JP2014523728A - 太陽電池セル検査装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

太陽電池セル検査装置（２００）は、光エネルギーを検査対象の太陽電池セル（２０４）に向ける発光体（２０２）を含む。前記太陽電池セル検査装置は更に、多数のフィルタのうちの異なるフィルタを、前記発光体と前記検査対象の太陽電池セルとの間の光路に選択的に位置決めすることにより、前記太陽電池セルの性能を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行なう素子（２１４）を含むことができる。前記多数のフィルタは、第１集合のフィルタ（２１６ａ）と、そして第２集合のフィルタ（２１６ｂ）と、を含む。前記第１集合のフィルタの各フィルタは、前記発光体から前記検査対象の太陽電池セルに向かう光エネルギーの強度の所定の割合を透過するように適合させる。前記第２集合のフィルタは、前記太陽電池セルを、異なるスペクトルの光の下で検査するように適合させる。

Description

本開示は、光エネルギーを電力に変換する太陽電池セルに関するものであり、特に太陽電池セル検査装置及び検査方法に関するものである。
現在、代替エネルギー発電方式または代替再生可能エネルギー源を開発する多くの取り組みが実行されている。再生可能エネルギーまたは電力発生源の１つの方式では、光起電力技術を用いるか、または太陽光のような光源を利用して電力を生成する。太陽電池セルは、光エネルギーまたは光子を電力に変換する光起電力素子である。個々の太陽電池セル及び集光型太陽電池モジュールの大量生産は、これらの太陽電池セルまたは集光型太陽電池モジュールの欠陥を検出し、そしてこれらの太陽電池セルの性能を測定する光学検査を必要とする。光学検査では通常、光をこれらの太陽電池セルに、高強度光源を用いて照射する必要がある。しかしながら、既存の検査は通常、種々の個別検査台で、かつ低電力レベルで行なわれる。更に、現在の検査装置及び検査手順は、不十分であり、そして現在の検査装置及び検査手順では、太陽電池セル群または集光型太陽電池モジュール群の１００％を検査することは不可能である。
従って、太陽電池セル群を検査する更に効率の良い、かつ確実な装置及び方法が必要になる。
１つの実施形態によれば、太陽電池セル検査装置は、光エネルギーを検査対象の太陽電池セルに向ける発光体を含むことができる。太陽電池セル検査装置は更に、多数のフィルタのうちの異なるフィルタを、前記発光体と前記検査対象の太陽電池セルとの間の光路に選択的に位置決めすることにより、前記太陽電池セルの性能を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行なう素子を含むことができる。多数のフィルタは、第１集合のフィルタと、そして第２集合のフィルタと、を含むことができる。前記第１集合のフィルタの各フィルタは、前記発光体から前記検査対象の太陽電池セルに向かう光エネルギーの強度の所定の割合を透過するように適合させる。前記第２集合のフィルタの各フィルタは、前記太陽電池セルを、異なるスペクトルの光の下で検査するように適合させる。
別の実施形態によれば、太陽電池セル検査装置は、発光体と、そして多数のフィルタのうちの異なるフィルタを、前記発光体と検査対象の太陽電池セルとの間の光路に選択的に位置決めする素子と、を含むことができる。前記太陽電池セル検査装置は更に、ビームスプリッタを含むことができる。前記ビームスプリッタは、前記多数のフィルタの中から選択されるフィルタからの光の所定の構成部分を前記太陽電池セルに向けて、前記太陽電池セルの性能を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行なうことができる。前記ビームスプリッタは更に、光エネルギーの別の所定の構成部分を、前記多数のフィルタの中から選択され、かつ前記発光体と前記太陽電池セルとの間の前記光路に位置決めされるフィルタからの光の特性を測定する装置に向けることができる。
別の実施形態によれば、太陽電池セルを検査する方法は、前記太陽電池セルに向けられる光を、多数のフィルタの各フィルタによってフィルタリングして、前記太陽電池セルの性能を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行なうことを含むことができる。前記方法は更に、光を分解して、フィルタリングした光の所定の構成部分を前記太陽電池セルに向け、そして光の別の構成部分を、前記多数のフィルタの各フィルタからの光の特性を測定する装置に向けることを含むことができる。
請求項によってのみ規定される本開示の他の態様及び特徴は、この技術分野の当業者には、本開示についての以下の非限定的な詳細な説明を、添付の図を参照して精読することにより明らかになる。
実施形態についての以下の詳細な説明では、本開示の特定の実施形態を示す添付の図面を参照する。異なる構造及び動作を有する他の実施形態は、本開示の範囲から逸脱しない。
図１は、光エネルギーを電気エネルギーまたは電力に変換する先行技術による多接合型太陽電池セルまたは光起電力セルの一例である。 図２は、本開示の１つの実施形態による太陽電池セル検査装置の一例の模式図である。 図３は、本開示の１つの実施形態による太陽電池セル検査装置のマルチフィルタ機構の一例である。 図４Ａは、本開示の１つの実施形態による太陽電池セルを検査する方法の一例のフローチャートである。 図４Ｂは、本開示の１つの実施形態による太陽電池セルを検査する方法の一例のフローチャートである。 図５は、本開示の１つの実施形態による太陽電池セルに関する電流と電圧の関係（Ｉ−Ｖ）を表わす曲線の一例である。 図６は、本開示の１つの実施形態による太陽電池セルを検査するマルチフィルタ機構の異なる位置のテーブルの一例である。
実施形態についての以下の詳細な説明では、本開示の特定の実施形態を例示する添付の図面を参照する。異なる構造及び動作を有する他の実施形態は、本開示の範囲から逸脱しない。同様の参照番号は、異なる図面の同じ構成要素または構成部品を指す。
本明細書において使用されるように、太陽電池セルは、単接合型太陽電池セルまたは多接合型太陽電池セルとすることができる。太陽電池セルについての簡単な説明は、本発明に対する理解を容易にするために行なわれる。太陽電池セルは半導体素子であり、これらの半導体素子は、光、特に太陽からの光のような電磁波に曝されると電力を生成するように設計される。太陽電池セルは、ｐ−ｎ接合を形成するｐ型半導体材料層及びｎ型半導体材料層を含むことができる。太陽電池セルは、複数のｐ−ｎ接合を形成する複数のｐ型半導体材料層及びｎ型半導体材料層を含む多接合型太陽電池セルとすることもできる。多接合型太陽電池セル１００の一例を図１に示す。
光は半導体材料に、ｎ型層またはｎ型領域を通って入射し、そして電子正孔対（ＥＨＰ）を材料内に、光起電力効果により生成する。ｎ型領域が、薄くなるように設計することができるのに対し、ｎ型領域とｐ型領域との間に形成される空乏領域または空乏層領域は、ｎ型領域と比較して厚くすることができる。ＥＨＰが空乏領域内に生成される場合、形成される電界によって、電子及び正孔がドリフトして離れる方向に移動する。その結果、光電流と呼ばれる電流が素子内を流れるようになる。ＥＨＰがｎ型領域またはｐ型領域内に生成される場合、電子及び正孔はランダムな方向にドリフトすることができ、そして光電流の一部になるか、または光電流の一部にはならない。
単一の層状の太陽電池セルでは、入射光エネルギーの殆どを電力に変換することができる訳ではない。入射光子が半導体材料のエネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギーしか持たないか、または電子を材料の伝導帯から価電子帯に励起するために必要なエネルギーよりも小さいエネルギーしか持たない場合、電子を伝導帯から価電子帯に励起するためのエネルギーが十分ではないので、光子を吸収することができない。従って、バンドギャップよりも小さいエネルギーしか持たない光は、太陽電池セルで電気エネルギーに変換されない。入射光子が半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーを持つ場合、電子は、価電子帯に移動するために必要となる厳密なエネルギー量しか吸収することができないので、余分なエネルギーが熱に変換されることになる。
多接合型太陽電池セルは、太陽光スペクトルの利用率を、異なるバンドギャップを有する複数の半導体層を有することにより一層高めることができ、これらの半導体層は、光スペクトルの異なる部分、または異なる光子エネルギー準位に相当する光の異なる波長を吸収するように適合させることができる。多接合型太陽電池セルの各層は、光スペクトルの異なる部分、または光の異なる波長領域を吸収する異なる導電型の半導体材料または異なる不純物が添加された半導体材料により形成することができる。多接合型太陽電池セル１００の一例を図１に示す。多接合型太陽電池セルの１つの形態が、図１に示すような３層太陽電池セルまたは３接合型太陽電池セルである。上部半導体材料層１０２は、ｎ型半導体材料部分１０２ａ及びｐ型半導体材料部分１０２ｂを含むことができ、そして最大のバンドギャップを有するので、大きいエネルギーを持つ光子のみが殆どこの層で吸収され、そして電力に変換される。それよりも小さいエネルギーを持つ光子は、これらの光子が、ＥＨＰ群を上部材料層１０２内に生成するような十分大きいエネルギーを持たないので上部層１０２を通過し、そして上部層部分１０２よりも小さいバンドギャップを持つ中間半導体材料層１０４により吸収することができる。トンネル接合１０３は、上部層１０２と中間層１０４との間に配置される。中間層１０４は、ｎ型半導体材料部分１０４ａ及びｐ型半導体材料部分１０４ｂを含むことができる。同様に、下部層１０６は、中間層１０４よりも小さいバンドギャップを有することにより、ＥＨＰを上部層１０２または中間層１０４内に生成する十分なエネルギーを持たない光子を全て吸収する。別のトンネル接合１０５は、中間層１０４と下部層１０６との間に配置することができる。下部層１０６もまた、ｎ型半導体材料部分１０６ａ及びｐ型半導体材料部分１０６ｂを含むことができる。上部層１０２から下部層１０６に移行する各層１０２〜１０６は、前の層よりも小さいバンドギャップを有することにより、異なるエネルギーを持つ光子を吸収して電力に変換する。各層１０２〜１０６は、該当する層のバンドギャップよりも大きいエネルギーを有し、かつより高位の層のバンドギャップよりも小さいエネルギーを有する光子を吸収する。太陽電池セル群及び多接合型太陽電池セル群についての更に詳細な説明は、２００５年４月２１日に刊行された “Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｇｅｏｒｇｉａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”に掲載されたＳｔｅｖｅｎ Ｌａｎｓｅ Ｉ著による“Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ ＩＩＩ−Ｖ Ｍｕｌｔｉ−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ”と題する論文に記載されている。
図２は、本開示の１つの実施形態による太陽電池セル検査装置２００の一例の模式図である。太陽電池セル検査装置２００は、光エネルギーまたは光子を検査対象の太陽電池セル２０４に向ける発光体２０２を含むことができる。発光体２０２は、本明細書において記載される検査及び評価を実施することができるアークランプまたは他の光源のような高輝度光源とすることができる。太陽電池セル２０４は、可動固定部２０６に取り付けることができ、可動固定部２０６によって太陽電池セル２０４を、太陽電池セル検査装置２００の検査箇所または検査位置に容易に移動させることができ、そして取り外して別の太陽電池セルに取り替えて検査することができる。太陽電池セル検査は、自動プロセスの一部とすることができる。固定部２０６によって更に、電流電圧計２０８のような機器、または検査対象の太陽電池セル２０４の特性を測定する他の測定機器との接続が可能になる。固定部２０６によって更に、所定のアンペア数の電流を電流源または電圧源２５６から太陽電池セル２０４に流して、本明細書において更に詳細に説明するように、太陽電池セル２０４の電界発光検査を実施することができる。電界発光検査では、太陽電池セル２０４の欠陥を示唆する太陽電池セル２０４からの発光を全て検出することができる。
発光体２０２は、発光体２０２からの光を調整して太陽電池セル２０４に向けるホモジナイザー２１０に接続することができる。発光体２０２アセンブリの遮光体２１２及び／又は遮光板を用いて、発光体２０２またはホモジナイザー２１０から太陽電池セルに向かう光の伝送を制御することができる。
太陽電池セル検査装置２００は更に、多数のフィルタ２１６のうちの異なるフィルタを、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間の光路２１８に選択的に位置決めして、太陽電池セル２０４の性能を測定する操作、及び太陽電池セル２０４のいずれかの欠陥を、各フィルタ２１６から得られる分光特性の光の下で検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を実行する素子２１４を含むことができる。多数のフィルタ２１６のうちの異なるフィルタを選択的に位置決めする素子２１４は、多数のフィルタ２１６の各フィルタを、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間に位置決めする機構２２０を含むことができる。太陽電池セル２０４の性能特性は測定することができ、そして検査は、本明細書において記載されるように、異なる照明環境または分光特性、及び太陽電池セルに入射し、かつ異なるフィルタ２１６の各フィルタを透過した光の強度またはエネルギーの各々の下で実施される。素子２１４は、回転フィルタホイール２２２を含むことができ、このフィルタホイール２２２には、多数のフィルタ２１６が取り付けられる。回転ホイール２２２に用いることができる多数の異なるフィルタが取り付けられる構成のマルチフィルタ機構または回転フィルタホイールの一例を、図３を参照して説明する。異なるフィルタを移動させて、本明細書において記載される異なる測定及び検査を実施する位置に配置することができる任意の機構を用いることができる。
多数のフィルタ２１６のうちの異なるフィルタを、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間の光路２１８に選択的に位置決めする素子２１４は、第１集合のフィルタ２１６ａ及び第２集合のフィルタ２１６ｂを含むことができる。第１集合のフィルタ２１６ａの各フィルタ２１６ａは、発光体２０２から検査対象の太陽電池セル２０４に向かう光エネルギーの強度の所定の割合を透過するように適合させることができる。第２集合のフィルタ２１６ｂはそれぞれ、発光体２０２からの選択波長の光、または選択スペクトルの光をフィルタリングして、フィルタリングされない波長の光、またはスペクトルの光を太陽電池セル２０４に向けて太陽電池セルを、異なるスペクトルの光、または異なる波長領域の光の下で検査して、太陽電池セルの性能を測定するか、または多接合型太陽電池セルの異なる層のいずれかの欠陥を検出することができる。これまでに説明してきたのと同様にして、多接合型太陽電池セルの異なる層は、異なる半導体材料を含むことにより、光の異なるスペクトルに反応して、または光の異なるスペクトルを吸収して、電力を生成することができる。
回転フィルタホイール２２２は、モータ２２４で回転させることができる。モータ２２４は、回転フィルタホイール２２２、及びホイール２２２に取り付けられる各フィルタ２１６の正確な箇所または位置を決定するエンコーダ２２６を含むことができる。モータ２２４及びエンコーダ２２６は、多数のフィルタ２１６の各フィルタを、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間の光路２１８に正確に位置決めして太陽電池セル２０４を、各フィルタ２１６から得られる異なる分光特性の光の下で検査することができる。モータ２２４は、第１取り付けプレート２２８に取り付けることができる。回転フィルタホイール２２２は、モータ２２４から離れる方の第１取り付けプレート２２８の反対側に配置することができる。駆動軸２３０は、第１取り付けプレート２２８を貫通して延在することができ、そしてフィルタホイール２２２のハブに接続することができる。駆動軸２３０の反対側端部は、第１取り付けプレート２２８から離れる方のフィルタホイール２２２の反対側に在る第２取り付けプレート２３２に回転可能に接続することができる。従って、フィルタホイール２２２は、第１取り付けプレート２２８と第２取り付けプレート２３２との間に配置することができる。開口部を第１取り付けプレート２２８及び第２取り付けプレート２３２の各取り付けプレートに、フィルタホイール２２２の現在選択されているフィルタ２１６に一致するように形成して、発光体２０２からの光が、発光体２０２と検査対象の太陽電池セル２０４との間の光路２１８に現在位置決めされている選択フィルタ２１６を透過することができるようにする。
太陽電池セル検査装置２００は更に、発光体２０２からの、そして多数のフィルタのうちの選択フィルタ２１６からの光エネルギーの所定部分を太陽電池セル２０４に向けて太陽電池セル２０４を検査するビームスプリッタ２３４を含むことができる。このビームスプリッタはまた、光エネルギーの別の所定部分を装置２３６に向けて、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間の光路２１８に現在位置決めされている多数のフィルタのうちの選択フィルタ２１６からの光の特性を測定することができる。撮像レンズ２３８は、ビームスプリッタ２３４と検査対象の太陽電池セル２０４との間に配置することにより、光を太陽電池セル２０４に集光させることができる。撮像レンズ２３８によってまた、本明細書において更に詳細に説明するように、太陽電池セル２０４の画像をカメラ２４０で、太陽電池セル２０４の電界発光検査を実施するときに容易に撮影することができる。電界発光検査は、フィルタホイール２２２に取り付けられる遮光フィルタを、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間に位置決めすることにより実施することができる。カメラ２４０は、回転フィルタホイール２２２から離れる方の第２取り付けプレート２３２の反対側２４２に取り付けることができる。
選択フィルタ２１６からの光の特性を測定する装置２３６は、内蔵球体２４４を含むことができる。内蔵球体２４４は、フィルタホイール２２２から離れる方の第２取り付けプレート２３２の反対側２４２に取り付けることができる。内蔵球体２４４によって、光の入射角に依存しない分光特性の測定が可能になる。別の撮像レンズ、または第２撮像レンズ２４６は、ビームスプリッタ２３４に近接して、かつビームスプリッタ２３４と撮像球面２４４との間に配置することができる。第２撮像レンズ２４６によって、ビームスプリッタ２３４からの光を撮像球面２４４に集光させることができる。
選択フィルタ２１６からの光の特性を測定する装置２３６は更に、スペクトルアナライザ２５０のポート２４８を含むことができる；スペクトルアナライザ２５０は、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間に現在配置されているフィルタ２１６を透過している光のスペクトルを測定することができる。
現在のフィルタ２１６からの光の特性を測定する装置２３６は更に、同位体２５２に対応するポートを含むことができる。種々の同位体信号（高同位体、中間的な同位体、及び低同位体）及びフルパワー信号のような他の信号を同時に記録することができる更に別のポートを設けることもできる。
現在のフィルタ２１６からの光の特性を測定する装置２３６は更に、光強度検出器２５４を含むことにより、回転フィルタホイール２２２のうちの現在のフィルタ２１６を透過している光の強度または中心光度を検出するか、または測定することができる。強度検出器２５４は、シリコン（Ｓｉ）検出器または他の光強度検出器とすることができる。
太陽電池セル検査装置２００は更に、所定のアンペア数の電流を太陽電池セル２０４に流して、回転フィルタホイール２２２に取り付けられる遮光フィルタが光路２１８に位置決めされると太陽電池セルの電界発光検査を実施する電流電圧源２５６を含むことができる。
太陽電池セル検査装置２００は更に、発光体２０２が作動することにより生じる熱で加熱される装置２００を冷却する冷却ファンまたは冷却ファン群２５８を含むことができる。
コンピュータシステムまたはプロセッサ２６０は、太陽電池セル検査装置２００の動作を制御することができる。プロセッサ２６０は、発光体２０２及びモータ２２４、及びエンコーダ２２６に接続することができる。プロセッサ２６０は、発光体２０２の動作、及びフィルタホイール２２２の回転を制御して、選択フィルタ群２１６を光路２１８に位置決めして、太陽電池セル２０４を、フィルタホイール２２２の異なるフィルタ２１６から得られる異なる分光特性の光の下で検査することができる。
プロセッサ２６０は更に、光強度検出器２５４に接続されることにより、フィルタ群２１６からの光の強度を記録することができる。プロセッサ２６０は更に、電流電圧計または他の測定機器に接続されることにより、太陽電池セル２０４の電流電圧曲線及び他のパラメータを記録することができる。プロセッサ２６０は更に、電流／電圧源２５６に接続されることにより、電流／電圧源２５６の動作を、太陽電池セル２０４の電界発光検査を実施しているときに制御することができる。プロセッサ２６０は更に、カメラ２４０に接続することができ、そして電界発光検査を実施しているときにカメラ２４０で撮影される太陽電池セル２０４の画像は、プロセッサ２６０によって保存し、そして処理することができる。
図３は、フィルタ機構またはフィルタホイールに取り付けられ、かつ本開示の１つの実施形態による太陽電池セル検査装置に使用される多数の異なるフィルタ３０２〜３１６を備えるマルチフィルタ機構またはフィルタホイール３００の一例である。フィルタホイール３００は、図２のフィルタホイール２２２に使用することができる。多数のフィルタ３０２〜３１６の各フィルタは、ホイール３０４のハブ３１８の周りに環状に配置されて、フィルタ３０２〜３１６の各フィルタを、発光体２０２と太陽電池セル２０４との間の光路２１８（図２）に、ホイール３００がハブ３１８の周りをモータ２２４によって回転するときに位置決めすることができる。
フィルタホイール３００の第１位置または第１箇所にあるフィルタホイール３００の第１フィルタまたは第１開口部３０２は、発光体２０２から太陽電池セルに向かう光の光強度の１００パーセント、または全部を透過する、または通過させることができる。第１フィルタ３０２は、１００パーセントフィルタと表記することができる。フィルタホイール３００の第２位置または第２箇所にある第２フィルタまたは第２開口部３０４は、発光体から太陽電池セルに向かう光の光強度の約６６パーセントを透過する、または通過させることができる。第２フィルタ３０４は、６６パーセントフィルタと表記することができる。フィルタホイール３００の第３位置または第３箇所にある第３フィルタまたは第３開口部３０６は、発光体から太陽電池セルに向かう光の光強度の約３３パーセントを透過する、または通過させることができる。第３フィルタ３０６は、３３パーセントフィルタと表記することができる。フィルタホイール３００の第４位置または第４箇所にある第４フィルタ３０８または第４開口部は、発光体から太陽電池セルに向かう光の光強度の約１０パーセントを透過する、または通過させることができる。第４フィルタ３０８は、１０パーセントフィルタと表記することができる。フィルタ３０２〜３０８は、第１集合のフィルタを規定することができ、これらのフィルタはそれぞれ、発光体から検査対象の太陽電池セルに向かう光の強度の所定の割合を透過するように適合させる。
フィルタホイール３００の第５位置または第５箇所にある第５フィルタ３１０または第５開口部は、発光体から検査対象の太陽電池セルに向かう青い部分だけのスペクトルの光を透過する青色フィルタとすることができる。青い部分だけのスペクトルの光は、殆ど全部の、または殆どの青色スペクトルのみを取り出した光とすることができる、または光の周波数帯域または波長帯域の青色部分のみをフィルタリングした、または取り出した光とすることができる。フィルタホイール３００の第６位置または第６箇所にある第６フィルタ３１２または第６開口部は、発光体から検査対象の太陽電池セルに向かう赤い部分だけのスペクトルの光を透過する赤色フィルタとすることができる。赤い部分だけのスペクトルの光は、殆ど全部の、または殆どの赤色スペクトルのみを、または光の周波数帯域または波長帯域の赤色部分のみをフィルタリングした、または取り出した光とすることができる。フィルタホイール３００の第７位置または第７箇所にある第７フィルタ３１４または第７開口部は、発光体から太陽電池セルに向かう赤外線部分だけのスペクトルの光を透過する赤外線フィルタとすることができる。赤外線スペクトルの光は、光の殆ど全部の、または殆どの赤外線周波数帯域または波長帯域のみを取り出した、またはフィルタリングした光とすることができる。フィルタ３１０〜３１４は、太陽電池セルを異なるスペクトルの光の下で検査する第２集合のフィルタを規定することができる。多接合型太陽電池セルにおいてこれまでに説明してきたように、太陽電池セルの異なる層は、光の異なるスペクトルに反応して、または光の異なるスペクトルを吸収して電力を生成する。異なるスペクトルの光を異なるフィルタ３１０〜３１４で透過させて太陽電池セルに照射するときに行なわれる測定によって、それぞれの異なるスペクトルの光が太陽電池セルに入射するときに検査対象の太陽電池セルが生成することができる電力量または電力レベルを求めることができる。
フィルタホイール３００は更に、遮光フィルタ３１６を含むことにより、光が太陽電池セルに発光体から入射するのを防止することができる。遮光フィルタ３１６を使用して、太陽電池セルの電界発光検査を実施することにより、太陽電池セルからの発光光を、所定のアンペア数の電流が太陽電池セルに、図２の電流源２５６のような電流源から流れるときに検出することができる。これまで説明してきたように、図２のカメラ２４０のようなカメラは、電流が太陽電池セルに流れると、太陽電池セルの画像または画像群を撮影することにより、太陽電池セルからの発光光を検出して、太陽電池セルが欠陥を有している可能性があることを通知することができる。太陽電池セルからの撮像光は、多接合型太陽電池セルの異なる層に対応する光エネルギーの異なる波長のビームに分離することができる。太陽電池セルからの撮像光は、ビームスプリッタまたは同様の素子により、異なる波長のビームに分離することができる。
図４Ａ及び４Ｂ（一括して図４と表記される）は、本開示の１つの実施形態による太陽電池セルを検査する方法４００の一例のフローチャートである。方法４００は、図２の装置２００において具体的に実施する、そして／または装置２００により実行することができる。ブロック４０２では、例えば図２の照射装置２０２のような照射装置を作動させることができる。ブロック４０４では、照射装置を熱的に安定させることができる。
ブロック４０６では、太陽電池セルを検査固定具に挿入することができ、そして検査位置に移動させることができる。ブロック４０８では、フィルタ素子を移動させる、または操作することにより、多数のフィルタのうちの第１フィルタまたは選択フィルタを、発光体と太陽電池セルとの間の光路の所定位置に位置決めすることができる。フィルタ素子は、図２の素子２１４または図３のフィルタホイール３００と同様とすることができる。
ブロック４１０では、遮光板または遮光体を開いて発光体からの光を、多数のフィルタのうちの選択フィルタによりフィルタリングすることができ、そしてフィルタから太陽電池セルに向けることができるようにする。これまで説明してきたように、光をビームスプリッタにより分解して、フィルタを透過させた光の所定部分を太陽電池セルに向けることができ、そして当該光の別の所定部分を装置に向けて、多数のフィルタの各フィルタからの光の特性を測定することができる。
ブロック４１２では、検査及び測定を太陽電池セルに対して実施して、太陽電池セルの性能を測定する操作、またはいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも１つの操作を行なうことができる。実施することができる測定では、光エネルギーの強度または電力を記録し、太陽電池セルが生成する合計電力を測定し、電流と電圧の関係（Ｉ−Ｖ）を表わす曲線の測定を行なうことができる。Ｉ−Ｖ曲線測定値を正規化して、他のＩ−Ｖ測定値と比較することができる。Ｉ−Ｖ曲線５００の一例を図５に示す。
ブロック４１４では、測定値及び検査結果を保存して、他のフィルタから得られる結果と併せて分析することにより、太陽電池セルの性能を測定するか、または太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出することができる。ブロック４１６では、現在のフィルタが最後のフィルタであるか、またはフィルタホイールの最後のフィルタ位置であるかどうかについての判断、または現在のホイールが遮光フィルタであるかどうかについての判断を行なうことができる。現在のフィルタが、多数のフィルタのうちの最後のフィルタである、または最後のフィルタ位置である、或いは遮光フィルタである場合、方法４００をブロック４２０に進め、そして太陽電池セルの電界発光検査を実施することができる。現在のフィルタが、最後のフィルタまたは遮光フィルタではない場合、方法４００をブロック４１８に進め、そしてフィルタ素子またはフィルタホイールを次の位置に移動させて、次のフィルタを、発光素子と太陽電池セルとの間の光路に配置することができる。次に、本明細書において説明されるように、方法４００をフィルタ群またはフィルタ位置群の各々について繰り返して、太陽電池セルを種々の分光特性の光の下で検査することができる。
ブロック４１２〜４１８では、太陽電池セルに向けられる光を、多数のフィルタの各フィルタでフィルタリングし、そして測定値及び検査結果を保存して分析することにより、太陽電池セルの性能を測定する、そして／または太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する。光をフィルタリングする際に、第１集合のフィルタの各フィルタを、発光体と太陽電池セルとの間の光路に位置決めすることができる。第１集合のフィルタの各フィルタは、光または光エネルギーの強度の所定の割合を透過して、太陽電池セルを、異なるレベルの強度の光またはエネルギーの下で検査するように適合させることができる。光をフィルタリングする際に更に、第２集合のフィルタの各フィルタを当該光路に位置決めすることができる。第２集合のフィルタの各フィルタは、太陽電池セルを、異なるスペクトルの光の下で検査することにより、多層太陽電池セルの異なる層を検査することができる。光をフィルタリングする際に更に、遮光フィルタを当該光路に位置決めすることにより、太陽電池セルの電界発光検査を実施して、太陽電池セルからの発光光を検出することができる。
遮光フィルタが当該光路に位置している状態のブロック４２０では、所定のアンペア数の電流を太陽電池セルに流すことができる。ブロック４２２では、太陽電池セルの画像または画像群を、少なくとも１つのカメラで、または他の撮像素子で撮影することができる。ブロック４２４では、太陽電池セルの可視光画像または画像群を保存することができる。遮光体を閉じ、そして検査済の太陽電池セルを取り外すことができる。フィルタホイールを第１位置に移動させて、検査装置に挿入される次の太陽電池セルの検査を開始する状態にすることができる。
ブロック４２６では、測定値及び検査結果を分析して、太陽電池セルが何れかの欠陥を有しているかどうか、または許容できるかどうかを判断することができる。測定値を基準測定値と比較して、当該セルが不良品であるかどうかを判断することができる。電界発光検査から得られる保存画像を既知の良品太陽電池セルの画像と比較して、当該セルが不良品であるかどうかを判断することができる。測定値及び検査データに基づいて求めて、検査対象の太陽電池セルの性能を評価することができるパラメータ群の例として、短絡電流（Ｊｓｃ）、開放電圧（Ｖｏｃ）、最大出力点、曲線因子（ＦＦ）、量子効率、及び総合効率を挙げることができる。短絡電流（Ｊｓｃ）は、上部及び下部（負のリード線及び正のリード線）が短絡接続されるときの太陽電池セルの電流である。短絡電流は、図５のＩ−Ｖ曲線の横軸切片５０２である。
開放電圧（Ｖｏｃ）は、太陽電池セルの上部と下部との間の電圧である。開放電圧は、図５のＩ−Ｖ曲線の縦軸切片５０４である。
最大出力点は、太陽電池セルのＩ−Ｖ曲線の（Ｊｐｐ，ＶＰＰ）にある点であり、この点で、素子の最大量の電力が生成される。この最大出力点では、縦軸方向線分及び横軸方向線分を、最大出力点から引いて描くことにより、最大面積を第１象限内で囲むことができる。これは、当該面積が、セルの電流×電圧に等しいので電力を表わしている。最大出力点は、図５に参照番号５０６で図示されている。
曲線因子（ＦＦ）は、太陽電池セルのＩ−Ｖ曲線が、理想的な太陽電池セルを表わす完全な長方形にどの位近いかを表わす方程式１により与えられる百分率である：
Figure 2014523728
量子効率は、生成され、そして収集されるＥＨＰの数を入射光子の数で除算した値である。これは、各光子がせいぜい１個のＥＨＰ（電子正孔対）しか生成することができないので百分率で表わされる。
総合効率は、入射電磁放射線のうち電力に変換される電磁放射線が占める百分率である。多くの場合、所定の太陽電池セルの総合効率は、温度、及び入射放射線量を含む多くの要素によって異なる。
図６は、本開示の１つの実施形態による太陽電池セルを検査するマルチフィルタ機構の異なる位置の表６００の一例である。各フィルタまたはフィルタ位置は、それぞれのフィルタが発光体と太陽電池セルとの間の光路に位置決めされるときに太陽電池セルに対して実施することができる異なる検査に対応することができる。例えば、フィルタ１またはフィルタ位置１は、電力の第１の所定の割合に対応する、またはこの例では、１００パーセントフィルタ、または全電力を透過して太陽電池セルに伝送するフィルタに対応することができる。
フィルタ２またはフィルタ位置２は、電力の第２の所定の割合に対応する、またはこの例では、５０パーセントフィルタに対応する、または電力または光強度の５０パーセントを透過して太陽電池セルに伝送するように適合させたフィルタに対応することができる。フィルタ３またはフィルタ位置３は、電力の別の所定の割合に対応する、または電力の１０パーセントを透過して太陽電池セルに伝送するフィルタに対応することができる。
フィルタ４またはフィルタ位置４は上部半導体材料層だけの検査に対応することができ、この検査では、フィルタがフィルタ特性を有するので、太陽電池セルの上部半導体材料層が反応するスペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより太陽電池セルを検査する、または別の表現として、フィルタは、太陽電池セルの上部層が吸収する光子を含む光のスペクトルをフィルタリングする。
フィルタ５またはフィルタ位置５は中間半導体材料層だけの検査に対応することができ、この検査では、フィルタが光フィルタ特性を有するので、太陽電池セルの中間層が反応するスペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより太陽電池セルを検査する。
フィルタ６またはフィルタ位置６は下部半導体材料層だけの検査に対応することができ、この検査では、フィルタがフィルタ特性を有するので、太陽電池セルの下部層が反応するスペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより太陽電池セルを検査する。
フィルタ７またはフィルタ位置７は暗電流Ｉ−Ｖ曲線検査に対応することができ、この検査では、フィルタがフィルタ特性を有するので、発光体からの光の全てをフィルタリングして、暗電流と電圧の関係を表わす特性曲線を測定することにより太陽電池セルを検査する。
フィルタ８またはフィルタ位置８は電界発光検査に対応することができ、この検査では、フィルタが光フィルタ特性を有することにより、電界発光検査を、これまでに説明した太陽電池セルと同様の太陽電池セルに対して実施する。
本明細書において使用される専門用語は、特定の実施形態について記述するためにのみ用いられるのであり、本開示を限定するために用いられるのではない。本明細書において使用されるように、単数形“ａ”、“ａｎ”、及び“ｔｈｅ”は、本文中に明確にそうではないことが指示されていない限り、複数形も含むように用いられる。更に、“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”及び／又は“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”という用語は、本明細書において使用される場合には、記載の特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又はコンポーネントの存在を指定し、かつ１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、及び／又はこれらのグループの存在または追加を排除しないことを理解されたい。
特定の実施形態を本明細書において示し、そして説明してきたが、この技術分野の当業者であれば、同じ目的を達成するために想定される任意の配置を、開示される特定の実施形態の代わりに用いることができ、そして本明細書における実施形態は、他の適用形態を他の環境において有することができることを理解できるであろう。本出願は、本開示の任意の適応化または変更を包含するものである。以下の請求項は決して、本開示の範囲を、本明細書において記載される特定の実施形態に限定するものではない。

Claims (20)

  1. 光エネルギーを検査対象の太陽電池セルに向ける発光体と、
    多数のフィルタのうちの異なるフィルタを、前記発光体と前記検査対象の太陽電池セルとの間の光路に選択的に位置決めすることにより、前記太陽電池セルの性能を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行なう素子と、を備え、多数のフィルタは、前記発光体から前記検査対象の太陽電池セルに向かう光エネルギーの強度の所定の割合を透過するように各フィルタを適合させた第１集合のフィルタと、そして前記太陽電池セルを、異なるスペクトルの光の下で検査する第２集合のフィルタと、を備える、太陽電池セル検査装置。
  2. 前記多数のフィルタは更に、遮光フィルタを備えることにより、前記太陽電池セルの電界発光検査を実施して、所定アンペア数の電流が前記太陽電池セルを流れると、前記太陽電池セルからの発光光を検出する、請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  3. 更に：
    前記遮光フィルタが前記発光体と前記太陽電池セルとの間に配置されると、前記電流を前記太陽電池セルに流す電流源と、
    前記電流が前記太陽電池セルに流れて前記太陽電池セルからの発光光が検出されると、前記太陽電池セルの画像を撮影するカメラと、
    多接合型太陽電池セルである前記太陽電池セルからの撮像光を、前記太陽電池セルの異なる層に対応する光エネルギーの異なる波長のビームに分離するビームスプリッタと、
    を備える、請求項２に記載の太陽電池セル検査装置。
  4. 前記第１集合のフィルタは：
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の全てを透過する１００パーセントフィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の６６パーセントを透過する６６パーセントフィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の３３パーセントを透過する３３パーセントフィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の１０パーセントを透過する１０パーセントフィルタと、
    を備える、請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  5. 前記第２集合のフィルタは：
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう赤い部分だけのスペクトルの光を透過する赤色フィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう青い部分だけのスペクトルの光を透過する青色フィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう赤外線部分だけのスペクトルの光を透過する赤外線フィルタと、
    を備える、請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  6. 更に：
    前記発光体と前記太陽電池セルとの間の所定位置に現在位置している複数フィルタのうちの１つのフィルタによってフィルタリングされた前記発光体からの前記光エネルギーを受光するビームスプリッタと、
    内蔵球体であって、前記ビームスプリッタが、前記発光体からの前記光エネルギーの１つの構成部分を前記内蔵球体に向け、そして前記光エネルギーの別の構成部分を前記太陽電池セルに向ける、前記内蔵球体と、
    前記内蔵球体に接続されて、受光した前記光エネルギーの前記構成部分を分析するスペクトルアナライザと、
    を備える、請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  7. 更に：
    前記発光体からの光の強度を測定する光検出器と、
    各フィルタの下の前記太陽電池セルの電流と電圧の関係の曲線（Ｉ−Ｖ曲線）を測定する素子と、
    を備える、請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  8. 前記多数のフィルタのうちの異なるフィルタを選択的に位置決めする前記素子は、前記多数のフィルタの各フィルタを、前記発光体と前記太陽電池セルとの間に位置決めすることにより、前記多数のフィルタの各フィルタに対応する前記太陽電池セルの性能特性を測定する機構を備える、請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  9. 前記異なるフィルタを選択的に位置決めする前記素子は：
    回転ホイールであって、前記多数のフィルタの各フィルタが、前記ホイールのハブの周りに環状に配置されて、前記ホイールが前記ハブの周りを回転するときに、前記フィルタ群の各フィルタを前記発光体と前記太陽電池セルとの間に位置決めする、前記回転ホイールと、
    エンコーダ及び駆動軸を含むモータと、を備え、前記モータの前記駆動軸は、前記ホイールの前記ハブに接続されて、前記ホイールを回転させることにより、前記フィルタ群の各フィルタを前記発光体と前記太陽電池セルとの間に順次位置決めする、
    請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  10. 更に、前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の透過を制御する遮光体を備える、請求項１に記載の太陽電池セル検査装置。
  11. 発光体と、
    多数のフィルタのうちの異なるフィルタを、前記発光体と検査対象の太陽電池セルとの間の光路に選択的に位置決めする素子と、
    前記多数のフィルタのうちの選択フィルタからの光の所定の構成部分を前記太陽電池セルに向けて、前記太陽電池セルの性能を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行ない、そして前記光エネルギーの別の所定の構成部分を、前記発光体と前記太陽電池セルとの間の前記光路に位置決めされる前記多数のフィルタのうちの前記選択フィルタからの光の特性を測定する装置に向けるビームスプリッタと、
    を備える、太陽電池セル検査装置。
  12. 更に、前記太陽電池セルの性能特性を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行なう素子を備える、請求項１１に記載の太陽電池セル検査装置。
  13. 前記太陽電池セルは、第１スペクトルの光に反応する上部半導体材料層と、第２スペクトルの光に反応する中間半導体材料層と、そして第３スペクトルの光に反応する下部半導体材料層と、を備え、そして前記多数のフィルタのうちの異なるフィルタを、選択的に位置決めする前記素子は：
    光エネルギーの１００パーセントを透過して太陽電池セルを、全電力を受けた状態で検査する第１フィルタに対応する第１フィルタ位置と、
    太陽電池セルを、前記第２フィルタを透過した光エネルギーの所定の割合に対応する所定の割合の電力を受けた状態で検査する第２フィルタを含む第２フィルタ位置と、
    前記太陽電池セルを、前記太陽電池セルの前記上部半導体材料層が反応する前記第１スペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより検査する第３フィルタを含む第３フィルタ位置と、
    前記太陽電池セルを、前記太陽電池セルの前記中間半導体材料層が反応する前記第２スペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより検査する第４フィルタを含む第４フィルタ位置と、
    前記太陽電池セルを、前記太陽電池セルの前記下部半導体材料層が反応する前記第３スペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより検査する第５フィルタを含む第５フィルタ位置と、
    前記太陽電池セルを、前記発光体からの光をフィルタリングして、前記太陽電池セルの電流−電圧特性曲線を暗状態で、または光を前記太陽電池セルが受光しない状態で測定することにより検査する第６フィルタを含む第６フィルタ位置と、
    光を遮光して、電界発光検査を前記太陽電池セルに対して実施する第７フィルタを含む第７フィルタ位置と、
    を含む、請求項１１に記載の太陽電池セル検査装置。
  14. 前記多数のフィルタは：各フィルタを、前記発光体からの光エネルギーの強度の所定の割合を透過するように適合させた第１集合のフィルタと、
    前記太陽電池セルを、異なるスペクトルの光の下で検査する第２集合のフィルタと、
    前記太陽電池セルの電界発光検査を実施して、前記太陽電池セルからの発光光を、所定のアンペア数の電流が前記太陽電池セルを流れると検出する遮光フィルタと、
    を備える、請求項１１に記載の太陽電池セル検査装置。
  15. 前記第１集合のフィルタは：
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の全てを透過する１００パーセントフィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の約６６パーセントを透過する６６パーセントフィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の約３３パーセントを透過する３３パーセントフィルタと、
    前記発光体から前記太陽電池セルに向かう光の強度の約１０パーセントを透過する１０パーセントフィルタと、
    を備える、請求項１４に記載の太陽電池セル検査装置。
  16. 前記第２集合のフィルタは：
    赤色成分のみのスペクトルの光を前記発光体から前記太陽電池セルに向かって透過する赤色フィルタと、
    青色成分のみのスペクトルの光を前記発光体から前記太陽電池セルに向かって透過する青色フィルタと、
    赤外線成分のみのスペクトルの光を前記発光体から前記太陽電池セルに向かって透過する赤外線フィルタと、
    を備える、請求項１４に記載の太陽電池セル検査装置。
  17. 前記異なるフィルタを選択的に位置決めする前記素子は：
    回転ホイールであって、前記多数のフィルタの各フィルタが、前記ホイールの前記ハブの周りに環状に配置されて、前記ホイールが前記ハブの周りを回転するときに、前記フィルタ群の各フィルタを前記発光体と前記太陽電池セルとの間に位置決めする、前記回転ホイールと、
    エンコーダ及び駆動軸を含むモータと、を備え、前記モータの前記駆動軸は、前記ホイールの前記ハブに接続されて、前記ホイールを回転させることにより、前記フィルタ群の各フィルタを前記発光体と前記太陽電池セルとの間に順次位置決めする、
    請求項１１に記載の太陽電池セル検査装置。
  18. 太陽電池セルを検査する方法であって：
    前記太陽電池セルに向けられる光を、多数のフィルタの各フィルタによってフィルタリングして、前記太陽電池セルの性能を測定する操作、及び前記太陽電池セルのいずれかの欠陥を検出する操作のうちの少なくとも一方の操作を行なうことと、
    光を分解して、フィルタリングした光の所定の構成部分を前記太陽電池セルに向け、そして光の別の所定の構成部分を、前記多数のフィルタの各フィルタからの光の特性を測定する装置に向けることと、
    を含む、方法。
  19. 光をフィルタリングすることでは：
    第１集合のフィルタの各フィルタを、発光体と前記太陽電池セルとの間の光路に位置決めし、各フィルタが、光エネルギーの強度の所定の割合を透過して前記太陽電池セルを異なる強度の光の下で検査するように適合させ、
    第２集合のフィルタの各フィルタを、前記発光体と前記太陽電池セルとの間の前記光路に位置決めし、各フィルタが、前記太陽電池セルを異なるスペクトルの光の下で検査するように適合させ、
    遮光フィルタを前記光路に位置決めして、前記太陽電池セルの電界発光検査を実施することにより、所定のアンペア数の電流が前記太陽電池セルを流れると、前記太陽電池セルからの発光光を検出する、
    請求項１８に記載の方法。
  20. 前記太陽電池セルは、光の第１スペクトルに反応する上部半導体材料層と、光の第２スペクトルに反応する中間半導体材料層と、そして光の第３スペクトルに反応する下部半導体材料層と、を備え、そして光をフィルタリングすることでは：
    光エネルギーの１００パーセントを透過して太陽電池セルを、全電力を受けた状態で検査するように適合させた第１フィルタを位置決めし、
    光フィルタリング特性を有する第２フィルタを位置決めして前記太陽電池セルを、前記第２フィルタを透過する光エネルギーの所定の割合に対応する所定の割合の電力を受けた状態で検査し、
    光フィルタリング特性を有する第３フィルタを位置決めして前記太陽電池セルを、前記太陽電池セルの前記上部半導体材料層が反応する前記第１スペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより検査し、
    光フィルタリング特性を有する第４フィルタを位置決めして前記太陽電池セルを、前記太陽電池セルの前記中間半導体材料層が反応する前記第２スペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより検査し、
    光フィルタリング特性を有する第５フィルタを位置決めして前記太陽電池セルを、前記太陽電池セルの前記下部半導体材料層が反応する前記第３スペクトルの光に対応するスペクトルの光をフィルタリングすることにより検査し、
    光フィルタリング特性を有する第６フィルタを位置決めして前記太陽電池セルを、前記発光体からの光をフィルタリングして、暗電流−電圧特性曲線を測定することにより検査し；そして光フィルタリング特性を有する第７フィルタを位置決めして、電界発光検査を前記太陽電池セルに対して実施する、請求項１８に記載の方法。
JP2014514479A 2011-06-10 2012-05-21 太陽電池セル検査装置及び方法 Active JP6055822B2 (ja)

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