JP4233330B2 - Photovoltaic device inspection method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光起電力装置の検査装置および検査方法に関し、特に、pin接合を有する光起電力装置を検査するための光起電力装置の検査方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、pin接合を有する種々の光起電力装置(太陽電池)が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
【0003】
上記特許文献1には、ガラス基板上に、基板側薄膜電極、pin接合からなる非晶質半導体層(アモルファス半導体層)、金属薄膜および透明導電膜が、この順に積層されたユニットセルを複数含む集積型光起電力装置が開示されている。
【0004】
また、従来では、上記特許文献1に開示されたような集積型光起電力装置の発電層(i層)の膜厚を検査する方法が種々提案されている。
【0005】
【0006】
たとえば、従来の発電層(i層)の膜厚測定方法の第1の例として、表面粗さ計による測定方法が知られている。この表面粗さ計による測定方法では、まず、光起電力装置の金属電極および透明導電膜の付いていないpin層が露出している部分の一部にフォトレジストを形成する。そして、そのフォトレジストをマスクとして、フロンガス(CF4)と酸素ガス(O2)との混合ガスを用いて、pin層をドライエッチングした後、フォトレジストを除去する。この後、マスクで覆われていた部分と、ドライエッチングによりpin層が除去された部分との間の段差の高さを、先端に針状の測定部が設けられた表面粗さ計を用いて測定することにより、pin層の総膜厚を測定する。そして、測定したpin層の総膜厚からp層およびn層の膜厚の設計膜厚を差し引くことにより、i層の膜厚が求められる。
【0007】
また、従来の発電層(i層)の膜厚測定方法の第2の例として、断面SEM(Scanning Electron Microscope)観察による測定方法が知られている。この断面SEM観察による測定方法では、まず、光起電力装置の所定箇所を光起電力装置の表面に対して垂直方向に切断することにより、光起電力装置の断面を露出させる。そして、SEMを用いて、pin層と、pin層の上下両側に形成された他の層との2つの界面の間の距離を測定することによりpin層の総膜厚を測定する。そして、pin層の総膜厚からp層およびn層の設計膜厚を差し引くことにより、i層の膜厚が求められる。
【0008】
また、従来の発電層(i層)の膜厚測定方法の第3の例として、光感度測定による膜厚測定方法が知られている。この光感度測定による膜厚測定方法では、まず、暗室と分光器とを備えた検査装置を用いて、光照射に対する発電層(i層)の光感度を測定する。そして、測定した光感度を縦軸にとるとともに、横軸に照射光の波長をとってグラフにあらわす。このグラフにおいて、光感度のピークは、発電層(i層)の膜厚が厚くなるにしたがって、長波長側へ幅が大きくなることが知られている。これにより、このグラフと、予め作成された発電層(i層)の膜厚と光感度との相関関係についての指標とを比較することにより、発電層(i層)の膜厚が求められる。
【0009】
また、従来の発電層(i層)の膜厚測定方法の第4の例として、反射率スペクトル測定による膜厚測定方法が知られている。この反射率スペクトル測定による膜厚測定方法では、暗室と分光器とを備えた検査装置を用いて、照射光に対して発電層(i層)により吸収されなかった分の光の反射率スペクトルを測定する。そして、測定した反射率スペクトルの強度を縦軸にとるとともに、照射光の波長を横軸にとってグラフにあらわす。このグラフでは、反射率スペクトルの縦軸方向への立ち上がりの角度は、発電層(i層)の膜厚が厚くなるにしたがって小さくなることが知られている。これにより、このグラフと、予め作成された発電層(i層)の膜厚と反射率スペクトルとの相関関係についての指標とを比較することにより、発電層(i層)の膜厚が求められる。
【0010】
【特許文献1】
特開平5−251723号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
上記した表面粗さ計による測定方法では、ドライエッチングを行うため、光起電力装置を非破壊で検査することが困難であるという問題点がある。また、上記した断面SEM観察による測定方法でも、光起電力装置を切断するため、光起電力装置を非破壊で検査することが困難であるという問題点がある。
【0013】
また、上記した光感度測定による発電層(i層)の膜厚測定方法および反射率スペクトル測定による発電層(i層)の膜厚測定方法では、非破壊で検査することが可能である一方、分光器と暗室とを備えた専用の検査装置が必要となるという不都合があった。これにより、検査装置の構成が複雑になるという問題点があった。その結果、簡単な装置構成で、発電層(i層)の膜厚を測定するのは困難であった。
【0014】
上記のように、従来では、非破壊、かつ、簡単な装置構成で、光起電力装置の発電層(i層)の膜厚を検査するのは困難であった。
【0015】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成で、光起電力装置の発電層(i層)の膜厚を検出することが可能な光起電力装置の検査方を提供することである。
【0016】
【0017】
【0018】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明の第1の局面による光起電力装置の検査方法は、少なくとも1つのpin接合を有する光起電力装置に交流電圧を印加するステップと、交流電圧が印加された光起電力装置のアドミッタンスを検出するとともに、アドミッタンスに基づいて、pin接合を構成するi層の膜厚を測定するステップを含む。
【0019】
この第1の局面による光起電力装置の検査方法では、上記のように、少なくとも1つのpin接合を有する光起電力装置に交流電圧を印加するとともに、光起電力装置のアドミッタンスを検出することによって、光照射設備などを必要とせず、かつ、非破壊で、pin接合を構成するi層(発電層)の膜厚を検出することができる。これにより、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成で、光起電力装置のi層の膜厚を検出することができる。
【0020】
【0021】
上記第1の局面による光起電力装置の検査方法において、好ましくは、pin接合を構成するi層は、アモルファスシリコン層を含む。このように構成すれば、アモルファス光起電力装置などにおいて、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成でpin接合を構成するi層の膜厚を測定することができる。なお、この点は、実験により確認済である。
【0022】
【0023】
【0024】
上記第1の局面による光起電力装置の検査方法において、好ましくは、光起電力装置に印加される交流電圧の周波数は、5×101Hz以上5×105Hz以下に設定されている。この周波数範囲であれば、アドミッタンス位相角が90°に近くなるので、精度を低下させることなく、コンデンサ容量Cを求める近似式C=|Y|/ω(|Y|はアドミッタンスの絶対値、ωは周波数)を用いることができる。これにより、精度を低下させることなく、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成でpin接合を構成するi層の膜厚を測定することができる。
【0025】
【0026】
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0028】
図1は、本発明の一実施形態による光起電力装置の検査方法に用いる検査装置の基本回路図である。図2は、アドミッタンス(Y)とコンデンサ容量(C)との関係を示した図である。図3は、短絡のない正常なpin接合を有するアモルファスシリコン光起電力装置のアドミッタンス位相角(θ)と測定周波数(ω)との相関関係を示した図である。図4は、表面粗さ計による測定方法から求めた発電層(i層)の膜厚とコンデンサ容量(C)の逆数との関係を示した図である。まず、図1〜図4を参照して、本発明の一実施形態による光起電力装置の検査方法である、pin接合を構成するi層の膜厚測定方法について説明する。
【0029】
本実施形態によるpin接合を構成するi層の膜厚測定方法には、図1に示すように、インピーダンスアナライザまたはLCRメータからなる出力検出部1が用いられる。出力検出部1は、交流電圧を印加したときのpin接合を有する光起電力装置のユニットセルの応答出力を計測するために用いられる。この出力検出部1は、図1に示すように、交流電源2と、バイアス用直流電源3と、電流計4と、電圧計5とを備えている。なお、この交流電源2は、本発明における「交流電圧印加部」の一例である。また、交流電源2と、バイアス用直流電源3と、電流計4とは、それぞれ直列に接続されている。交流電源2は、電圧0.05V、周波数10Hz〜5×105Hzの交流電圧を印加することが可能である。また、バイアス用直流電源3からは、応答出力の計測中は常に0〜−1Vの電圧が印加されている。
【0030】
また、pin接合を有する光起電力装置のユニットセルは、図1に示すように、シャント抵抗成分(Rsh)と、コンデンサ容量成分(C)との並列回路と見なすことができる。一般的に、コンデンサ容量(C)は、次の式(1)のように表される。
【0031】
C=ε0εS/d …(1)
ここで、Cはコンデンサ容量(F)、ε0は真空誘電率(8.854×10-12F/m2)、εは比誘電率(F/m2)、Sは電極面積(m2)(ここではユニットセルの電極の面積)、dは電極間距離(m)(ここでは発電層(i層)の膜厚)である。
【0032】
上記式(1)を変形すると、次の式(2)のように表すことができる。
【0033】
d=ε0εS/C …(2)
また、アドミッタンス(Y)とコンデンサ容量(C)との関係は、次の式(3)のように表される。
【0034】
|Y|={(ωC)2+(1/Rsh)2}1/2 …(3)
ここで、ωは測定時に印加する交流電圧の周波数(以下、測定周波数と記す)(Hz)、Rshはシャント抵抗(Ω)である。
【0035】
また、上記式(3)の関係は、図2のように表すことができる。図2中において、θは、アドミッタンス位相角(°)である。
【0036】
また、上記式(3)において、シャント抵抗(Rsh)が十分に大きい場合には、1/Rshは、0に近づくので、1/Rshの項を無視することができる。この場合には、上記式(3)は次の式(4)のように近似することができる。
【0037】
|Y|=ωC …(4)
上記式(4)の近似式を変形すると、次の式(5)のような近似式になる。
【0038】
C=|Y|/ω …(5)
シャント抵抗(Rsh)が十分に大きい場合には、上記近似式(5)を用いて、測定したアドミッタンス(Y)と測定時の交流電圧の周波数(ω)とからコンデンサ容量(C)を求めることができる。
【0039】
なお、シャント抵抗(Rsh)が十分に大きい場合には、1/Rshは0に近づくので、図2から、アドミッタンス位相角(θ)が90°に近づくことがわかる。この場合には、上記近似式(5)を精度良く適用することができることがわかる。
【0040】
上記近似式(5)を用いて精度良く膜厚を測定するためには、アドミッタンス位相角(θ)が90°に近くなるような適切な測定周波数(ω)を選択する必要がある。適切な測定周波数とは、発電層であるi層のみが誘電体として振るまうとともに、その他の半導体層(p層、n層、透明導電膜など)は導電体として振るまうような周波数である。適切な測定周波数よりも周波数が高い場合には、発電層(i層)以外の半導体層中のキャリアが、印加された交流電圧に追従することができなくなるので発電層(i層)以外の半導体層も誘電体として振るまう。この場合、コンデンサ容量(C)が小さくなるので、図2から、アドミッタンス位相角(θ)も小さくなる。また、適切な測定周波数よりも周波数が低い場合には、発電層(i層)以外の半導体層中のキャリアが印加された交流電圧に追従して発電層(i層)中に注入されるので、発電層(i層)を含めたすべての半導体層が導電体として振るまう。この場合、シャント抵抗(Rsh)が小さくなるので、図2から、アドミッタンス位相角(θ)も小さくなる。
【0041】
図3には、短絡のない正常なpin接合を有するアモルファスシリコン光起電力装置について測定したアドミッタンス位相角(θ)と測定周波数(ω)との相関関係が示される。図3を参照して、短絡のない正常なpin接合を有するアモルファスシリコン光起電力装置では、測定周波数(ω)が約3×104Hzの時にアドミッタンス位相角(θ)は約89°の最大値を示した。また、図3から、適切な測定周波数範囲(ω)は、5×101Hz〜5×105Hzの範囲であると考えられる。測定周波数(ω)が、この範囲より大きい場合または小さい場合には、アドミッタンス位相角(θ)が急激に低下するので、コンデンサ容量(C)を求めるのに上記近似式(5)を適用するのが困難となるからである。
【0042】
また、図4には、5×101Hz〜5×105Hzの範囲の適切な測定周波数(ω)において測定したアドミッタンス(Y)から上記近似式(5)を用いて求めたコンデンサ容量(C)の逆数と、従来知られている表面粗さ計による測定方法で測定した発電層(i層)の膜厚(d)との関係が示されている。図4を参照して、コンデンサ容量(C)の逆数と、表面粗さ計による測定方法で測定した発電層(i層)の膜厚(d)とは、正比例の関係を示すことがわかった。この正比例関係は、上記式(2)に表した関係と一致する。したがって、図4の正比例関係の比例定数をAとすると、上記式(2)から次の式(6)のように表すことができる。
【0043】
A=ε0εS …(6)
上記式(6)に対して、ε0には真空誘電率(8.854×10-12F/m2)、Sにはユニットセルの電極面積の実測値、およびAには図4の正比例関係から求めた比例定数を代入することによって、短絡のない正常なpin接合を有するアモルファスシリコン光起電力装置における比誘電率ε=13.3〜13.4が求められた。
【0044】
上記近似式(5)によって求めたコンデンサ容量(C)と、上記のようにして求めた比誘電率(ε)とを上記式(2)に代入することによって、発電層(i層)の膜厚(d)が求められる。
【0045】
次に、本発明の参考形態による光起電力装置の検査方法のうち、pin接合の短絡成分の検出方法について説明する。
【0046】
pin接合に短絡が生じた場合には、シャント抵抗(Rsh)が低下する。シャント抵抗(Rsh)が低下することにより1/Rshは増大するので、図2から、アドミッタンス位相角(θ)は低下することがわかる。これにより、アドミッタンス位相角(θ)を監視することによって、pin接合の短絡を検出することができる。
【0047】
図5は、シャント抵抗成分(Rsh)の異なる4つのpin接合アモルファスシリコン光起電力装置の電流(I)−電圧(V)曲線とアドミッタンス位相角(θ)との関係を示した図である。図5を参照して、電流(I)−電圧(V)曲線において、直線B1、B2、B3およびB4の傾きがそれぞれのユニットセルのシャント抵抗(Rsh)に相当する。シャント抵抗(Rsh)が小さくなるとアドミッタンス位相角(θ)が急激に低下することがわかる。また、実験結果から、アドミッタンス位相角(θ)が80°未満となるユニットセルでは、ピンホールやユニットセルの分離部での導通などに起因するpin接合の短絡不良がある可能性が高いことがわかった。なお、ピンホールでの導通に起因する短絡不良は、光起電力装置の作成時に発生したピンホールに金属電極の溶融物が入り込むことによって、金属電極と透明導電膜(裏面側)とを導電可能とする導通部が形成されることに起因して発生する。また、ユニットセルの分離部での導通に起因する短絡不良は、レーザを用いて1つの光起電力装置を複数のユニットセルに分離する時に金属電極の飛散物がユニットセルの分離部の内壁に付着することによって、金属電極と透明導電膜(裏面側)とを導電可能とする導通部が形成されることに起因して発生する。
【0048】
図6は、上記した光起電力装置の検査方法を複数のユニットセルを含む集積型光起電力装置に適用する場合の検査装置の構成を示した概略図である。次に、図6を参照して、本発明の一実施形態による集積型光起電力装置用の検査装置の構成について説明する。
【0049】
本発明の参考形態による集積型光起電力装置用の検査装置は、図6に示すように、プローブユニット6と計測ユニット7とを備えている。プローブユニット6と計測ユニット7とは、信号ケーブル8によって接続されている。プローブユニット6は、集積型光起電力装置100の複数のユニットセル100aの電極に同時に接点を取ることができる複数のスプリングプローブ9を備えている。また、計測ユニット7は、コントローラ、接点切替スイッチ、記憶装置、LCRメータおよびプログラマブル電源によって構成されている。接点切替スイッチは、一対のスプリングプローブ9間を順次測定していくためのスイッチ制御を行うために設けられている。記憶装置は、計測された膜厚の値などを記録するために設けられている。LCRメータは、ユニットセル100aに交流電圧を印加するとともに、交流電圧印加時のユニットセル100aのアドミッタンス(Y)やアドミッタンス位相角(θ)を測定するために設けられている。なお、LCRメータは、本発明の「交流電圧印加部」および「出力検出部」の一例である。プログラマブル電源は、パルス状の逆バイアス電圧(電圧0.5V〜5V、電流リミット0.1A、印加時間0.1秒〜1秒)を印加するために設けられている。
【0050】
次に、図6を参照して、上記の集積型光起電力装置用の検査装置の動作について説明する。この集積型光起電力装置用の検査装置では、発電層(i層)の膜厚の測定およびpin接合の短絡成分の検出を行うとともに、pin接合の短絡成分を検出した場合には、その短絡不良を修復する。
【0051】
まず、プローブユニット6の複数のスプリングプローブ9によって、集積型光起電力装置100の複数のユニットセル100aの電極に対して同時に接点が取られる。そして、計測ユニット7のLCRメータによって複数のユニットセル100aに対して、交流電圧が印加される。印加された交流電圧に対する応答として、すべてのユニットセル100aから電気信号がスプリングプローブ9およびプローブユニット6を介して計測ユニット7へ送られる。この際、接点切替スイッチによって、隣り合う1対のスプリングプローブ9間の電気信号のみが計測ユニット7に送られるとともに、順次、隣のスプリングプローブ9間の電気信号が送られるようにスイッチ制御が行われる。なお、一対のスプリングプローブ9間は、1つのユニットセル100aに相当するので、接点切替スイッチのスイッチ制御により、印加された交流電圧に対する各ユニットセル100aの応答出力(電気信号)が検知される。
【0052】
そして、検知された各ユニットセル100aの応答出力に基づいて、LCRメータにより各ユニットセル100aのアドミッタンス(Y)およびアドミッタンス位相角(θ)が計測される。測定されたアドミッタンス位相角(θ)が80°以上の場合には、上記式(2)および上記近似式(5)を用いることにより、発電層の膜厚(d)の計算が行われる。そして、算出された発電層の膜厚(d)の値が記憶装置に記録される。その後、続いて、隣のユニットセル100aの計測が行われる。
【0053】
ここで、本実施形態では、測定されたアドミッタンス位相角(θ)が80°未満の場合には、短絡不良であると判断し、そのユニットセル100aのみにプログラマブル電源によってパルス状の逆バイアス電圧(電圧0.5V〜5V、電流リミット0.1A、印加時間0.1秒〜1秒)を印加する。これにより、ピンホールやユニットセル100aの分離部で形成されている導通部が焼き切られたり、酸化による導通部の絶縁体化が行われたりすることによって、短絡不良を修復する。そして、その逆バイアス電圧を印加したユニットセルについて、再度、LCRメータによりアドミッタンス位相角(θ)の計測が行われる。アドミッタンス位相角(θ)が80°以上になれば、発電層(i層)の膜厚(d)が計算された後、記憶装置に発電層の膜厚(d)の値が記録される。アドミッタンス位相角(θ)が80°以上にならない場合は、再度、パルス状の逆バイアス電圧の印加が行われる。パルス状の逆バイアス電圧の印加とアドミッタンス位相角(θ)の計測とを何度か繰り返しても、アドミッタンス位相角(θ)が80°以上にならない場合は、隣のユニットセル100aの計測に移る。
【0054】
図7は、短絡不良箇所の多い集積型光起電力装置の初期状態と、図6に示した検査装置を用いてパルス電圧処理を行った後とのアドミッタンス位相角(θ)の分布を比較した図である。図8は、図7で用いた短絡不良箇所の多い集積型光起電力装置について、アドミッタンス(Y)から計算された発電層(i層)の膜厚の分布を示した図である。
【0055】
図7を参照して、初期状態において、アドミッタンス位相角(θ)が低い値を示している集積段(ユニットセル)が、パルス電圧処理後は、アドミッタンス位相角(θ)が向上していることがわかる。すなわち、短絡不良箇所が修復されていることがわかる。この集積型光起電力装置の出力電力は、初期状態の23.5Wからパルス電圧処理後には26.3Wとなり、約12%向上した。
【0056】
また、図8を参照して、測定したアドミッタンス(Y)の値から計算された発電層(i層)の膜厚(d)は、300nm近傍の値を示している。この値は、発電層(i層)の設計膜厚とほぼ一致している。また、集積段数が1〜15付近と、65〜80付近とでは、膜厚が300nmよりも若干小さくなる傾向を示している。この傾向は、膜厚の実測値の傾向と一致している。なお、図8中には、発電層(i層)の膜厚が局所的に小さくなっている集積段(ユニットセル)が見られる。この集積段(ユニットセル)は、図7から、パルス電圧処理を施してもアドミッタンス位相角(θ)があまり向上しなかった集積段(ユニットセル)であることがわかる。すなわち、この集積段(ユニットセル)では、パルス電圧処理を施してもpin接合の短絡不良が修復されなかったと考えられる。このため、この集積段(ユニットセル)では、正確な測定が行われていないので、図8中の局所的に小さな膜厚の値は、その集積段の実際の発電層の膜厚(d)を示していないと考えられる。
【0057】
本参考形態では、上記のように、少なくとも1つのpin接合を有する光起電力装置に交流電圧を印加するとともに、光起電力装置のアドミッタンス(Y)およびアドミッタンス位相角(θ)を検出することによって、光照射設備などを必要とせず、かつ、非破壊で、pin接合の短絡成分を検出することができる。これにより、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成で、pin接合の短絡成分を検出することができる。
【0058】
また、本参考形態では、短絡成分を検出したpin接合に、バイアス電圧を印加することによって、短絡不良を修復することによって、短絡不良を検出したpin接合を検査工程中で修復することができる。
【0059】
また、本参考形態では、光起電力装置に印加される交流電圧の周波数を5×101Hz以上5×105Hz以下に設定することによって、アドミッタンス位相角が90°に近くなるので、精度を低下させることなく、容量Cを求める近似式C=|Y|/ωを用いることができる。これにより、精度を低下させることなく、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成でpin接合を構成するi層の膜厚を測定することができる。また、上記の周波数範囲であれば、pin接合の短絡不良があった場合に発生するシャント抵抗Rshの低下をアドミッタンス位相角の変化を監視することにより、明確に検出することができる。これにより、確実に、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成でpin接合の短絡成分を検出することができる。
【0060】
また、本参考形態では、pin接合を有する光起電力装置に交流電圧を印加するとともに、交流電圧が印加された光起電力装置のアドミッタンスおよびアドミッタンス位相角を検出するLCRメータを含む計測ユニット7を設けることによって、光照射設備などを必要とせず、かつ、非破壊で、pin接合を構成するi層の膜厚やpin接合の短絡成分などの光起電力装置の出力特性を検出することができる。これにより、非破壊、かつ、簡単な検査装置の構成で、光起電力装置の出力特性を検出することができる。
【0061】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【0062】
【0063】
また、図6に示した集積型光起電力装置用の検査装置では、交流電圧を印加するとともに、アドミッタンスおよびアドミッタンス位相角を検出するものとしてLCRメータを用いたが、本発明はこれに限らず、インピーダンスアナライザなどの他の同様の機能を有する装置を用いても良い。
【0064】
また、上記実施形態では、pin接合を構成するi層がアモルファスシリコン層によって形成されている光起電力装置に対して、本発明の検査装置および検査方法を適用したが、本発明はこれに限らず、i層がアモルファスシリコン以外の材料からなる層によって形成された光起電力装置に適用しても良い。たとえば、i層が結晶系シリコン層などによって形成された光起電力装置に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態による光起電力装置の検査方法に用いる検査装置の基本回路図である。
【図2】 アドミッタンス(Y)とコンデンサ容量(C)との関係を示した図である。
【図3】 短絡のない正常なpin接合を有するアモルファスシリコン光起電力装置のアドミッタンス位相角(θ)と測定周波数(ω)との相関関係を示した図である。
【図4】 表面粗さ計による測定方法から求めた発電層(i層)の膜厚とコンデンサ容量(C)の逆数との関係を示した図である。
【図5】 シャント抵抗成分(Rsh)の異なる4つのpin接合アモルファスシリコン光起電力装置の電流(I)−電圧(V)曲線とアドミッタンス位相角(θ)との関係を示した図である。
【図6】 上記した光起電力装置の検査方法を複数のユニットセルを含む集積型光起電力装置に適用する場合の検査装置の構成を示した概略図である。
【図7】 短絡不良箇所の多い集積型光起電力装置の初期状態と、図6に示した検査装置を用いてパルス電圧処理を行った後とのアドミッタンス位相角(θ)の分布を比較した図である。
【図8】 図7で用いた短絡不良箇所の多い集積型光起電力装置について、アドミッタンス(Y)から計算された発電層(i層)の膜厚の分布を示した図である。
【符号の説明】
1 出力検出部
2 交流電源(交流電圧印加部)
3 バイアス用直流電源
4 電流計
5 電圧計
6 プローブユニット
7 計測ユニット
8 信号ケーブル
9 スプリングプローブ
100 集積型光起電力装置
100a ユニットセル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photovoltaic device inspection apparatus and inspection method, and in particular, a photovoltaic device for inspecting a photovoltaic device having a pin junction.InspectionRegarding the inspection method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various photovoltaic devices (solar cells) having a pin junction are known (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[0004]
Conventionally, an integrated photovoltaic device as disclosed in
[0005]
[0006]
For exampleAs a first example of the conventional method for measuring the film thickness of the power generation layer (i layer), a measurement method using a surface roughness meter is known. In this measurement method using a surface roughness meter, first, a photoresist is formed on a part of a portion where a metal electrode of a photovoltaic device and a pin layer without a transparent conductive film are exposed. Then, using the photoresist as a mask, Freon gas (CFFour) And oxygen gas (O2) And dry etching the pin layer using a mixed gas, and then the photoresist is removed. After this, the height of the step between the portion covered with the mask and the portion from which the pin layer was removed by dry etching was measured using a surface roughness meter provided with a needle-like measuring portion at the tip. By measuring, the total film thickness of the pin layer is measured. And the film thickness of i layer is calculated | required by deducting the design film thickness of the film thickness of p layer and n layer from the total film thickness of the measured pin layer.
[0007]
Further, as a second example of the conventional method for measuring the film thickness of the power generation layer (i layer), a measurement method by cross-sectional SEM (Scanning Electron Microscope) observation is known. In this measurement method by cross-sectional SEM observation, first, a predetermined portion of the photovoltaic device is cut in a direction perpendicular to the surface of the photovoltaic device to expose the section of the photovoltaic device. And the total film thickness of a pin layer is measured by measuring the distance between two interfaces of a pin layer and the other layer formed in the upper and lower sides of a pin layer using SEM. And the film thickness of i layer is calculated | required by deducting the design film thickness of p layer and n layer from the total film thickness of a pin layer.
[0008]
Further, as a third example of the conventional method for measuring the film thickness of the power generation layer (i layer), a film thickness measurement method based on photosensitivity measurement is known. In this film thickness measurement method based on photosensitivity measurement, first, the photosensitivity of the power generation layer (i layer) with respect to light irradiation is measured using an inspection apparatus including a dark room and a spectroscope. The measured light sensitivity is plotted on the vertical axis, and the wavelength of the irradiated light is plotted on the horizontal axis. In this graph, it is known that the peak of the photosensitivity increases in width toward the longer wavelength side as the film thickness of the power generation layer (i layer) increases. Thereby, the film thickness of a power generation layer (i layer) is calculated | required by comparing this graph with the parameter | index about the correlation of the film thickness of the power generation layer (i layer) and the photosensitivity created beforehand.
[0009]
Further, as a fourth example of the conventional film thickness measurement method for the power generation layer (i layer), a film thickness measurement method by reflectance spectrum measurement is known. In this film thickness measurement method by reflectance spectrum measurement, an inspection apparatus having a dark room and a spectroscope is used, and the reflectance spectrum of light that is not absorbed by the power generation layer (i layer) with respect to irradiation light is obtained. taking measurement. The intensity of the measured reflectance spectrum is plotted on the vertical axis, and the wavelength of irradiation light is plotted on the horizontal axis. In this graph, it is known that the rising angle of the reflectance spectrum in the vertical axis direction becomes smaller as the film thickness of the power generation layer (i layer) increases. Thereby, the film thickness of the power generation layer (i layer) is obtained by comparing this graph with the index about the correlation between the film thickness of the power generation layer (i layer) and the reflectance spectrum prepared in advance. .
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-5-251723
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
[0012]
UpThe measurement method using the surface roughness meter described above has a problem that it is difficult to non-destructively inspect the photovoltaic device because dry etching is performed. In addition, the above-described measurement method by cross-sectional SEM observation also has a problem that it is difficult to non-destructively inspect the photovoltaic device because the photovoltaic device is cut.
[0013]
In addition, the above-described film thickness measuring method of the power generation layer (i layer) by photosensitivity measurement and the film thickness measurement method of the power generation layer (i layer) by reflectance spectrum measurement can be inspected nondestructively, There is an inconvenience that a dedicated inspection apparatus including a spectroscope and a darkroom is required. As a result, the configuration of the inspection apparatus becomes complicated. As a result, it was difficult to measure the film thickness of the power generation layer (i layer) with a simple apparatus configuration.
[0014]
As described above, the conventional photovoltaic device has a non-destructive and simple device configuration.DepartureIt was difficult to inspect the thickness of the electric layer (i layer).
[0015]
The present invention has been made to solve the above-described problems.ofThe purpose is a non-destructive and simple inspection device configuration, a photovoltaic deviceofIt is to provide a method for inspecting a photovoltaic device capable of detecting a film thickness of a power generation layer (i layer).
[0016]
[0017]
[0018]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
A photovoltaic device inspection method according to a first aspect of the present invention includes a step of applying an alternating voltage to a photovoltaic device having at least one pin junction, and a photovoltaic device to which the alternating voltage is applied.Detecting the admittance and measuring the film thickness of the i layer constituting the pin junction based on the admittance.
[0019]
In the photovoltaic device inspection method according to the first aspect, as described above, an AC voltage is applied to the photovoltaic device having at least one pin junction, and the photovoltaic deviceAdmittanceBy detecting the film thickness of the i layer (power generation layer) that does not require light irradiation equipment and is nondestructive and forms a pin junctionTheCan be detected. As a result, the film thickness of the i layer of the photovoltaic device can be obtained with a non-destructive and simple inspection device configuration.TheCan be detected.
[0020]
[0021]
In the photovoltaic device inspection method according to the first aspect, preferably, the i layer constituting the pin junction includes an amorphous silicon layer. If comprised in this way, in an amorphous photovoltaic apparatus etc., the film thickness of i layer which comprises a pin junction can be measured by the structure of a non-destructive and simple test | inspection apparatus. This point has been confirmed by experiments.
[0022]
[0023]
[0024]
In the photovoltaic device inspection method according to the first aspect, preferably, the frequency of the alternating voltage applied to the photovoltaic device is 5 × 10 5.15 × 10 Hz or moreFiveIt is set to Hz or less. In this frequency range, since the admittance phase angle is close to 90 °, an approximate expression C = | Y | / ω (| Y | is an absolute value of admittance, ω Frequency) can be used. Thereby, the thickness of the i layer constituting the pin junction can be measured with a non-destructive and simple configuration of the inspection apparatus without degrading accuracy..
[0025]
[0026]
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a basic circuit diagram of an inspection device used in a photovoltaic device inspection method according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between admittance (Y) and capacitor capacity (C). FIG. 3 is a diagram showing the correlation between the admittance phase angle (θ) and the measurement frequency (ω) of an amorphous silicon photovoltaic device having a normal pin junction without a short circuit. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the power generation layer (i layer) and the reciprocal of the capacitor capacity (C) obtained from the measurement method using a surface roughness meter. First, referring to FIGS. 1 to 4, a photovoltaic device inspection method according to an embodiment of the present invention.IsA method for measuring the film thickness of the i layer constituting the pin junction will be described.
[0029]
As shown in FIG. 1, an
[0030]
Further, as shown in FIG. 1, the unit cell of the photovoltaic device having a pin junction has a shunt resistance component (Rsh) And a capacitor capacity component (C). Generally, the capacitor capacity (C) is expressed as the following formula (1).
[0031]
C = ε0εS / d (1)
Where C is the capacitor capacity (F), ε0Is the vacuum dielectric constant (8.854 × 10-12F / m2), Ε is the relative dielectric constant (F / m2), S is the electrode area (m2) (Here, the area of the electrode of the unit cell), d is the distance (m) between the electrodes (here, the film thickness of the power generation layer (i layer)).
[0032]
When the above equation (1) is modified, it can be expressed as the following equation (2).
[0033]
d = ε0εS / C (2)
Further, the relationship between the admittance (Y) and the capacitor capacity (C) is expressed as the following equation (3).
[0034]
| Y | = {(ωC)2+ (1 / Rsh)2}1/2 ... (3)
Here, ω is the frequency of AC voltage applied during measurement (hereinafter referred to as measurement frequency) (Hz), RshIs a shunt resistance (Ω).
[0035]
Moreover, the relationship of the said Formula (3) can be expressed like FIG. In FIG. 2, θ is an admittance phase angle (°).
[0036]
In the above formula (3), the shunt resistance (Rsh) Is sufficiently large, 1 / RshIs close to 0, so 1 / RshCan be ignored. In this case, the above equation (3) can be approximated as the following equation (4).
[0037]
| Y | = ωC (4)
When the approximate expression of the above expression (4) is modified, an approximate expression such as the following expression (5) is obtained.
[0038]
C = | Y | / ω (5)
Shunt resistance (Rsh) Is sufficiently large, the capacitor capacity (C) can be obtained from the measured admittance (Y) and the frequency (ω) of the alternating voltage at the time of measurement using the approximate expression (5).
[0039]
In addition, shunt resistance (Rsh) Is sufficiently large, 1 /
[0040]
In order to accurately measure the film thickness using the approximate expression (5), it is necessary to select an appropriate measurement frequency (ω) such that the admittance phase angle (θ) is close to 90 °. The appropriate measurement frequency is a frequency at which only the i layer as the power generation layer swings as a dielectric, and other semiconductor layers (p layer, n layer, transparent conductive film, etc.) swing as conductors. When the frequency is higher than an appropriate measurement frequency, carriers in the semiconductor layer other than the power generation layer (i layer) cannot follow the applied AC voltage, so that the semiconductor other than the power generation layer (i layer). The layer also behaves as a dielectric. In this case, since the capacitor capacity (C) is reduced, the admittance phase angle (θ) is also reduced from FIG. When the frequency is lower than the appropriate measurement frequency, carriers in the semiconductor layer other than the power generation layer (i layer) are injected into the power generation layer (i layer) following the applied AC voltage. All the semiconductor layers including the power generation layer (i layer) swing as conductors. In this case, shunt resistance (Rsh) Becomes smaller, the admittance phase angle (θ) also becomes smaller from FIG.
[0041]
FIG. 3 shows the correlation between the admittance phase angle (θ) and the measurement frequency (ω) measured for an amorphous silicon photovoltaic device having a normal pin junction without a short circuit. Referring to FIG. 3, in an amorphous silicon photovoltaic device having a normal pin junction without a short circuit, the measurement frequency (ω) is about 3 × 10FourAt Hz, the admittance phase angle (θ) showed a maximum value of about 89 °. Also, from FIG. 3, the appropriate measurement frequency range (ω) is 5 × 101Hz to 5 × 10FiveIt is considered to be in the Hz range. When the measurement frequency (ω) is larger or smaller than this range, the admittance phase angle (θ) rapidly decreases. Therefore, the approximate expression (5) is applied to obtain the capacitor capacity (C). This is because it becomes difficult.
[0042]
Also, in FIG. 4, 5 × 101Hz to 5 × 10FiveThe reciprocal of the capacitor capacity (C) obtained from the admittance (Y) measured at an appropriate measurement frequency (ω) in the range of Hz using the above approximate expression (5), and measurement using a conventionally known surface roughness meter The relationship with the film thickness (d) of the power generation layer (i layer) measured by the method is shown. Referring to FIG. 4, it was found that the reciprocal of the capacitor capacity (C) and the film thickness (d) of the power generation layer (i layer) measured by the measuring method using the surface roughness meter showed a direct proportional relationship. . This direct proportionality coincides with the relation expressed in the above formula (2). Therefore, when the proportionality constant of the direct proportional relationship in FIG. 4 is A, it can be expressed as the following equation (6) from the above equation (2).
[0043]
A = ε0εS (6)
For the above equation (6), ε0The vacuum dielectric constant (8.854 × 10-12F / m2In the amorphous silicon photovoltaic device having a normal pin junction without a short circuit, by substituting the measured value of the electrode area of the unit cell for S and the proportionality constant obtained from the direct proportional relationship of FIG. The relative dielectric constant ε = 13.3 to 13.4 was obtained.
[0044]
By substituting the capacitor capacity (C) obtained by the approximate expression (5) and the relative dielectric constant (ε) obtained as described above into the above expression (2), the film of the power generation layer (i layer) The thickness (d) is required.
[0045]
Next, the present inventionreferenceAmong the inspection methods for the photovoltaic device according to the embodiment, a method for detecting a short circuit component of the pin junction will be described.
[0046]
If a short circuit occurs at the pin junction, the shunt resistor (Rsh) Decreases. Shunt resistance (Rsh) Decreases to 1 / RshFrom FIG. 2, it can be seen that the admittance phase angle (θ) decreases. Thereby, a short circuit of the pin junction can be detected by monitoring the admittance phase angle (θ).
[0047]
FIG. 5 shows the shunt resistance component (RshFIG. 4 is a diagram showing a relationship between current (I) -voltage (V) curves and admittance phase angles (θ) of four pin junction amorphous silicon photovoltaic devices having different). Referring to FIG. 5, in the current (I) -voltage (V) curve, the slopes of straight lines B1, B2, B3 and B4 indicate the shunt resistance (Rsh). Shunt resistance (Rsh) Decreases, the admittance phase angle (θ) decreases rapidly. Also, from the experimental results, in a unit cell with an admittance phase angle (θ) of less than 80 °, there is a high possibility that there is a short-circuit failure in the pin junction due to pinholes or conduction at the separation portion of the unit cell. all right. In addition, short circuit failure due to conduction in the pinhole can be conducted between the metal electrode and the transparent conductive film (back side) by the melt of the metal electrode entering the pinhole generated during the creation of the photovoltaic device. This occurs due to the formation of a conducting part. In addition, a short circuit failure caused by conduction in the separation portion of the unit cell is caused by the scattering of metal electrodes on the inner wall of the separation portion of the unit cell when a single photovoltaic device is separated into a plurality of unit cells using a laser. The adhesion occurs due to the formation of a conductive portion that can conduct the metal electrode and the transparent conductive film (back surface side).
[0048]
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of an inspection apparatus when the above-described inspection method for a photovoltaic apparatus is applied to an integrated photovoltaic apparatus including a plurality of unit cells. Next, with reference to FIG. 6, the configuration of an inspection apparatus for an integrated photovoltaic device according to an embodiment of the present invention will be described.
[0049]
Of the present inventionreferenceThe inspection apparatus for an integrated photovoltaic device according to the embodiment includes a
[0050]
Next, the operation of the inspection apparatus for the integrated photovoltaic device will be described with reference to FIG. In this inspection apparatus for an integrated photovoltaic device, the film thickness of the power generation layer (i layer) is measured and the short-circuit component of the pin junction is detected, and when the short-circuit component of the pin junction is detected, the short-circuit is detected. Repair the defect.
[0051]
First, contacts are made simultaneously to the electrodes of the plurality of
[0052]
Based on the detected response output of each
[0053]
Here, in the present embodiment, when the measured admittance phase angle (θ) is less than 80 °, it is determined that the short circuit is defective, and the pulsed reverse bias voltage ( Voltage 0.5V to 5V, current limit 0.1A, application time 0.1 second to 1 second). As a result, the conduction part formed by the pinhole or the separation part of the
[0054]
FIG. 7 compares the admittance phase angle (θ) distribution between the initial state of the integrated photovoltaic device having many short-circuit defects and the pulse voltage processing using the inspection device shown in FIG. FIG. FIG. 8 is a diagram showing the distribution of the film thickness of the power generation layer (i layer) calculated from the admittance (Y) for the integrated photovoltaic device having many short-circuit defects used in FIG.
[0055]
Referring to FIG. 7, in the initial state, the admittance phase angle (θ) of the integrated stage (unit cell) showing a low value of admittance phase angle (θ) is improved after the pulse voltage processing. I understand. That is, it can be seen that the short-circuit defective portion is repaired. The output power of this integrated photovoltaic device increased from about 23.5 W in the initial state to 26.3 W after the pulse voltage process, an improvement of about 12%.
[0056]
In addition, referring to FIG. 8, the film thickness (d) of the power generation layer (i layer) calculated from the measured value of admittance (Y) shows a value in the vicinity of 300 nm. This value almost coincides with the design film thickness of the power generation layer (i layer). In addition, when the number of integrated stages is around 1 to 15 and around 65 to 80, the film thickness tends to be slightly smaller than 300 nm. This tendency coincides with the tendency of the actually measured value of the film thickness. In FIG. 8, an integrated stage (unit cell) in which the thickness of the power generation layer (i layer) is locally small can be seen. It can be seen from FIG. 7 that this integrated stage (unit cell) is an integrated stage (unit cell) in which the admittance phase angle (θ) has not improved much even when pulse voltage processing is performed. That is, in this integrated stage (unit cell), it is considered that the short circuit failure of the pin junction was not repaired even when the pulse voltage process was performed. Therefore, since accurate measurement is not performed in this integrated stage (unit cell), the value of the locally small film thickness in FIG. 8 is the film thickness (d) of the actual power generation layer in the integrated stage. It is thought that it does not show.
[0057]
BookreferenceIn the embodiment, as described above, the AC voltage is applied to the photovoltaic device having at least one pin junction, and the admittance (Y) and the admittance phase angle (θ) of the photovoltaic device are detected to Irradiation equipment is not required, and it is non-destructive.pA short circuit component of the in-junction can be detected. In this way, with a non-destructive and simple inspection device configuration,pA short circuit component of the in-junction can be detected.
[0058]
Also bookreferenceIn the embodiment, by applying a bias voltage to the pin junction in which the short-circuit component is detected, the short-circuit failure is repaired, so that the pin junction in which the short-circuit failure is detected can be repaired in the inspection process.
[0059]
Also bookreferenceIn the embodiment, the frequency of the AC voltage applied to the photovoltaic device is 5 × 1015 × 10 Hz or moreFiveBy setting the frequency to be equal to or lower than Hz, the admittance phase angle becomes close to 90 °. Therefore, the approximate expression C = | Y | / ω for obtaining the capacitance C can be used without reducing the accuracy. Thereby, the film thickness of i layer which comprises a pin junction can be measured by the structure of a non-destructive and simple test | inspection apparatus, without reducing precision. In addition, within the above frequency range, the shunt resistance R generated when there is a short circuit failure of the pin junction.shCan be clearly detected by monitoring changes in the admittance phase angle. As a result, the short-circuit component of the pin junction can be reliably detected with a non-destructive and simple configuration of the inspection apparatus.
[0060]
Also bookreferenceIn the embodiment, by providing an AC voltage to the photovoltaic device having a pin junction and providing a
[0061]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
[0062]
[0063]
In the inspection apparatus for an integrated photovoltaic device shown in FIG. 6, an AC voltage is applied and an LCR meter is used to detect an admittance and an admittance phase angle. However, the present invention is not limited to this. Other devices having similar functions such as an impedance analyzer may be used.
[0064]
Moreover, in the said embodiment, although the inspection apparatus and inspection method of this invention were applied with respect to the photovoltaic apparatus in which i layer which comprises a pin junction was formed of the amorphous silicon layer, this invention is not limited to this Alternatively, the present invention may be applied to a photovoltaic device in which the i layer is formed of a layer made of a material other than amorphous silicon. For example, the present invention may be applied to a photovoltaic device in which the i layer is formed of a crystalline silicon layer or the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a basic circuit diagram of an inspection apparatus used in a photovoltaic apparatus inspection method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between admittance (Y) and capacitor capacity (C).
FIG. 3 is a diagram showing a correlation between an admittance phase angle (θ) and a measurement frequency (ω) of an amorphous silicon photovoltaic device having a normal pin junction without a short circuit.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the film thickness of the power generation layer (i layer) and the reciprocal of the capacitor capacity (C) obtained from a measurement method using a surface roughness meter.
FIG. 5 Shunt resistance component (RshFIG. 4 is a diagram showing a relationship between current (I) -voltage (V) curves and admittance phase angles (θ) of four pin junction amorphous silicon photovoltaic devices having different).
FIG. 6 is a schematic view showing a configuration of an inspection apparatus when the above-described inspection method for a photovoltaic apparatus is applied to an integrated photovoltaic apparatus including a plurality of unit cells.
FIG. 7 compares the admittance phase angle (θ) distribution between the initial state of an integrated photovoltaic device having many short-circuit defects and that after pulse voltage processing is performed using the inspection device shown in FIG. FIG.
8 is a diagram showing the distribution of the film thickness of the power generation layer (i layer) calculated from the admittance (Y) for the integrated photovoltaic device having many short-circuit defects used in FIG.
[Explanation of symbols]
1 Output detector
2 AC power supply (AC voltage application unit)
3 DC power supply for bias
4 Ammeter
5 Voltmeter
6 Probe unit
7 Measurement unit
8 Signal cable
9 Spring probe
100 Integrated photovoltaic device
100a unit cell
Claims (3)
前記交流電圧が印加された光起電力装置のアドミッタンスを検出するとともに、前記アドミッタンスに基づいて、前記pin接合を構成するi層の膜厚を測定するステップを含む、光起電力装置の検査方法。Applying an alternating voltage to a photovoltaic device having at least one pin junction;
A method for inspecting a photovoltaic device , comprising: detecting an admittance of the photovoltaic device to which the AC voltage is applied, and measuring a film thickness of an i layer constituting the pin junction based on the admittance .
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