JP2018021774A - 太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法 - Google Patents

太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を、非破壊検査により簡単に測定することができる太陽電池モジュールの含有金属濃度の測定方法を提供することである。【解決手段】実施形態の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法は、太陽電池単位セルの受光面の複数箇所に蛍光Ｘ線を照射し、蛍光Ｘ線分析法を用いて各々の含有金属成分濃度を測定する蛍光Ｘ線分析工程と、太陽電池モジュールの画像情報を取得する画像情報取得工程と、太陽電池単位セルの複数箇所各々の含有金属成分濃度の値および前記太陽電池モジュールの画像情報をもとに、太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を求める濃度算出工程とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法に関するものである。
太陽電池発電は、再生可能エネルギーの一つとして注目されており、特に震災以後、家庭用から電力用（メガソーラ）まで幅広い用途での需要が拡大している。太陽電池発電に使用する太陽電池モジュールは、様々な形状、構成であり、使用される材料も異なる。太陽電池モジュールの製造量は、日本だけでも年間約８ＧＷに上る製造量実績があるため、製品寿命となった太陽電池モジュールの大量廃棄時代に向けて、今後、廃太陽電池モジュールの再資源化、無害化を可能とする適正処理プロセスを構築することが急務となっている。
太陽電池モジュールは、ガラス基板と積層体（シリコン等の発電素子、導電作用を有す電極（集電線、結合線））を配し、これらをＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の有機性のバックシートで覆い、ＥＶＡ（エチレンビニールアセテート）等の封止材で強固に固着したもの）からなるものが多いが、製造メーカ、モジュール型格により、太陽電池モジュールを構成する積層体が異なり、含有する金属成分に違いを生じている。金属成分は資源とも有害物とも区分けされるものであり、その金属成分を定性・定量的することは、太陽電池モジュールの大量廃棄時代に向けて、環境面から重要視されている。
太陽電池モジュールの含有金属化学成分を定性・定量的に判断するためには、ＩＣＰ法（高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法）などで代表される化学分析を実施する（特許文献１参照）。この化学分析では、太陽電池モジュールを試験可能な大きさに破壊しサンプルを取得し、そのサンプルを酸溶解、アルカリ溶解を繰り返すことで定性・定量成分を溶液化し、発電施設等の太陽電池モジュールが使用されている現場とは異なる場所にある化学分析機関による破壊検査が行われる。
特開２０１４−７９６６７公報
本発明が解決しようとする課題は、太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を、非破壊検査を用いて簡単で且つ高精度に測定することができる太陽電池モジュールの含有金属濃度の測定方法を提供することである。
上記課題を達成するために、実施形態の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法は、太陽電池単位セルの受光面の複数箇所に蛍光Ｘ線を照射し、蛍光Ｘ線分析法を用いて各々の含有金属成分濃度を測定する蛍光Ｘ線分析工程と、太陽電池モジュールの画像情報を取得する画像情報取得工程と、太陽電池単位セルの複数箇所各々の含有金属成分濃度の値および太陽電池モジュールの画像情報をもとに、太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を求める濃度算出工程とを有する。
第１および第２の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を測定する測定装置の全体構成図。 第１および第２の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法における測定対象である太陽電池モジュールの上面図および断面図。 図２の太陽電池モジュールにおける太陽電池単位セルの上面図および断面図。 第１の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定の流れを示すフロー図。 第１の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法における蛍光Ｘ線の分析対象範囲。 第１の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法における蛍光Ｘ線分析結果の含有金属成分濃度の分布を示すグラフおよび含有金属成分濃度の平準化操作のイメージ図。 第２の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定の流れを示すフロー図。 第２の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法における蛍光Ｘ線の分析対象範囲。
太陽電池モジュールは、製造メーカ、モジュール型格により、構成する積層体が異なり、含有金属成分に違いが生じている。これらの金属成分は資源とも有害物とも区分けされるものであり、その金属成分濃度を測定することは、太陽電池モジュールの大量廃棄時代に向けて環境面から重要視されている。以下に、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法を説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法を図１乃至図６を参照して説明する。図１は、第１の実施形態による太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を測定する測定装置の全体構成図である。複数の太陽電池単位セル１を電気的に接続して構成された太陽電池モジュール２に対して、受光面側から蛍光Ｘ線を照射し蛍光Ｘ線分析を行なう可動式蛍光Ｘ線分析装置３と、受光面側から太陽電池モジュールの画像情報を取得するデジタルカメラ４とを設け、何れも情報端末機器５と接続する。情報端末機器５は、可動式蛍光Ｘ線分析装置３およびデジタルカメラ４の動作を制御し、各々から得た緒情報をもとに太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度を求め、その値を表示する。
図２は図１における太陽電池モジュール２の上面図および断面図（Ａ−Ａにおける断面図）である。太陽電池単位セル１枚では発生する電気出力が小さいため、複数の太陽電池単位セル１を直並列に接続して実用的な電気出力が得られるようにする必要があり、図２に示すように、太陽電池モジュール２は、同一の材料組成、形状を有す太陽電池単位セル１の繰り返しにより構成されている。半導体基板に形成された発電素子６は、隣り合う発電素子と結合線７により電気的に接続され、それらの周囲は封止材８で覆われている。受光面側にはガラス基板９を設けられ、非受光面側にはバックシート１０を設けられる。このようにして構成された複数の太陽電池単位セル１全体の外周は金属フレーム１１で覆われている。
図３は図２における太陽電池単位セル１の上面図および断面図（Ｂ−Ｂにおける断面図）示すように、太陽電池単位セル１は、半導体基板上に形成された発電素子６の受光面側には二種類の電極（バスバー１２、フィンガーバー１３）が直交して設けられている。フィンガーバー１３は太陽電池単位セル１内部の集電効率を上げるために設けられており、フィンガーバー１３に集められた電子はバスバー１２に運ばれる。空隙部１４は電極のない部分である。太陽電池モジュール２における資源性金属元素（銀、銅、アルミニウム、シリコン、インジウム）および有害性金属元素（鉛、セレン、ガリウム、砒素、アンチモン）は、主に太陽電池単位セル１に含まれている。
以下に、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度を測定する方法を説明する。図４は、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度の測定の流れを示すフロー図である。
最初に、Ｓ１に示すように、一つの太陽電池単位セル１に対して蛍光Ｘ線分析を行なう。可動式蛍光Ｘ線分析装置３を太陽電池単位セル１内のＸ／Ｙ方向各々に連続して移動させ、複数箇所の各含有金属成分濃度（単位面積当たり）を、対象となる金属成分を特定した上で（例えば、銀）、測定する。図５に、その際の可動式蛍光Ｘ線分析装置３の動きを示す。太陽電池単位セル１のＸ方向の端部から相対するもう一方の端部迄を蛍光Ｘ線の照射範囲をずらしながら移動させて特定の金属成分（例えば、銀）の各々の含有金属成分濃度を測定する。また、Ｙ方向に対しても、Ｘ方向と同様に、各々の含有金属成分濃度を測定する。
次に、Ｓ２に示すように、Ｓ１で測定したＸ／Ｙ方向の各々の含有金属成分濃度の値を平均化し、太陽電池単位セル１の半導体基板の含有金属成分濃度の平均値を求める。図６（ａ）はＳ１において測定した特定の金属成分（例えば、銀）の含有金属成分濃度の分布を示す。可動式蛍光Ｘ線分析装置３では、１回の測定面積に複数のフィンガーバー１３と空隙部１４を含むため、バスバー１２と平行方向に対してはほぼ依存性がなく、垂直方向に対してはバスバー１２上で大きなピーク強度の増強が見られる。このように、太陽電池単位セル１上の金属成分濃度の分布を視覚的に得ることができる。この結果を踏まえ太陽電池単位セル１の含有金属成分濃度の平準化を行う。図６（ｂ）に平滑化操作のイメージ図を示す。太陽電池単位セル１は測定箇所によって異なる金属成分濃度を有するため、金属成分濃度の分布を考慮した平準化を行ない、全体の平均値を求める必要性がある。最初にグラフを関数によって近似し、これをＸ／Ｙ方向に積分することで金属成分濃度の３次元情報を求める。得られた体積を太陽電池単位セル１の面積で除算することにより、太陽電池単位セル１の半導体基板の含有金属成分濃度の平均値（ｈ）を求める。具体的には、太陽電池単位セルの半導体基板の含有金属成分濃度の平均値（ｈ）は、下記式１を用いて求めることができる。
（式１）
・SSi：半導体基板の単位面積
・Ai：i番目の濃度分布波形（x方向）の面積
・σxi：i番目の濃度分布波形（x方向）の分散
・uxi：i番目の濃度分布波形（x方向）の平均値
・Aj：j番目の濃度分布波形（y方向）の面積
・σyj：j番目の濃度分布波形（y方向）の分散
・uyj：j番目の濃度分布波形（y方向）の平均値
・Bg：半導体基板上におけるバスバーを除いた部分の金属成分濃度
次に、Ｓ３に示すように、デジタルカメラ４を用いて、太陽電池単位セル１を含む太陽電池モジュール２の受光面側の画像情報を取得し、太陽電位モジュール２上における半導体基板の無い部分の合計面積（SW）と、有る部分の合計面積（SW）を求める。
次に、Ｓ４に示すように、Ｓ２およびＳ３の結果にもとづいて、下記式２を用いて、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度（CA）を求める。
（式２）
・h ：太陽電池単位セルの半導体基板の含有金属成分濃度の平均値
・SW：太陽電池モジュール上における半導体基板の無い部分の合計面積
・SB：太陽電池モジュール上における半導体基板の有る部分の合計面積
第１の実施形態の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法によれば、太陽電池モジュール２における同一の太陽電池単位セル１の反復性、繰り返し性を利用して、蛍光Ｘ線分析の結果および太陽電池モジュールの画像情報をうまく活用することにより、含有金属成分濃度を簡単に且つ高い精度で求めることができる。
また、第１の実施形態の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法によれば、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度を求めた上で、更に、その有害性や資源性を判断しその結果を情報端末機器５に表示することができる。
また、第１の実施形態の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法によれば、Ｓ１乃至Ｓ４の全ての工程は、情報端末機器５上で制御可能であり、簡易化・無人化が容易に実現できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法を図７および図８を参照して説明する。第１の実施形態で説明した太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度を測定する測定装置の全体構成図（図１）、太陽電池モジュール２の上面図および断面図（図２）、および太陽電池単位セル１の上面図および断面図（図３）については、第２の実施形態でも同じであるので、説明は省略する。第２の実施形態においては、太陽電池単位セル１における電極（バスバー１２、フィンガーバー１３）の有無を区別して扱いながら、太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を求めることが第１の実施形態と異なる点である。
以下に、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度を測定する方法の詳細を説明する。図７は、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度の測定の流れを示すフロー図である。
最初に、Ｓ１に示すように、一つの太陽電池単位セル１に対して可動式蛍光Ｘ線分析装置３を用いて蛍光Ｘ線分析を行なう。その際、電極（バスバー１２、フィンガーバー１３）の有無を区別し、電極１２、１３の含有金属成分濃度と、空隙部１４（電極が無い部分）の含有金属成分濃度を各々測定する。図８に、その際の可動式蛍光Ｘ線分析装置３の動きを示す。太陽電池単位セル１の電極１２、１３（Ａ）の含有金属成分濃度と、空隙部１４（電極が無い部）（Ｂ）の含有金属成分濃度を各々測定する。可動式蛍光Ｘ線分析装置３の１回の測定範囲は、電極１２、１３（Ａ）ではその大部分が電極であり、空隙部１４（Ｂ）ではその大部分が空隙部であるように設定する。また、本実施形態では各測定箇所は各々１つであるが（ＡとＢ）、各々複数箇所としても良い。各々複数箇所の含有金属成分濃度を測定し、各々平均値を求めることにより、金属成分濃度の測定精度はより向上する。
次に、Ｓ２に示すように、デジタルカメラ４を用いて、太陽電池単位セル１を含む太陽電池モジュール２の受光面側の画像情報を取得し、太陽電池モジュール２の電極１２、１３の面積（SD）、空隙部１４の面積（SK）、太陽電池モジュール２の面積（SM）を求める。一般的に、デジタルカメラ４で取得した画像情報では、太陽電池モジュール２の電極部（バスバー１２およびフィンガーバー１３）は白色であり、それ以外の空隙部１４は黒色となる。このため撮影画像を２値化解析することで画像全体から必要部位を抜き出すことができる。例えば、モジュール面積を測定し、その値に対して全体の画素数に対する白色部画素数の割合を乗算することにより、電極の面積を求めることができる。
次に、Ｓ３に示すように、Ｓ１およびＳ２の結果にもとづいて、下記式３を用いて、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度（CA）を求める。
（式３）
・CD：電極の金属成分濃度
・CK：空隙部の金属成分濃度
・SD：電極の面積
・SK：空隙部の面積
・SM：モジュール面積
第２の実施形態式１の太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度の測定方法によれば、可動式蛍光Ｘ線分析装置３を用いて分析する箇所は電極１２、１３と空隙部１４（電極が無い部分）のみであり少ないので、蛍光Ｘ線分析を短時間で行なうことができる。
以上説明した第１および第２の実施形態によれば、蛍光Ｘ線分析の結果および太陽電池モジュール２の画像情報を活用することにより、太陽電池モジュール２の含有金属成分濃度を非破壊検査により簡単に且つ高い精度で測定することができる。例えば、長い間使用された太陽電池モジュール２をリサイクルする際、太陽電池モジュール２の使用現場で太陽電池モジュールを解体せずに、含有金属成分の濃度を簡単に且つ高い精度で測定することができる。
尚、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１・・・太陽電池単位セル
２・・・太陽電池モジュール
３・・・可動式蛍光Ｘ線分析装置
４・・・デジタルカメラ
５・・・情報端末機器
６・・・発電素子（半導体基板）
７・・・結合線
８・・・封止材
９・・・ガラス基板
１０・・・バックシート
１１・・・金属フレーム
１２・・・バスバー（電極）
１３・・・フィンガーバー（電極）
１４・・・空隙部（電極でない部分）

Claims (11)

  1. 半導体基板上に形成された発電素子を含む複数の太陽電池単位セルを電気的に接続して構成された太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法において、
    前記太陽電池単位セルの受光面の複数箇所に蛍光Ｘ線を照射し、蛍光Ｘ線分析法を用いて各々の含有金属成分濃度を測定する蛍光Ｘ線分析工程と、
    前記太陽電池モジュールの受光面の画像情報を取得する画像情報取得工程と、
    前記太陽電池単位セルの複数箇所各々の含有金属成分濃度の値および前記太陽電池モジュールの画像情報をもとに、前記太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を求める濃度算出工程とを有することを特徴とする太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  2. 前記蛍光Ｘ線分析工程において、前記太陽電池単位セル内のＸ方向およびＹ方向に各々連続した複数箇所の各含有金属成分濃度を測定し、前記太陽電池単位セル内の金属成分濃度分布を考慮して、前記太陽電池単位セルの半導体基板の含有金属成分濃度の平均値を求め、
    前記画像情報取得工程において、前記太陽電池モジュール上の半導体基板の無い部分の面積と有る部分の面積の各々の値を求め、
    前記濃度算出工程において、前記太陽電池単位セルの半導体基板の含有金属成分濃度の平均値、および前記太陽電池モジュール上の半導体基板の無い部分の面積と有る部分の面積の各々の値を用いて前記太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を求めることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  3. 前記蛍光Ｘ線分析工程において、前記太陽電池単位セルの半導体基板の含有金属成分濃度の平均値（ｈ）は、
    （式１）
    （SSi：半導体基板の単位面積、Ai：i番目の濃度分布波形（x方向）の面積、σxi：i番目の濃度分布波形（x方向）の分散、uxi：i番目の濃度分布波形（x方向）の平均値、Aj：j番目の濃度分布波形（y方向）の面積、σyj：j番目の濃度分布波形（y方向）の分散、uyj ：j番目の濃度分布波形（y方向）の平均値、Bg：半導体基板上におけるバスバーを除いた部分の金属成分濃度）
    を用いて求めることを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  4. 前記濃度算出工程において、前記太陽電池モジュールの含有金属成分濃度（ＣＡ）は、
    （式２）
    （h：太陽電池単位セルの半導体基板の含有金属成分濃度の平均値、SW：太陽電池モジュール上における半導体基板の無い部分の合計面積、SB：太陽電池モジュール上における半導体基板の有る部分の合計面積）
    を用いて求めることを特徴とする請求項２および３に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  5. 前記半導体基板上に形成された発電素子は電極を有し、
    前記蛍光Ｘ線分析工程において、前記太陽電池単位セル内の前記電極と空隙部（電極が無い部分）の各含有金属成分濃度を測定し、
    前記画像情報取得工程において、前記太陽電池モジュール内の前記電極の面積と空隙部（電極が無い部分）の面積を各々求め、
    前記濃度算出工程において、前記太陽電池単位セル内の電極と空隙部（電極が存在しない部分）の各含有金属成分濃度、前記太陽電池モジュール内の電極の面積と空隙部（電極が存在しない部分）の各面積を用いて、前記太陽電池モジュールの含有金属成分濃度を求めることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  6. 前記電極はバスバーおよびフィンガーバーであることを特徴とする請求項５に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  7. 前記濃度算出工程において、前記太陽電池モジュールの含有金属成分濃度（ＣＡ）は、
    （式３）
    （CD：電極の含有金属成分濃度、CK：空隙部の含有金属成分濃度、SD：電極の面積、SK：空隙部の面積、SM：太陽電池モジュールの面積）
    を用いて求めることを特徴とする請求項５および６に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  8. 前記太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定は、太陽電池モジュールを設置した敷地内で実施する非破壊検査であることを特徴とする請求項１乃至７に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  9. 前記太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法を用いて、前記太陽電池モジュールの資源性または有害性を判断することを特徴とする請求項１乃至７に記載の太陽電位モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  10. 前記資源性を有する金属元素とは、銀、銅、アルミニウム、シリコン、インジウムの少なく一つであること特徴とする請求項９に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
  11. 前記有害性を有する金属元素とは、鉛、セレン、ガリウム、砒素、アンチモンの少なく一つであること特徴とする請求項９に記載の太陽電池モジュールの含有金属成分濃度の測定方法。
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