JP4139890B2 - 太陽電池の特性評価方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の特性評価方法に関し、より具体的には、太陽電池モジュール(または太陽電池アレイ)中のセル(またはモジュール)の特性を非破壊にて評価する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、クリーンエネルギー源として太陽電池の導入が図られている。太陽電池が電源設備として社会的なインフラとなるためには、長寿命(20〜30年)であることを実証することが重要である。この観点から、10年以上フィールドで暴露されたシリコン結晶系太陽電池モジュールの劣化評価が行われている。このとき、モジュールの構成要素の劣化を個別に評価することが必要になる。その一環として、モジュールの構成セルをモジュール端子から非破壊的に評価する方法が必要になる。具体的にはセルのIsc、Vocなどを評価することである。
本発明者らは、すでに太陽電池モジュールを構成するセルの特性を、モジュール端子から非破壊的に評価する方法を提案した(非特許文献1参照)。この方法は、第1ステップ:セル数nのモジュール全体を均一照度下に置き、モジュールのI−V特性aを測り、このI−V特性aからモジュール直列抵抗に対応する勾配の線分gを求める、第2ステップ:被解析対象セル(当該セル)にダークを含む3種の減光板を被せたモジュールI−V特性c、d、eを測る、第3ステップ:ダークのセルを含むモジュールI−V特性eが電圧軸と交わる点の近傍(少し左)に、線分gの勾配のn/(n-1)の勾配の線分fを引く、第4ステップ:線分fとモジュールI−V特性c、dとの交点の電流I1、I2を求める、第5ステップ:これらの電流I1、I2と光量との関係から迷光の影響を除去する補正用電流Idを求める、第6ステップ:ダークのセルを含むモジュールI−V特性eが線分fと交わる点を、線分f上でIdの点に平行移動して求めたI−V特性e′の電流が零となる点とI−V特性aから求まるVocとの差から当該セルのVocを求める、の各ステップを経てセルの特性を評価する方法である。
【0003】
【非特許文献1】
高久ほか2名、"太陽電池モジュール端子からの構成セル評価方法"、平成14年電気学会全国大会、7-070(2002.3.26-29)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
先に提案した方法では、減光率の値に制約があり,また,少なくとも4回のモジュールI−V特性の測定が必要であり、かつ評価のためのステップ数が多いため、評価に時間と手間がかかり、より簡便に評価を行う方法が求められていた。また、上記の方法は、正確さに欠けるので、より精度の高い評価方法が求められていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明によれば、n個のセルを直列接続した太陽電池モジュールにおいて、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象セルに減光板を適用した減光モジュールI−V特性と減光板を外した非減光モジュールI−V特性とを測定し、非減光モジュールI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定モジュールI−V特性を算出して、同一電流値に対して推定モジュールI−V特性の電圧値から減光モジュールI−V特性の電圧値を減じてi個の被解析対象セルの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法、が提供される。
【0006】
また、上記の課題を解決するため、本発明によれば、n個のセルを直列接続した太陽電池モジュールにおいて、光照射下において減光板を適用しない非減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象セルに第1の減光板を適用した第1減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において前記被解析対象セルに第1の減光板とは減光率の異なる第2の減光板を適用した第2減光モジュールI−V特性を測定し、非減光モジュールI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定モジュールI−V特性を算出し、第1、第2減光モジュールI−V特性と推定モジュールI−V特性との二つの交点(第1,第2交点)から求まる二つの電流値を、放射照度と電流の比例関係で表し、該比例関係における放射照度零での電流値Idを補正用電流として、第1、第2減光モジュールI−V特性上で、前記第1、第2交点を該第1、第2交点での電流値を電流値Idだけ移動させた点を通るように推定モジュールI−V特性をX軸(電圧軸)に沿って平行移動させて修正・推定モジュールI−V特性を求め、同一電流値に対して第1または第2減光モジュールI−V特性の電圧値から修正・推定モジュールI−V特性の電圧値を減じてi個の被解析対象セルのそれぞれの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法、が提供される。
【0007】
また、上記の課題を解決するため、本発明によれば、n個のセルを直列接続した太陽電池モジュールにおいて、光照射下において減光板を適用しない非減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象セルに第1の減光板を適用した第1減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において前記被解析対象セルに第1の減光板とは減光率の異なる第2の減光板を適用した第2減光モジュールI−V特性を測定し、非減光モジュールI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定モジュールI−V特性を算出し、同一電流値に対して第1または第2減光モジュールI−V特性の電圧値から推定モジュールI−V特性の電圧値を減じて第1、第2減光セルI−V特性を得、第1、第2減光セルI−V特性から得られる二つの短絡電流と放射照度との比例関係で表し、該比例関係における放射照度零での電流値Idを補正用電流として、第1、第2減光セルI−V特性のX軸(電圧軸)との交点での電流値を電流値Idだけ移動させた点を通るようにX軸(電圧軸)を移動し,i個の被解析対象セルのそれぞれの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法、が提供される。
【0008】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態を説明するための太陽電池モジュールの平面図である。太陽電池モジュール1は、基板2上にn個(図示した例では18個)のセル3を直列に接続し、両端のセルから出力端子4、5を引き出したものである。図2は、特定のセルを被解析対象セルとして解析を行い、当該セルのI−V特性を推定する本発明の第1の実施の形態の評価方法の原理を示す図である。まず、太陽電池モジュール1上に均等な光(例えば1sunの)を照射してI−V特性を測定する。次に、照射光の強度を変えずに被解析対象セルの上を適当な減光率の減光板6を被せ、I−V特性を測定する。以上の測定により、「モジュール全体のI−V特性a」、「当該被解析対象セルだけを減光したモジュールI−V特性b」が求まる。本実施の形態において、当該セルの特性を評価するには、「モジュールから当該セルを除いた(短絡した)I−V特性c」が必要となるが、これは実際には測定することができないので、特性aの電圧値を(n−1)/n倍した特性で近似する。これは、各セルに電圧が均等に分担されていることを仮定している。
【0009】
当該セルの減光した条件での短絡電流Iscは、図2で、特性cと特性bとの交点での電流値である。なぜなら、特性bは、当該セル単体のI−V特性dと特性cの直列接続の合成特性だからである。同じ理由により、当該セルの減光した状態でのI−V特性dは、同一電流値について特性bの電圧値から特性cの電圧値を減じた曲線にて推定される。
当該被解析対象セルのI−V特性dが求まると、これに基づいて各種のパラメータを推定することができる。各種パラメータとは、Ip(光起電流)、Isc(短絡電流)、Voc(開放電圧)、Pmax(最大出力)、Vpmax(最大出力電圧)、Ipmax(最大出力電流)、FF(曲線因子)、Rs(直列抵抗)、Rsh(並列抵抗)などである。
【0010】
なお、セル特性を表現するときの放射照度は、任意の放射照度への換算を正確にするため,次式で基板などからの迷光分を分離する。
Pcell =Psouce(1-k+p)/(1-p) ・・・(1)
ここで、
Pcell:セル特性を表示するときの放射照度
Psouce:モジュール全体の放射照度
p:迷光率
k:減光率
なお、迷光は、放射照度に比例し、かつモジュールの構造で決まる常数とする。迷光率の求め方は、モジュール全体を均一な放射照度条件とし、ひとつのセルだけを暗闇にしたときのIscと、そのときの測定放射照度でのそのセルのIscとの比から推定する。それぞれのIscは提案する方法で求める。または、迷光率はモジュールの構造に応じて別途測定しておく。
【0011】
減光条件には特別の注意が必要である。減光のあるなしにかかわらず、図2の「減光したセルを除いた特性c」が変化しないことである。具体的には、減光板の有無によって近隣のセルの特性が変化しないことである。したがって、減光板はセルの大きさ以下とすることが望ましい。このようにすれば、セル周辺からの迷光の条件も減光に左右されないことになり、上記の条件が満たされる。
【0012】
(実施例1)
36個の直列セルから構成されているシリコン結晶系太陽電池モジュールについて測定した。放射照度は0.173sun、減光板の減光率は0.355である。測定結果を図3(a)に示す。図3(b)は、図3(a)の特性dのみを抜き出した拡大図である。特性a、b、c、dの意味するところは、図2の場合と同様である。したがって、I-V特性cは、I-V特性aの電圧値を35/36倍したものである。
【0013】
[第2の実施の形態]
本実施例においても、第1の実施の形態と同様に、図2に示すように、全体を一様な光を照射して測定を行い、被解析対象セルの特定セルをのみ減光して測定を行い、当該特定セルについての解析を行うものであるが、本実施の形態においては、照射光の強度を変えずに減光率の異なる2つの減光板を当該セルに被せて測定を行う。以上の測定により、図4(a)に示すように、「モジュール全体のI−V特性a」、「当該セルだけを減光率f1の減光板により減光したモジュールI−V特性b」「当該セルだけを減光率f2の減光板により減光したモジュールI−V特性c」が求まる。本実施の形態においも、当該セルの特性を評価するには、「モジュールから当該セルを除いた(短絡した)I−V特性d」が必要となるが、これは実際には測定することができないので、各セルに電圧が均等に分担されていると仮定して特性aの電圧値を(n−1)/n倍した特性で近似する。ここで、特性dと特性b、cとの交点での電流値をI1、I2とする。
【0014】
これらの特性から、減光したセルのIsc、Vocを次のように推定する。
Iscの推定方法:
Iscは、図4(a)の、「モジュールから減光したセルだけを除いたモジュールのI-V特性d(近似特性)」と「当該セルだけを減光したモジュールのI-V特性bおよびc」との交点から求める。二つの交点の値から、図4(b)に示されるように、(放射照度−電流)平面上での2点を結ぶ直線が原点を通るように平行移動させてIscの検量線を作成する。
Vocの推定方法:
Vocの第一近似値は、モジュール電圧の1/nである。これは図4(a)の特性aのVocと特性dのVocの差分である。
第一近似値を修正するために、図4(a)に示す二つの交点から求まる電流値I1、I2と、図4(b)に示す(放射照度−電流)平面上での2点を結ぶ直線の放射照度=0の電流Idを利用する。まず、図4(a)で、「減光したセルを除いた特性d」をIdの値が零となるようにX軸に沿って平行移動させる。その方法は、b、cのライン上でI1、I2の点をIdだけ移動させた点を求め、この点を通るようにdをX軸に沿って平行移動させればよい。
次に、平行移動したdがX軸(電圧軸)と交わる点を求める。この点が「減光したセルを除いた特性d」の真のVocである。セルのVocは、この推定点とモジュールのVocとの差である。なお、推定したVocの値は、モジュール特性aを測定した放射照度のときの値である。
【0015】
セルのI-V特性:
セルのI-V特性の第一近似は、第1の実施の形態の手法で「減光したセルを除いたI-V特性d」と「当該セルだけを減光した特性b」との差分を、同一電流値に対する電圧値についてとった特性である。特性cについて同じことを行えば、セルに関する二つのI-V特性ができる。
より精度の高い被解析セルのI-V特性は、電圧軸の原点を図4(b)のIdが零になるように移動することにより、求められる。
【0016】
(実施例2)
36個の直列セルから構成されているシリコン結晶系太陽電池モジュールについて測定した。放射照度は0.644sun、減光板の減光率は0.673と0.498である。測定結果を図5(a)に示す。特性a、b、c、dの意味するところは、図4の場合と同様である。したがって、I-V特性dは、I-V特性aの電圧値を35/36倍したものである。
図5(b)は、図5(a)の測定結果から得られたIscの検量線である。本実施例においては、二点を結ぶ直線を平行移動することなく検量線が得られている。この検量線より放射照度0.644でのIscが1.65Aと求まる。
【0017】
図5(c)は、図5(a)の測定結果から得られた当該被解析対象セルのI-V特性である。
以上の評価方法の妥当性を検証するために、当該被解析対象セルのI-V特性を直接測定した。検証のために、モジュール裏面を加工して、当該セルの測定端子を取付け、この状態で当該セルのI-V特性を測定した。
【0018】
【表1】
【0019】
表1に推定値と実測値および両者間の誤差を示す。表1より、本発明の非破壊の測定方法により被測定対象セルのI-V特性を評価できることが検証された。
なお、Iscの誤差は、減光率を含め測定系全体の精度およびノイズ処理など実験技術を高めれば改善できる。また、Vocの誤差は、第一近似値(モジュールVocの1/n)で決まるが、これ以上の精度が必要な場合は、電流の分解能を向上させることである。つまり、Iscの検量線で修正できる分解能を向上させることである。
【0020】
以上好ましい実施の形態、実施例について説明したが、本発明はこれら実施の形態、実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、実施例では、1セルを被測定対象セルとしていたが、適当な任意の個数のセルに遮光板を被せて複数のセルを一括して評価するようにしてもよい。また、本発明は、セルをモジュール、モジュールを太陽電池アレイと読み替えることにより、複数のモジュールを直列に接続して構成される太陽電池アレイに関し、任意の個数のモジュールの特性を非破壊で評価する方法にも適用することができるものである。また、本発明において評価対象とされる太陽電池は、シリコン結晶系に限定されず、薄膜系や化合物半導体系などすべての種類のものに及ぶ。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、遮光板を被せることなく得たI-V特性の電圧値のみを(n-1)/n倍して得られるI-V特性と、特定の被測定対象セル(モジュール)のみに遮光板を被せて得られるI-V特性とから被測定対象セル(モジュール)のI-V特性を推定するものであるので、太陽電池モジュール(アレイ)の製品完成後において非破壊で太陽電池モジュール(アレイ)端子からその構成セル(モジュール)のIsc、Voc、I-V特性を容易に推定できる。したがって、本発明によれば、例えば、出荷検査時や数年間暴露後の評価においてモジュール(アレイ)を破壊することなく任意のセル(モジュール)のI-V特性を容易にかつ高い精度をもって推定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態を説明するための太陽電池モジュールの概略図。
【図2】 本発明の第1の実施の形態の原理を説明するための特性図。
【図3】 本発明の第1の実施例により得られた特性図。
【図4】 本発明の第2の実施の形態の原理を説明するための特性図。
【図5】 本発明の第2の実施例により得られた特性図。
【符号の説明】
1 太陽電池モジュール
2 基板
3 セル
4、5 出力端子
6 減光板
Claims (7)
- n個のセルを直列接続した太陽電池モジュールにおいて、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象セルに減光板を適用した減光モジュールI−V特性と減光板を外した非減光モジュールI−V特性とを測定し、非減光モジュールI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定モジュールI−V特性を算出して、同一電流値に対して減光モジュールI−V特性の電圧値から推定モジュールI−V特性の電圧値を減じてi個の被解析対象セルの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法。
- n個のモジュールを直列接続した太陽電池アレイにおいて、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象モジュールに減光板を適用した減光アレイI−V特性と減光板を外した非減光アレイI−V特性とを測定し、非減光アレイI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定アレイI−V特性算出して、同一電流値に対して減光アレイI−V特性の電圧値から推定アレイI−V特性の電圧値を減じてi個の被解析対象モジュールの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法。
- n個のセルを直列接続した太陽電池モジュールにおいて、光照射下において減光板を適用しない非減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象セルに第1の減光板を適用した第1減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において前記被解析対象セルに第1の減光板とは減光率の異なる第2の減光板を適用した第2減光モジュールI−V特性を測定し、非減光モジュールI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定モジュールI−V特性を算出し、第1、第2減光モジュールI−V特性と推定モジュールI−V特性との二つの交点(第1,第2交点)から求まる二つの電流値を、放射照度と電流の比例関係で表し、該比例関係における放射照度零での電流値Idを補正用電流として、第1、第2減光モジュールI−V特性上で、前記第1、第2交点を該第1、第2交点での電流値を電流値Idだけ移動させた点を通るように推定モジュールI−V特性をX軸(電圧軸)に沿って平行移動させて修正・推定モジュールI−V特性を求め、同一電流値に対して第1または第2減光モジュールI−V特性の電圧値から修正・推定モジュールI−V特性の電圧値を減じてi個の被解析対象セルのそれぞれの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法。
- n個のセルを直列接続した太陽電池モジュールにおいて、光照射下において減光板を適用しない非減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象セルに第1の減光板を適用した第1減光モジュールI−V特性を測定し、光照射下において前記被解析対象セルに第1の減光板とは減光率の異なる第2の減光板を適用した第2減光モジュールI−V特性を測定し、非減光モジュールI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定モジュールI−V特性を算出し、同一電流値に対して第1または第2減光モジュールI−V特性の電圧値から推定モジュールI−V特性の電圧値を減じて第1、第2減光セルI−V特性を得、第1、第2減光セルI−V特性から得られる二つの短絡電流と放射照度との比例関係で表し、該比例関係における放射照度零での電流値Idを補正用電流として、第1、第2減光セルI−V特性のX軸(電圧軸)との交点での電流値を電流値Idだけ移動させた点を通るようにX軸(電圧軸)を移動し,i個の被解析対象セルのそれぞれの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法。
- n個のモジュールを直列接続した太陽電池アレイにおいて、光照射下において減光板を適用しない非減光アレイI−V特性を測定し、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象モジュールに第1の減光板を適用した第1減光アレイI−V特性を測定し、光照射下において前記被解析対象モジュールに第1の減光板とは減光率の異なる第2の減光板を適用した第2減光アレイI−V特性を測定し、非減光アレイI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定アレイI−V特性を算出し、第1、第2減光アレイI−V特性と推定アレイI−V特性との二つの交点(第1,第2交点)から求まる二つの電流値を、放射照度と電流の比例関係で表し、該比例関係における放射照度零での電流値Idを補正用電流として、第1、第2減光アレイI−V特性上で、前記第1、第2交点を該第1、第2交点での電流値を電流値Idだけ移動させた点を通るように推定アレイI−V特性をX軸(電圧軸)に沿って平行移動させて修正・推定アレイI−V特性を求め、同一電流値に対して第1または第2減光アレイI−V特性の電圧値から修正・推定アレイI−V特性の電圧値を減じてi個の被解析対象モジュールのそれぞれの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法。
- n個のモジュールを直列接続した太陽電池アレイにおいて、光照射下において減光板を適用しない非減光アレイI−V特性を測定し、光照射下において任意のi(iは1以上n−1以下の整数)個の被解析対象モジュールに第1の減光板を適用した第1減光アレイI−V特性を測定し、光照射下において前記被解析対象モジュールに第1の減光板とは減光率の異なる第2の減光板を適用した第2減光アレイI−V特性を測定し、非減光アレイI−V特性に対し測定電圧に対してのみ(n−i)/nを掛けて得た推定アレイI−V特性を算出し、同一電流値に対して第1または第2減光アレイI−V特性の電圧値から推定アレイI−V特性の電圧値を減じて第1、第2減光モジュールI−V特性を得、第1、第2減光モジュールI−V特性から得られる二つの短絡電流と放射照度との比例関係で表し、該比例関係における放射照度零での電流値Idを補正用電流として、第1、第2減光モジュールI−V特性のX軸(電圧軸)との交点での電流値を電流値Idだけ移動させた点を通るようにX軸(電圧軸)を移動し,i個の被解析対象モジュールのそれぞれの減光条件下でのI−V特性を得ることを特徴とする太陽電池の特性評価方法。
- 放射照度は迷光分の補正をなされたものであることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の太陽電池の特性評価方法。
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