JP2016019464A - 光バイアス装置及びこれを含む太陽電池の分光感度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多様なスペクトラムを有する光を出射可能な光バイアス装置及びこれを用いた太陽電池の分光感度測定装置を提供する。【解決手段】光バイアス装置は、光を発光するバイアス光源を備えた光源部と、入射した光が経路に沿って伝送する複数の導光路が備えられた光ガイド部と、前記光ガイド部の入口にそれぞれ位置するか、又は前記光ガイド部で伝送する光の経路上に位置するか、又は前記光ガイド部の出口にそれぞれ位置する少なくとも１つの光フィルタが備えられた複数の光フィルタ部とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は入射光のスペクトラムを調節できる光バイアス装置及びこれを含む太陽電池の分光感度測定装置に関する。

一般に、太陽電池は太陽光を受けて電力を生成する半導体素子であって、開放電圧、短絡電流、変換効率、最大出力などの指標と分光感度などは太陽電池の性能及び販売価格を決定する主要要素である。

太陽電池の性能指標は、国際規格として制定されている特定のスペクトラム（ＡＭ１.５Ｇ）及び照射強度（１ｓｕｎ＝１００ｍＷ／ｃｍ²）を持つ光に太陽電池を露出させた後、一定の素子温度（２５℃）条件で太陽電池が出力する電流−電圧特性曲線や分光感度（spectral response）を測定することによって確認できる。

太陽電池の分光感度を測定するための一般的な太陽電池の分光感度測定装置は、測定用単色光の発生のための主光源（main light source）以外にＡＭ１.５Ｇのスペクトラム及び１００ｍＷ／ｃｍ²の照射強度の光を実現するためのバイアス光源（bias light source）を備えており、このバイアス光源から出た光を１つの光経路（optical pathway）に誘導した後、エアマスフィルタ（air mass filter）に通過させることによって、ＡＭ１.５Ｇのスペクトラム及び１００ｍＷ／ｃｍ²の照射強度に準ずる光を擬似し、太陽電池に入射されるようにしている。

しかしながら、上述した太陽電池の分光感度を測定するためのバイアス光の条件は、単接合太陽電池の分光感度を測定する際のみ有効なものであって、多接合太陽電池の分光感度を測定するためには、各接合層別に要求されるバイアス光が変わる。

従って、多接合太陽電池の各接合層別の分光感度を測定するためには、一般的な太陽電池の分光感度測定装置に備えられているＡＭ１.５Ｇのスペクトラム及び１００ｍＷ／ｃｍ²の照射強度の光を実現するためのバイアス光源とエアマスフィルタだけでなく、各接合層が要求するスペクトラムの光を生成するための補助光学フィルタの使用が要求される。

補助光学フィルタとしては、特定波長以下の光のみを透過させるローパスフィルタ（low-pass filter）や、特定波長以上の光のみを透過させるハイパスフィルタ（high-pass filter）、又は特定波長帯域の光は遮断し、残りの波長帯の光のみを透過させるバンドストップフィルタ（band-stop filter）が用いられる。

図１（ａ）は、３重接合シリコン太陽電池の各接合層の分光感度特性を示すグラフであり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の３重接合シリコン太陽電池の中間接合層の分光感度特性を測定するために必要な光フィルタ（バンドストップフィルタ）の透過特性を示すグラフである。

図１（ａ）の中間接合層の分光感度を測定するためには、図１（ｂ）に示すように、光の透過を遮断する波長の幅が３００ｎｍ〜４００ｎｍであり、これを除いた残りの波長領域でのみ光を透過させる光フィルタ（バンドストップフィルタ）を使用しなければならないが、このように広い遮断幅（stop width）を有する光フィルタを製造することは技術的に非常に難しいだけでなく、製造できるとしても非常に高価なため、経済性が低いか、又は信頼性が低下するなどの問題があった。

また、各接合層の分光感度を変更して新たな多接合太陽電池を製造する場合、これを測定するために、新しい遮断幅を有する光フィルタを再び製作しなければならないという問題があった。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、バイアス光源から発光する光を複数の導光路に誘導して複数の光フィルタを通過させることで、多重接合層のそれぞれの分光感度の測定が容易な光バイアス装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、前記光バイアス装置を含む太陽電池の分光感度測定装置を提供することにある。

前記目的を達成するための光バイアス装置は、光を発光するバイアス光源を備えた光源部と、入射した光が経路に沿って伝送する複数の導光路が備えられた光ガイド部と、前記光ガイド部の入口に位置するか、又は前記光ガイド部で伝送する光の経路上に位置するか、又は前記光ガイド部の出口にそれぞれ位置する少なくとも１つの光フィルタが備えられた複数の光フィルタ部とを含む。

前記光源部は、前記バイアス光源がキセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ及びこれらを組み合わせた複数の光源と広帯域光源の中から選択された１つであり得る。

前記光源部は、前記バイアス光源の後面部に配置された反射鏡を更に備えることができ、追加で前記バイアス光源の前面部に配置された第１コリメーションレンズを更に備えることができる。

前記光ガイド部は、前記光源部から光が入射する少なくとも１つの光入射口と、前記複数の導光路を通過した光がそれぞれ出射する複数の光出射口が更に備えることができ、この場合、前記複数の導光路は光ファイバからなることができる。前記光ファイバは、１つの前記光入射口と連結されるか、又は複数の前記光入射口とそれぞれ連結され得る。

また、前記光ガイド部は、前記光源部から入射した光を分割して互いに異なる方向に出射するビームスプリッタ（beam splitter）を更に備えることができる。この場合、前記複数の導光路は少なくとも１つの反射鏡によって形成され、前記ビームスプリッタから出射した光が前記反射鏡に反射されて伝送できる。

前記光フィルタ部は、何れか１つの光フィルタ部が他の１つの光フィルタ部と互いに異なる波長帯域の光を通過させることが好ましい。

前記光バイアス装置は、前記光フィルタ部又は前記光ガイド部から出射する光を透過又は遮断するシャッタ部を更に含むことができる。

前記他の目的を達成するための本発明の太陽電池の分光感度測定装置は、前記光バイアス装置と、前記光バイアス装置から出射した光が互いに重なる領域に配置され、測定対象である太陽電池が定着可能な据置部とを含む。太陽電池の分光感度測定装置が上述した光バイアス装置と据置部以外にも、多くの構成要素で構成されることは当業者に自明である。太陽電池の分光感度測定装置を構成する一般的な構成要素は特別な制限なしに何れも適用され得るので、これについての詳細な説明は省略する。

前記太陽電池の分光感度測定装置は、前記据置部に定着する太陽電池の温度を一定に維持させる温度調節部を更に含むことができる。

前記太陽電池の分光感度測定装置を構成する光バイアス装置に関する説明は、上述した前記光バイアス装置に関する説明と重複するので、明細書の簡潔さのために省略する。

本発明はバイアス光源から発光する光を複数の導光路と複数の光フィルタに通過させて並列重複効果を通じて特定波長帯域のスペクトラムを有する光を出射することが可能であり、高価なバンドストップフィルタを使用しないことによって、経済性が向上するだけでなく、多接合太陽電池の分光感度の信頼性を向上させるという効果を奏する。

また、ハウジングの開閉口を調節することによって、多様なスペクトラムを有する光の出射が可能であり、１つの光バイアス装置で単接合太陽電池の分光感度の測定だけでなく、多接合太陽電池を構成するトップ（top）、ミドル（middle）又はボトム（bottom）接合層の分光感度の測定が可能である。

３重接合シリコン太陽電池の各接合層の分光感度特性（ａ）と、図１（ａ）の３重接合シリコン太陽電池の中間接合層の分光感度特性を測定するために必要な光フィルタの透過特性（ｂ）を示すグラフである。 本発明の一実施形態の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置を概略的に示す図である。 本発明の他の実施形態の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置を概略的に示す図である。 本発明の更に他の実施形態の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置を概略的に示す図である。 本発明の更に他の実施形態の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置を概略的に示す図である。 本発明の更に他の実施形態の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態の太陽電池の分光感度測定装置の主要部分を概略的に示す図である。 図２の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置に光フィルタ（３１０、３２０、３３０、３４０）をエアマスフィルタのみ用いて出射した光のスペクトラムを示すグラフである。 図２の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置に光フィルタをエアマスフィルタ（３１０）、５５０ｎｍのカットオフ（cut off）フィルタ（カットオフ波長５５０ｎｍのローパスフィルタ、以下同じ）（３２０）、エアマスフィルタ（３３０）、及び７００ｎｍのカットオン（cut on）フィルタ（カットオフ波長７００ｎｍのハイパスフィルタ、以下同じ）（３４０）を用いて出射したＣ領域での光スペクトラムを示すグラフである。 図２の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置に光フィルタとしてエアマスフィルタ（３１０）、５００ｎｍのカットオフフィルタ（カットオフ波長５００ｎｍのローパスフィルタ、以下同じ）（３２０）、エアマスフィルタ（３３０）、及び８５０ｎｍのカットオンフィルタ（カットオフ波長８５０ｎｍのハイパスフィルタ、以下同じ）（３４０）を用いて出射したＣ領域での光スペクトラムを示すグラフである。 図２の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置に光フィルタとしてエアマスフィルタ（３１０）及び５００ｎｍのカットオフフィルタ（３２０）を用い、反対側の光フィルタ（３３０、３４０）を通過した光は遮断されたＣ領域での光スペクトラムを示すグラフである。 図２の太陽電池の分光感度測定用光バイアス装置に光フィルタとしてエアマスフィルタ（３３０）及び６００ｎｍのカットオンフィルタ（カットオフ波長６００ｎｍのハイパスフィルタ、以下同じ）（３４０）を用い、反対側の光フィルタ（３１０、３２０）を通過した光は遮断されたＣ領域での光スペクトラムを示すグラフである。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。以下で説明する実施形態は多様な形態に変形でき、本発明の範囲が以下の実施形態に限定されるものではない。本発明の実施形態は、当分野における通常の知識を有する者に発明の技術的な思想を明確に伝えるために提供されるものである。

図２を参照すれば、本発明の一実施形態に係る太陽電池の分光感度測定用光源装置（以下、「光バイアス装置」という）は、光を発光する光源部１００、光源部１００から入射した光が伝送する光ガイド部２００及び光ガイド部２２０の出口にそれぞれ位置し、光ガイド部２００を伝送した光が通過する複数の光フィルタ部３００を含む。

光源部１００は光を発光するバイアス光源１１０を含み、バイアス光源１１０は、キセノン（Ｘｅ）ランプやハロゲン（halogen）ランプ又はＬＥＤのうちの１つを用いる単一光源、又はこれらを組み合わせた複数の光源であってもよく、汎用の広帯域（broadband）光源を用いてもよい。また、記載した事項に限定されず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者（「通常の技術者」）が適宜変形して選択できる。

バイアス光源１１０の後面部には光源１１０から発光し、光ガイド部２００方向以外の他の方向に発光する光を反射するための反射鏡１３０が形成され得る。前記反射鏡１３０は、「∩」状の楕円体（ellipsoidal）、「∧」状又は「┌┐」状を含む多様な形状で形成され得る。

バイアス光源１１０の前面部には、バイアス光源１１０から発光した光を平行光に変換させる第１コリメーションレンズ１２０が形成され得る。

光ガイド部２００は、入射した光がそれぞれ伝送する第１導光路２１０と第２導光路２２０、光源部１００から発光した光が入射し、第１導光路２１０と第２導光路２２０の入口と結合される光入射口２３０、及び第１導光路２１０と第２導光路２２０を通過した光がそれぞれ出射し、第１導光路２１０と第２導光路２２０の出口とそれぞれ結合される光出射口２４０を含む。

このとき、第１導光路２１０及び第２導光路２２０は光ファイバからなることが好ましく、前記光ファイバは光の全反射が可能なようにガラス材質からなる光学繊維で数マイクロメートル（μｍ）〜数十マイクロメートル（μｍ）サイズのコア（core）をクラッディング（cladding）及び保護被覆が覆う構造であることが好ましい。

即ち、第１コリメーションレンズ１２０を通過した光は光入射口２３０に入射し、第１導光路２１０及び第２導光路２２０にそれぞれ伝送した後、第１導光路２１０を通過した光は第１導光路２１０の出口と結合されている光出射口２４０に出射し、第２導光路３３０を通過した光は第２導光路２２０の出口と結合されている光出射口２４０に出射する。

光フィルタ部３００は第１導光路２１０の出口に位置し、第１光フィルタ３１０及び第２光フィルタ３２０からなる第１光フィルタ部と、第２導光路２２０の出口に位置し、第３光フィルタ３３０及び第４光フィルタ３４０からなる第２光フィルタ部とを含む。

第１光フィルタ３１０と第３光フィルタ３３０は、エアマスフィルタ（air mass filter）を含む同一のフィルタを使用でき、第２光フィルタ３２０又は第４光フィルタ３４０は、光学ローパスフィルタ（optical low-pass filter）又は光学ハイ−パスフィルタ（optical high-pass filter）を用いて、２つの光フィルタ部は、互いに異なる波長帯域の光を通過させることができる。

但し、これに限定されるものではなく、単接合太陽電池の分光感度を測定するための光バイアス装置として用いる場合には、第２光フィルタ３２０及び第４光フィルタ３４０をそれぞれ第１光フィルタ３１０及び第３光フィルタ３３０と同一のフィルタで使用でき、多接合太陽電池の分光感度を測定するための光源装置として用いる場合には、多接合太陽電池を構成する接合層の数によって用いられる光フィルタの数又は波長を適宜選択できる。

本発明の一実施形態の光バイアス装置は、光フィルタ部３００から出射する光を透過又は遮断するシャッタ部４００を更に含むことができる。

シャッタ部４００は、それぞれの光フィルタ部３００を通過した光の最終出口に位置することが好ましく、本発明の一実施形態では、光フィルタ部３００の出口に位置し得る。また、シャッタ部４００の構成は、光を透過又は遮断する公知の構成であれば制限されず、適宜選択できる。

即ち、遮蔽部４００を通じて第１光フィルタ３１０と第２光フィルタ３２０を通過した光（Ａ領域）は透過させ、第３光フィルタ３３０と第４光フィルタ３４０を通過した光（Ｂ領域）は遮断するか、又は第１光フィルタ３１０と第２光フィルタ３２０を通過した光は遮断し、第３光フィルタ３３０と第４光フィルタ３４０を通過した光は透過させるか、又は第１光フィルタ３１０と第２光フィルタ３２０を通過した光と第３光フィルタ３３０と第４光フィルタ３４０を通過した光を何れも透過させて重畳した光（Ｃ領域）を生成できる。

図３を参照すれば、本発明の他の実施形態の光バイアス装置は、光源部１００の前面部に複数の第１コリメーションレンズ１２０が配置され、光ガイド部２００は第１導光路２１０及び第２導光路２２０のそれぞれの入口に光入射口２３０が結合される構成の違いを除いては、図２の光バイアス装置の構成と同一であるので、図２で説明した内容と重複する部分は、明細書の簡潔さのために省略する。

図４を参照すれば、本発明の更に他の実施形態の光バイアス装置は、光源部１００の前面部に複数の第１コリメーションレンズ１２０が配置され、複数の光フィルタ部３００が光ガイド部２００の入口にそれぞれ位置し、光ガイド部２００は第１導光路２１０及び第２導光路２２０のそれぞれの入口に光入射口２３０が結合される構成の違いを除いては、図２の光バイアス装置の構成と同一であるので、図２で説明した内容と重複する部分は、明細書の簡潔さのために省略する。

即ち、図２の光バイアス装置は、光源部１００から発光した光が光ガイド部２００を介して伝送した後、複数の光フィルタ部３００をそれぞれ通過して特定のスペクトラムを有する重畳した光を生成するが、図４の光バイアス装置は、光源部１００から発光した光が複数の光フィルタ部３００をそれぞれ通過した後、光ガイド部２００を介して伝送して特定のスペクトラムを有する重畳した光を生成するという点で差がある。

図５を参照すれば、本発明の更に他の実施形態の光バイアス装置は、光ガイド部２００の構成及び複数の光フィルタ部３００の位置の違いを除いては、図２の光バイアス装置の構成と同一であるので、図２で説明した内容と重複する部分は、明細書の簡潔さのために省略する。

光ガイド部２００は、光源部１００から入射した光を分割して互いに異なる方向に出射するビームスプリッタ２９０を更に備え、複数の導光路は、反射鏡２５０、２６０、２７０、２８０によって形成される。

第１反射鏡２５０及び第２反射鏡２６０によって１つの導光路が形成され、第３反射鏡２７０及び第４反射鏡２８０によって他の１つの導光路が形成されてビームスプリッタ２９０により互いに異なる方向に出射する光が経路に沿って伝送する。

また、複数の光フィルタ部３００は光ガイド部２００で伝送する光の経路、即ち、第１反射鏡２５０及び第２反射鏡２６０によって形成された導光路で伝送する光の経路と、第３反射鏡２７０及び第４反射鏡２８０によって形成された導光路で伝送する光の経路上にそれぞれ位置する。

図６を参照すれば、本発明の更に他の実施形態の光バイアス装置は、複数の光フィルタ部３００の位置が光ガイド部２００の出口にそれぞれ位置することを除いては、図５の光バイアス装置の構成と同一であるので、図５で説明した内容と重複する部分は、明細書の簡潔さのために省略する。

図７は、本発明の一実施形態の太陽電池の分光感度測定装置の主要部分を概略的に示す図であり、それ以外の部分は一般的な事項であるため省略した。

図７を参照すれば、本発明の一実施形態の太陽電池の分光感度測定装置は、図２〜図６の何れか１つの光バイアス装置及び前記光バイアス装置から出射した光が互いに重なる領域（Ｃ領域）に配置され、測定対象である太陽電池６００が定着可能な据置部５００を含む。

また、前記太陽電池の分光感度測定装置は、据置部５００に定着する太陽電池６００の温度を一定に維持させる温度調節部（図示せず）を更に含むことができる。

図８は、図２の光バイアス装置に第２光フィルタ３２０及び第４光フィルタ３４０を除き、第１光フィルタ３１０及び第３光フィルタ３３０としてエアマスフィルタを用いて出射した光のスペクトラムをＣ領域で測定したグラフである。図８を参照すれば、光のスペクトラムがＡＭ１.５Ｇの標準スペクトラムに近似し、単接合太陽電池の分光感度の測定に利用可能であることが分かる。

図９は、図２の光バイアス装置に第１光フィルタ３１０としてエアマスフィルタ、第２光フィルタ３２０として５５０ｎｍのカットオフ（cut off）フィルタ、第３光フィルタ３３０としてエアマスフィルタ、及び第４光フィルタ３４０として７００ｎｍのカットオン（cut on）フィルタを用いて出射した光のスペクトラムをＣ領域で測定したグラフであり、５５０ｎｍから７００ｎｍ領域でスペクトラム照度（spectral irradiance）が測定されないことが分かる。

図１０は、図２の光バイアス装置に第１光フィルタ３１０としてエアマスフィルタ、第２光フィルタ３２０として５００ｎｍのカットオフフィルタ、第３光フィルタ３３０としてエアマスフィルタ、及び第４光フィルタ３４０として８５０ｎｍのカットオンフィルタを用いて出射した光のスペクトラムをＣ領域で測定したグラフであり、５００ｎｍから８５０ｎｍ領域でスペクトラム照度が測定されないことが分かる。

図９及び図１０を参照すれば、互いに異なる波長帯域の光を通過させるフィルタを同時に用いることにより、光の透過が遮断される波長幅を調節でき、遮断される領域の中心波長の位置を調節することが可能である。また、このような特性は、中間波長領域で光を遮断し、これを除いた残りの波長領域で光を透過させる１つの光フィルタの特性と同一の効果を有することによって、多接合太陽電池の中間接合層に対する分光特性を測定するのに非常に容易であるという効果を奏する。

図１１は、図２の光バイアス装置に第１光フィルタ３１０としてエアマスフィルタ及び第２光フィルタ３２０として５００ｎｍのカットオフフィルタを用い、第３光フィルタ３３０及び第４光フィルタ３４０を通過した光は、シャッタ部４００により遮蔽して出射した光をＣ領域で測定したグラフであり、第１光フィルタ３１０及び第２光フィルタ３２０から出射した光に対してのみスペクトラムが測定されたことが分かる。

図１２は、図２の光バイアス装置に第１光フィルタ３１０及び第２光フィルタ３２０を通過した光は、シャッタ部４００により遮蔽し、第３光フィルタ３３０としてエアマスフィルタ及び第４光フィルタ３４０として６００ｎｍのカットオンフィルタを用いて出射した光をＣ領域で測定したグラフであり、第３光フィルタ３３０及び第４光フィルタ３４０から出射した光に対してのみスペクトラムが測定されたことが分かる。

図１１及び図１２を参照すれば、シャッタ部４００によって複数の光フィルタ部３００のうちの一部を遮蔽することで、多接合太陽電池のトップ（top）接合層又はボトム（bottom）接合層に対する分光特性を測定できるという効果を有する。

以上、本発明の光バイアス装置を太陽電池の分光感度測定用として用いる場合について説明したが、このような用途に限定されるものではなく、波長の変調が可能な光源が要求されるあらゆる分野と波長の変調が可能な光源を適用する際に性能が向上するあらゆる装置に対して適用できることは当業者に自明である。

１００ 光源部
２００ 光ガイド部
３００ 光フィルタ部
４００ シャッタ部
５００ 据置部
６００ 太陽電池

Claims (11)

1. 光を発光するバイアス光源を備えた光源部と、
   入射した光が経路に沿って伝送する複数の導光路が備えられた光ガイド部と、
   前記光ガイド部の入口にそれぞれ位置するか、又は前記光ガイド部で伝送する光の経路上に位置するか、又は前記光ガイド部の出口にそれぞれ位置する少なくとも１つの光フィルタが備えられた複数の光フィルタ部と
   を含む光バイアス装置。
2. 前記光源部は、
   前記バイアス光源がキセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ及びこれらを組み合わせた複数の光源と広帯域光源の中から選択された１つであることを特徴とする請求項１に記載の光バイアス装置。
3. 前記光源部は、
   前記バイアス光源の後面部に配置される反射鏡を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光バイアス装置。
4. 前記光源部は、
   前記バイアス光源の前面部に配置される第１コリメーションレンズを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光バイアス装置。
5. 前記光ガイド部は、
   前記光源部から光が入射する少なくとも１つの光入射口と、前記複数の導光路を通過した光がそれぞれ出射する複数の光出射口が更に備えられ、
   前記複数の導光路は光ファイバからなることを特徴とする請求項１に記載の光バイアス装置。
6. 前記光ファイバは１つの前記光入射口と連結されるか、又は複数の前記光入射口とそれぞれ連結されることを特徴とする請求項５に記載の光バイアス装置。
7. 前記光ガイド部は、
   前記光源部から入射した光を分割して互いに異なる方向に出射するビームスプリッタを更に備え、
   前記複数の導光路は少なくとも１つの反射鏡によって形成され、前記ビームスプリッタから出射した光が前記反射鏡に反射されて伝送することを特徴とする請求項１に記載の光バイアス装置。
8. 前記光フィルタ部は、何れか１つの光フィルタ部が他の１つの光フィルタ部と互いに異なる波長帯域の光を通過させることを特徴とする請求項１に記載の光バイアス装置。
9. 前記光ガイド部又は前記光フィルタ部から出射する光を透過又は遮断するシャッタ部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光バイアス装置。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の光バイアス装置と、
    前記光バイアス装置から出射した光が互いに重なる領域に配置され、測定対象である太陽電池が定着可能な据置部と
    を含む太陽電池の分光感度測定装置。
11. 前記据置部に定着する太陽電池の温度を一定に維持させる温度調節部を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の太陽電池の分光感度測定装置。

Images