について最大出力電圧（Ｖpm）および開放電圧（Ｖoc）が知られている場合に、光電変換素子（Ｂ）について電圧電流特性を測定するソーラーシミュレータであって、
請求項３に記載の電圧電流特性測定装置と、前記光電変換素子（Ｂ）に光を照射する光源とを備えてなり、
前記電圧電流特性測定装置における制御機構は、前記光源を所定の放射照度となるよう制御した後に、バイアス電圧を変化させるようバイアス用電源を制御するものであることを特徴とするソーラーシミュレータ。
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|---|---|---|---|---|
| JP2005317811A (ja) * | 2004-04-28 | 2005-11-10 | Sharp Corp | 測定装置および測定方法 |
| JP2006147755A (ja) * | 2004-11-18 | 2006-06-08 | Kaneka Corp | 多接合型光電変換素子の特性測定方法 |
| JP2007088419A (ja) * | 2005-06-17 | 2007-04-05 | Nisshinbo Ind Inc | ソーラシミュレータによる測定方法 |
-
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