JP2015228350A - ソーラシミュレータ、および太陽電池セルの電気特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成によって照度分布の変動を抑制可能とし、均一な照度分布を得ることができるソーラシミュレータ、および、均一な照度分布の照明光による測定を可能とする太陽電池セルの電気特性測定方法を得ること。【解決手段】疑似太陽光とする照明光を被照射物である太陽電池セル７に照射するソーラシミュレータであって、光軸に対し回転対称に配置され、照明光を出射する光源２と、光軸を回転中心として光源２を回転駆動する光源回転駆動部９と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、疑似太陽光を照射するソーラシミュレータ、および太陽電池セルの電気特性測定方法に関する。

従来、太陽電池セルの電気特性の測定において、疑似太陽光とする照明光を照射する照明装置であるソーラシミュレータが用いられている。ソーラシミュレータが備える光学システムは、レンズの球面収差が要因となって、被照射面において同心円状の照度分布のムラを生じさせることがある。ソーラシミュレータは、経年変化による光源の発光点の変化が要因となって、照度分布の変動を引き起こすことがある。このため、ソーラシミュレータは、均一性の高い照度分布を維持することが難しい。

１つのソーラシミュレータからの照明光を２枚以上の太陽電池セルへ照射させて電気特性を測定する場合、太陽電池セルごとにおける照射強度に差が生じることがある。照射強度が太陽電池セルごとに異なることで、規格に定められた範囲の照射強度による測定が困難となる場合がある。

例えば、特許文献１には、光路上のハーフミラーにて分岐された光を検出することで照度分布をモニタリングし、開閉制御可能な複数の微小ミラーを配列して構成されたＤＭＤ（Digital Mirror Device）を用いて被照射面の部分ごとの照度を制御する照明装置が開示されている。この照明装置は、ＤＭＤを用いて照度を制御することで、均一な照度分布の維持が図られている。

特開２０１０−２７１６８５号公報

特許文献１の構成には、一般的なソーラシミュレータの光学システムには用いられていない光学素子であるハーフミラーおよびＤＭＤが設けられている。これらの光学素子が加わることで、ソーラシミュレータの構成は複雑かつ高コストなものとなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成によって照度分布の変動を抑制可能とし、均一な照度分布を得ることができるソーラシミュレータ、および、均一な照度分布の照明光による測定を可能とする太陽電池セルの電気特性測定方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、疑似太陽光とする照明光を被照射物に照射するソーラシミュレータであって、光軸に対し回転対称に配置され、前記照明光を出射する光源と、前記光軸を回転中心として前記光源を回転駆動する光源回転駆動部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ソーラシミュレータは、光源を回転させながら、光源から照明光を出射させることで、発光点の変化による照度分布の偏りをならして照明光を照射可能とする。本発明では、ソーラシミュレータに使用される標準的な光学素子からなる光学システムに、光源を回転させるための要素を加えた簡易な構成により、均一な照度分布を実現できる。これにより、簡易な構成によって照度分布の変動を抑制可能とし、均一な照度分布を得られるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかるソーラシミュレータの概略構成を示す図である。 図２は、ソーラシミュレータのうちの光源、楕円反射鏡および光源回転駆動部を示す図である。 図３は、光源を回転させていない場合における照度分布の例を示す図である。 図４は、図３に示す状態からの変動後における照度分布の例を示す図である。 図５は、図４に示す照度分布となった状態から光源を回転させた場合における照度分布の例を示す図である。 図６は、複数の太陽電池セルを配置した例を示す図である。 図７は、太陽電池セルごとにおける照射強度に差が生じる場合における照度分布の例を示す図である。 図８は、図７に示す照度分布となった状態から光源を回転させた場合における照度分布の例を示す図である。

以下に、本発明にかかるソーラシミュレータ、および太陽電池セルの電気特性測定方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるソーラシミュレータの概略構成を示す図である。ソーラシミュレータは、疑似太陽光とする照明光を、被照射物である太陽電池セル７へ照射する照明装置である。なお、図１において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、いずれも互いに垂直な軸とする。太陽電池セル７のうち照明光を照射させる被照射面は、Ｘ軸およびＹ軸に平行な面とする。

ソーラシミュレータは、楕円反射鏡１、光源２、一次平面反射鏡３、インテグレータレンズ４、二次平面反射鏡５、コリメータレンズ６、光源位置調整機構８および光源回転駆動部９を備える。

光源２は、照明光を出射する。例えば、光源２は、高輝度、かつ太陽光に近い分光特性を備える高圧放電灯である。楕円反射鏡１、一次平面反射鏡３、インテグレータレンズ４、二次平面反射鏡５およびコリメータレンズ６は、光源２から出射された照明光を太陽電池セル７へ進行させる光学システムを構成する。

楕円反射鏡１は、照明光の進行方向へ向けられた開口を備える。楕円反射鏡１は、光源２からの照明光を開口へ向けて反射する。一次平面反射鏡３は、楕円反射鏡１からの照明光の光路を折り曲げる。インテグレータレンズ４は、一次平面反射鏡３からの照明光の照度を均一化させる。二次平面反射鏡５は、インテグレータレンズ４からの照明光の光路を折り曲げる。コリメータレンズ６は、二次平面反射鏡５からの照明光を平行化して、太陽電池セル７へ進行させる。

光源位置調整機構８は、光源２の位置および姿勢を調整する。光源回転駆動部９は、光軸を回転中心として光源２を回転駆動する。光源２は、光源位置調整機構８によって位置および姿勢が調整された状態として、光源回転駆動部９の駆動により回転可能とされている。

図２は、ソーラシミュレータのうちの光源、楕円反射鏡および光源回転駆動部を示す図である。光源２は、回転対称な形状をなしている。その形状の中心線である回転対称軸を想定した場合に、光源２は、その回転対称軸が光学システムの光軸ＡＸに一致するように配置されている。光源２は、光軸ＡＸに対し回転対称に配置されている。

楕円反射鏡１および一次平面反射鏡３の間にて、光軸ＡＸは、Ｚ軸に平行とされている。なお、光軸ＡＸは、一次平面反射鏡３と二次平面反射鏡５とのそれぞれにて、垂直に折り曲げられている。例えば、一次平面反射鏡３および二次平面反射鏡５の間では、光軸ＡＸはＹ軸に平行とされ、二次平面反射鏡５および太陽電池セル７の間では、光軸ＡＸはＺ軸に平行とされている。

光源２は、光軸ＡＸを回転中心として回転可能に設置されている。光源回転駆動部９は、その光軸ＡＸを回転中心として、光源２を一定の方向へ回転駆動する。光源回転駆動部９は、例えばサーボモータである。光源回転駆動部９は、サーボモータ以外に、光源２を回転駆動可能ないずれの駆動手段であっても良い。

次に、実施の形態にかかるソーラシミュレータを使用して太陽電池セルの電気特性を測定する方法について説明する。太陽電池セル７は、ソーラシミュレータからの照明光が照射される測定位置へ搬送される。照射工程にて、ソーラシミュレータは、疑似太陽光とする照明光を光源２から出射させ、照明光を太陽電池セル７に照射する。光源回転駆動部９は、照明光を出射している光源２を回転駆動する。

太陽電池セル７には、測定ユニット（図示省略）が接続されている。測定工程にて、測定ユニットは、太陽電池セル７へ照明光を照射させたときにおける太陽電池セル７の電気特性を測定する。測定ユニットは、太陽電池セル７のエミッタ電極およびベース電極のそれぞれにプローブピンを接触させ、エミッタ電極側から疑似太陽光を照射させたときにおける太陽電池セル７の発電出力の電圧と電流とを測定する。なお、エミッタ電極等の図示は省略する。

次に、光源２を回転させることによる照度分布の改善について説明する。図３は、光源を回転させていない場合における照度分布の例を示す図である。図３では、Ｘ軸およびＹ軸に平行な被照射面における照度のレベルを、濃淡として示している。図中濃く塗り潰している部分ほど照度が高く、塗り潰しが薄いほど照度が低いことを表している。また、塗り潰しの濃度を１段階異ならせた部分同士では、照度が０．６％異なるものとする。照度分布は、例えばＪＩＳで定められた測定方法を用いて算出されたものとする。

図３には、照射領域の中心に近いほど照度が高く、周辺へ向かうほど照度が低くなる、同心円状の照度分布の例を示している。同心円の中心は、照射領域の中心に近い位置となる。光学システムは、例えば、コリメータレンズ６の球面収差が要因となって、このような同心円状の照度分布のムラを生じさせることがある。

図３に示す例では、照度分布は、±１．８％の範囲となる。例えば、ＪＩＳで定められた等級Ａでは、照度分布は±２．０％とされている。図３に示す照度分布は、この等級Ａの規格を満足する。

光源２は、点灯時間が経過するにしたがい電極が徐々に変形することで、発光点が変位することがある。ソーラシミュレータは、このような経年変化による光源２の発光点の変化が要因となって、照度分布の変動を引き起こすことがある。

図４は、図３に示す状態からの変動後における照度分布の例を示す図である。図４に示す照度分布は、図３に示す照度分布と比べると、同心円の中心がプラスＸ方向へシフトしたものとなっている。

図４に示す例では、照度分布は、±２．１％の範囲となる。図４に示す照度分布は、上述の等級Ａの規格外となる。このように、規格を満足している状態から照度分布が変動することで、照度分布が規格外となってしまうことが起こり得る。

図５は、図４に示す照度分布となった状態から光源を回転させた場合における照度分布の例を示す図である。照射工程にて、光軸ＡＸを回転中心として回転している光源２から照明光を出射させることで、ソーラシミュレータは、照度分布の偏りをならして照明光を照射可能とする。

光軸ＡＸを回転中心として光源２を回転させることで、照度分布の偏りは、被照射面の照射領域の中心点を中心とする回転方向へならされることとなる。これにより、図５に示す照度分布における同心円の中心は、照射領域の中心に近い位置となる。

図５に示す例では、照度分布は、±１．５％の範囲にまで改善している。ソーラシミュレータは、光源２を回転させることで、上述の等級Ａの規格を満足させることができる。ソーラシミュレータは、回転させている光源２から射出された照明光を照射することで、経年変化による照度分布の変動を抑制することができる。太陽電池セル７の電気特性の測定において、このソーラシミュレータを使用して均一な照度分布の照明光が得られることで、太陽電池セル７による太陽光発電を正確にシミュレーションすることができる。

次に、１つのソーラシミュレータからの照明光を２枚以上の太陽電池セルへ照射させて電気特性を測定する場合における照度分布の改善について説明する。図６は、複数の太陽電池セルを配置した例を示す図である。図６に示す例では、ソーラシミュレータからの照明光を照射させる照射領域に、複数の太陽電池セル７である例えば４枚の太陽電池セル１０，１１，１２，１３が配置されている。

４枚の太陽電池セル１０，１１，１２，１３は、ソーラシミュレータの照射領域の中心点に対して互いに点対称となる位置（（１），（２），（３），（４））に配置されている。ソーラシミュレータは、複数の太陽電池セル７へ照明光を照射させる場合に、太陽電池セル７ごとにおける照射強度に差が生じることがある。

図７は、太陽電池セルごとにおける照射強度に差が生じる場合における照度分布の例を示す図である。図７には、光源２を回転させていない場合における照度分布の例を示している。図７に示す照度分布は、図３に示す照度分布と比べると、同心円の中心がプラスＸ方向およびプラスＹ方向へシフトしたものとなっている。

図７に示す例では、照度分布は、±２．４％の範囲となる。図７に示す照度分布は、上述の等級Ａの規格外となる。図７に示す照度分布の照明光を、図６に示すように配置された４枚の太陽電池セル１０，１１，１２，１３へ照射させた場合、図６に示す（２）の位置の太陽電池セル１１で照射強度が最も高くなり、（３）の位置の太陽電池セル１２で照射強度が最も低くなる。

このように、ソーラシミュレータは、経年変化による照度分布の変動に起因して、太陽電池セル７ごとにおける照射強度に差が生じることがある。太陽電池セル７ごとにおける照射強度の差が規定の範囲を超えることで、各太陽電池セル７に対する電気特性の測定が困難となる。

図８は、図７に示す照度分布となった状態から光源を回転させた場合における照度分布の例を示す図である。光軸ＡＸを回転中心として光源２を回転させることで、照度分布の偏りは、照射領域の中心点を中心とする回転方向へならされることとなる。これにより、図８に示す照度分布における同心円の中心は、照射領域の中心に近い位置となる。

図８に示す例では、照度分布は、±１．２％の範囲にまで改善している。ソーラシミュレータは、光源２を回転させることで、上述の等級Ａの規格を満足させることができる。ソーラシミュレータは、回転させている光源２から射出された照明光を照射することで、太陽電池セル７ごとにおける照射強度の差を抑制することができる。これにより、ソーラシミュレータの照射領域に複数の太陽電池セル７を配置する場合に、各太陽電池セル７に対する電気特性の測定が可能となる。

実施の形態によると、ソーラシミュレータは、ソーラシミュレータに使用される標準的な光学素子からなる光学システムに、光源２を回転させるための要素を加えた簡易な構成により、均一な照度分布を実現できる。ソーラシミュレータは、照射領域に配置された１枚あるいは複数の太陽電池セル７に対して均等な照射強度の照明光を供給することができる。以上により、ソーラシミュレータは、簡易な構成によって照度分布の変動を抑制可能とし、均一な照度分布を得られるという効果を奏する。

均一な照度分布を得られるソーラシミュレータを太陽電池セル７の電気特性の測定に用いることで、太陽電池セル７による太陽光発電を正確にシミュレーションすることができる。ソーラシミュレータは、均一な照度分布が得られることで、太陽電池セル７の電気特性の測定にて、太陽電池セル７の全体へ効率良く照明光を照射させることができる。

ソーラシミュレータは、太陽電池セル７の電気特性を測定している間において光源回転駆動部９が光源２を回転させる条件は、適宜設定可能であるものとする。ソーラシミュレータは、例えば、太陽電池セル７の出力電圧および出力電流のデータを取り込むサンプリングポイント（サンプリング期間）の間隔に対して一回転以上、光源回転駆動部９によって光源２を回転させる。これにより、均一な照度分布の照明光を用いて、太陽電池セル７の電気特性を測定することができる。

また、ソーラシミュレータは、例えば５つのサンプリングポイントの間に一回転以上、光源回転駆動部９によって光源２を回転させることとしても良い。さらに、ソーラシミュレータは、例えば太陽電池セル７の電気特性の測定時間内において一回転以上、光源回転駆動部９によって光源２を回転させることとしても良い。この場合も、均一な照度分布の照明光を用いて、太陽電池セル７の電気特性を測定することができる。

１ 楕円反射鏡、２ 光源、３ 一次平面反射鏡、４ インテグレータレンズ、５ 二次平面反射鏡、６ コリメータレンズ、７ 太陽電池セル、８ 光源位置調整機構、９ 光源回転駆動部、１０，１１，１２，１３ 太陽電池セル、ＡＸ 光軸。

Claims (4)

1. 疑似太陽光とする照明光を被照射物に照射するソーラシミュレータであって、
   光軸に対し回転対称に配置され、前記照明光を出射する光源と、
   前記光軸を回転中心として前記光源を回転駆動する光源回転駆動部と、を有することを特徴とするソーラシミュレータ。
2. 前記ソーラシミュレータは、前記被照射物である太陽電池セルの電気特性の測定において用いられ、
   前記光源回転駆動部は、前記太陽電池セルの出力電圧および出力電流のデータを取り込むサンプリングポイントの間隔に対して一回転以上、前記光源を回転させることを特徴とする請求項１に記載のソーラシミュレータ。
3. 疑似太陽光とする照明光を光源から出射させ、前記照明光を前記太陽電池セルに照射する照射工程と、
   前記太陽電池セルへ前記照明光を照射させたときにおける前記太陽電池セルの電気特性を測定する測定工程と、を含み、
   前記光源は、光軸に対し回転対称に配置されており、
   前記照射工程にて、前記光軸を回転中心として回転している前記光源から前記照明光を出射させることを特徴とする太陽電池セルの電気特性測定方法。
4. 前記測定工程において前記太陽電池セルの出力電圧および出力電流のデータを取り込むサンプリングポイントの間隔に対して、前記照射工程では前記光源を一回転以上回転させることを特徴とする請求項３に記載の太陽電池セルの電気特性測定方法。

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