JP4437865B2 - 太陽電池素子のシャント抵抗の連続自動測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽電池の製造プロセス、特にロール搬送方式の薄膜太陽電池の製造プロセスにおいて、太陽電池セルを構成する複数個の太陽電池素子（ユニットセル）のシャント抵抗を連続的に自動測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、環境保護の立場から、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽電池はその資源（太陽光）が無限であること、無公害であることから注目を集めている。
【０００３】
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられる。
【０００４】
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いていたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムおよび金属フィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発がすすめられている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。
【０００５】
上記の薄膜太陽電池は、フレキシブルな電気絶縁性フィルム基板上に金属電極層、薄膜半導体層からなる光電変換層および透明電極層が積層されてなる光電変換素子（またはセル）が複数形成されている。ある光電変換素子の金属電極と隣接する光電変換素子の透明電極を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の光電変換素子の金属電極と最後の光電変換素子の透明電極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、インバータにより交流化し商用電力源として交流１００Ｖを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は１００Ｖ以上が望ましく、実際には数１０個以上の素子が直列接続される。
【０００６】
このような光電変換素子とその直列接続は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成される。上記太陽電池の構成および製造方法は、例えば特開平１０−２３３５１７号公報や特願平１１−１９３０６号に記載されている。
【０００７】
前記特願平１１−１９３０６号に記載された薄膜太陽電池の構成概念図を、図４に示す。図４は、プラスチックフィルムを基板とした可撓性薄膜太陽電池の斜視図を示す。基板６１の表面に形成した単位光電変換素子６２および基板６１の裏面に形成した接続電極層６３は、レーザーパターニング加工により、それぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。このため、素子６２のアモルファス半導体部分である光電変換層６５で発生した電流は、まず透明電極層６６に集められ、次に該透明電極層領域に形成された集電孔６７を介して背面の接続電極層６３に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層領域の外側に形成された直列接続用の接続孔６８を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域の外側に延びている下電極層６４に達し、両素子の直列接続が行われている。
【０００８】
次に、前記ロール搬送方式の薄膜太陽電池の製造プロセスおよび各種装置の概要の一例を、図５に示す。図５の左側に各プロセスを示し、右側に各プロセスで使用される装置の概要を矢印で示す（詳細は、例えば特願平１１−２０９３２２号参照）。
【０００９】
装置としては、穴あけ装置５１，スパッタ装置５２，ステッピングロール方式成膜装置５３，レーザースクライバー５４，特性評価装置５５などがあり、前記各装置は、巻出し用ロール１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅおよび巻取り用ロール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、ガイドロール３、張力ロール４などを備える。
【００１０】
前述のように、薄膜太陽電池は、自動連続生産が基本であるため、太陽電池セルの特性測定においても自動化が不可欠である。現在、ソーラーシミュレータによる特性パラメータの計測、および単体の太陽電池素子（ユニットセル）のリーク電流測定によるシャント抵抗測定を、セル全数に対して行なっている。
【００１１】
次に、シャント抵抗測定について、その必要性と測定方法に関して、以下に述べる。前述のように薄膜太陽電池は、レーザーパターニング加工により小面積のユニットセルに分割して直列構造を形成することで太陽電池モジュールに必要な電圧、電流を得る構造になっている。従って分割された各ユニットが確実に分離されていることが必須であり、これを保証するため各ユニット毎にリーク電流を測定してシャント抵抗（等価的なユニット分離抵抗）を求めている。
【００１２】
製作直後のセルは大きなリーク電流が存在しているため、自動逆バイアス電圧印加装置により、まず逆バイアス電圧を印加することでこのリーク電流を取り除く。この逆バイアス電圧は、ユニットセルにピーク値が5〜10Vの正弦波交流であり、順方向と逆方向に交互に電圧が印加され、逆方向に印加された時の電流により徐々にリーク電流が減少して最小値に達する。この時のリーク電流が求めるものである。実際には逆バイアス電圧印加と同時に電流のピーク値を測定し、電圧のピーク値との比でシャント抵抗を求める。
【００１３】
シャント抵抗の測定値には、太陽電池の曲線因子の特性と、レーザーパターニング加工により付加される特性に関わるものが含まれる。後者は、レーザー加工の際、パターニング部分に一部残留する光電変換層や電極の膜が、前記リーク電流の要因となるものである。前記曲線因子による分は、レーザーパターニング加工による分に対して１％以下であり、通常は、無視可能なレベルであるが、後述するように、無視できない場合がある。
【００１４】
このシャント抵抗の測定原理について、以下に詳述する。太陽電池素子に光を当てない場合に、素子はダイオード特性を示し、図６に示すように、等価的には理想ダイオードに直列抵抗（Ｒs）と並列にシャント抵抗（Ｒsh）が接続された回路とみなされる。
【００１５】
このシャント抵抗を測定するためのリーク電流測定の自動化装置では、ピーク値が5〜10Vの交流電圧(v)を加えて、素子に流れる電流のピーク値(i)を測定し、Ｒ = v/iの関係からシャント抵抗（Ｒsh）を求めている。
【００１６】
図７はダイオードの電圧−電流特性を示すが、理想ダイオードＤに逆方向電圧が印加された場合のダイオード電流はゼロであり、素子に流れる電流はシャント抵抗に流れる電流としてよい。直列抵抗ＲSはシャント抵抗ＲSHに比べて小さい。従って、素子の端子電圧と電流の比例関係によりシャント抵抗ＲSHを求めることができる。実際の太陽電池素子においては、理想ダイオードからのずれが存在し、電圧と電流は必ずしも比例しない。しかしながら、電圧、電流が小さい領域では理想ダイオードからのずれは小さく、近似的に電圧と電流は比例関係にあるとみなしてよい。したがって実際の測定では、通常、印加電圧を５〜10Vに制限をして測定を行なっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の太陽電池のリーク電流測定によるシャント抵抗の測定においては、下記のような問題があった。
【００１８】
従来のリーク電流測定方法においては、太陽電池素子のダイオード特性のばらつきにより、5〜10Vの範囲で電流が急増し、即ち、曲線因子の非線型性が顕著に現れるものが存在して、これが、大きな測定誤差となっている。この誤差は、本来のシャント抵抗よりも大きなリーク電流を発生し、正常なユニットセルを異常と判定する問題をはらんでいる。これを防ぐためには、印加電圧をより小さくすればよいが、その場合には、測定すべき電流値が小さくなり、特別に高精度の測定器が必要で、ノイズの影響も無視できなくなる。
【００１９】
従って、低コストで、実用上問題のない精度で、リーク電流（シャント抵抗）の連続自動測定を行うためには、低電圧（必然的に低電流）の測定を行うための何らかの工夫が必要となる。
【００２０】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、特別に高精度の測定器を必要とせずに低コストで、実用上問題のない精度で連続自動測定が可能な、太陽電池素子のシャント抵抗の連続自動測定装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、太陽電池セルを構成する複数個の太陽電池素子（ユニットセル）のシャント抵抗を、交流電圧を印加して太陽電池素子のダイオード特性の線型性が保たれる領域で連続的に自動測定する装置において、
前記個々のユニットセルに接続され自動切替がなされるスイッチアレイと、個々のユニットセルに交流電圧を印加しセル電流を検出するために設けた電圧印加用電源および電流検出用抵抗（抵抗値ｒ）と、
前記電流検出用抵抗の両端から電圧（Ｖ1，Ｖ2）を取出し、この電圧信号をそれぞれディジタル信号に変換するために設けたＡ／Ｄ変換器と、
このＡ／Ｄ変換器からのディジタル出力を所定の一定時間（Ｔ）記憶するためのディジタルメモリと、
印加電圧の積分値を（ＳV）とし、ユニットセルに流れる電流の積分値を（Ｓi）としたとき、次式（数４および数５）の積分演算を行なう積分演算器と、
【００２２】
【数４】
【００２３】
【数５】
【００２４】
前記ディジタルメモリに記憶されたディジタル信号から、測定誤差となる部分を取り除くために、前記積分範囲を印加する交流電圧と素子に流れる電流の線型関係が成立する範囲に限定するためのフィルタ演算器と、
次式（数６）により、シャント抵抗（Ｒsh）を求める演算器と、
【００２５】
【数６】
【００２６】
を備えたものとする（請求項１の発明）。
【００２７】
上記構成により、太陽電池セルの製造工程においてセル特性を測定する場合、太陽電池セルを構成する多数の太陽電池素子のシャント抵抗を、連続かつ自動的に測定する装置を、高精度かつ低コストで提供できる。
【００２８】
測定原理はダイオードの逆方向リーク電流測定と同じものであるが、太陽電池素子に印加する電圧を任意に選択でき、電圧および電流信号を積分することでノイズの影響を低減できる。また、ディジタル信号処理を行うことで、任意の利得の積分増幅が可能で、ノイズ除去が可能で、非線型領域の信号を容易に取り除けるので高い精度が得られる。さらに、太陽電池セルの特性測定装置のコンピュータにこのディジタル信号処理を組込めば、簡単な回路で実現でき、高価な高精度測定設備を導入する必要はない。
【００２９】
また、前記請求項１に記載のものにおいて、前記印加交流電圧は正弦波交流電圧とし、前記ディジタルメモリおよび積分演算器における所定の一定時間（Ｔ）は、前記正弦波交流の周期の複数倍とする（請求項２の発明）。これにより、前記複数倍に応じた高い精度が得られる。
【００３０】
印加電圧が低電圧（必然的に低電流）の測定であっても、高い精度が得られるこの発明の原理について、さらに、以下に詳述する。
【００３１】
前述のように、曲線因子の非線型性が顕著に現れるのを避けるためには、太陽電池素子に印加する電圧は５V以下としたい。その場合、測定すべき電流は数mAとなるため、従来の測定装置において、ノイズの影響を受けずに測定することは困難となる。そこで、例えばピーク電圧５Vで周期１０msecの半波交流電圧を印加した場合に、素子に流れる電流は、０〜５Vの範囲での線型性により印加電圧に比例した半波交流電流になる。この電流のピーク値を５mAとすれば、１周期の積分値は約0.0318mA・secとなる。したがって、利得1000倍の積分増幅器を用いれば31.8mA・secとなり、ピーク値の測定に比べて６倍の電流を測定することと等価になる。このことは次の理由からいえる。
【００３２】
素子に加える電圧を時間tの関数で表すと、下記（数７）であり、素子に流れる電流は下記（数８）となる。
【００３３】
【数７】
【００３４】
【数８】
【００３５】
ここで電圧のピーク値をVp、シャント抵抗をR、周期をTとした。半波交流であるから０≦ｔ≦Ｔとする。また電流のピーク値は、ＩP＝ＶP／Ｒである。
【００３６】
これを１周期積分すると、
【００３７】
【数９】
【００３８】
となる。Ip = 5mA，T = 0.01secを代入すると、S ≒ 0.0318mA・secとなる。
【００３９】
上の関係からシャント抵抗は、下記（数１０）として求めることができる。
【００４０】
【数１０】
【００４１】
もちろん積分増幅器の利得分の係数を掛けて補正する必要がある。図２に回路例を示す。この方法の利点は積分することにより高周波ノイズを低減できる点にある。また正弦波交流を用いるのは精度の高い印加電圧が容易に得られるためである。
【００４２】
ところで、前述したことは、印加電圧が任意の波形の場合にも成り立つ。即ち、印加電圧をv(t)、素子の電流をi(t)とすると、
【００４３】
【数１１】
【００４４】
となる。両辺の積分から、
【００４５】
【数１２】
【００４６】
と置くと、Ｓ＝Ｓ0／Ｒの関係が得られる。Ｓ0は印加電圧によって決まり、一定にできるから、Ｒ＝Ｓ0／Ｓとしてシャント抵抗Ｒを求めることができる。Ｓ0は、既知の抵抗Ｒ0を使って実際の回路で測定を行い、Ｓ0＝Ｒ0Ｓとして決定できる。
【００４７】
そこで、例えばピーク値が１０Vの半波正弦波交流電圧を５V以下に制限して、図３に示すような電圧を素子に印加すれば、０〜５Vの電圧範囲で印加するため線型性が保たれるので、上述の関係を使ってシャント抵抗を測定することができる。
【００４８】
さらに、素子に流れる電流値を積分するための積分増幅器の利得が低い場合、積分時間を長くすることによって等価的に利得を高くすることができる。例えば、利得１００倍の積分増幅器を使って周期の１０倍の時間で積分すれば、利得１０００倍の積分増幅器を使って１周期の時間で積分した場合と等価となる。
【００４９】
以上述べたことは、印加電圧と素子に流れる電流をそれぞれディジタル信号に変換し、ディジタル演算を行うことで等価な測定を実現できる。この方法の利点は、ディジタル演算により原理的には任意の利得の積分増幅を行えることである。積分による高周波ノイズの低減は同じ効果を実現でき、非線型領域の信号を取り除くことも容易で、測定精度の向上が可能となる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００５１】
図１は、本発明に関わる太陽電池素子のシャント抵抗の連続自動測定装置の実施例の概略構成を示す。図１に示す装置は、複数個の太陽電池素子（ユニットセル）１１を有する太陽電池セル１２と、前記個々のユニットセル１１に接続され自動切替がなされるスイッチアレイ１３と、個々のユニットセル１１に電圧を印加する電圧印加用電源１４と、セル電流を検出するための電流検出用抵抗１５と、この抵抗の両端からの電圧（Ｖ1，Ｖ2）を取出しこの電圧信号をそれぞれディジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器６ａ，６ｂと、このＡ／Ｄ変換器からのディジタル出力を所定の一定時間記憶するディジタルメモリ７と、フィルタ演算器８と、積分演算器９と、シャント抵抗の演算器１０とからなる。
【００５２】
図１の構成により、以下のようにして、シャント抵抗の連続自動測定を行なうことができる。
１）測定装置の測定回路部は、スイッチアレイ１３によって個々のユニットセルの電極と接続されており、一つのユニットセル１１に対して測定が完了すると、次のユニットセルに自動的に切換えられる。こうした一連の動作が繰り返されて、すべてのユニットセルに対して連続的かつ自動的に測定が行われる。
２）測定回路は、電圧印加用電源４と電流検出用抵抗５（抵抗値r）が、スイッチアレイ１３を介して一つのユニットセルの電極に接続される。電流検出用抵抗５の両端から電圧V1,V2を取出し、それぞれディジタル信号に変換し、一定時間Ｔの間ディジタルメモリ７に記憶される。太陽電池素子に流れる電流は、(V2-V1)/rによって得られる。
３）ディジタルメモリ７に記憶されたディジタル信号から、フィルタ演算により非線型部分を取り除くことで、電圧−電流の線型関係を常に成立させる信号が得られる。
４）次に積分を実行する。前記（数４および数５）の積分演算と、前記（数６）のシャント抵抗を求める演算により、シャント抵抗値を求めることができる。前記数４，数５および数６は、それぞれ、請求項１に記載の数１，数２および数３と同一である。
５）これらの一連のディジタル信号処理は、ディジタルコンピュータで実行することができる。同じコンピュータでスイッチアレイの切換えや太陽電池セルのハンドリング等をコントロールすることにより、低コストで精度の高い連続自動測定装置を実現できる。
【００５３】
【発明の効果】
この発明によれば、前述のように、太陽電池セルを構成する複数個の太陽電池素子（ユニットセル）のシャント抵抗を、交流電圧を印加して太陽電池素子のダイオード特性の線型性が保たれる領域で連続的に自動測定する装置において、前記個々のユニットセルに接続され自動切替がなされるスイッチアレイと、個々のユニットセルに交流電圧を印加しセル電流を検出するために設けた電圧印加用電源および電流検出用抵抗（抵抗値ｒ）と、前記電流検出用抵抗の両端から電圧（Ｖ1，Ｖ2）を取出し、この電圧信号をそれぞれディジタル信号に変換するために設けたＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器からのディジタル出力を所定の一定時間（Ｔ）記憶するためのディジタルメモリと、印加電圧の積分値を（ＳV）とし、ユニットセルに流れる電流の積分値を（Ｓi）としたとき、前記式（数４および数５）の積分演算を行なう積分演算器と、前記ディジタルメモリに記憶されたディジタル信号から、測定誤差となる部分を取り除くために、前記積分範囲を印加する交流電圧と素子に流れる電流の線型関係が成立する範囲に限定するためのフィルタ演算器と、前記式（数６）により、シャント抵抗（Ｒsh）を求める演算器とを備えたものとすることにより、
特別に高精度の測定器を必要とせずに低コストで、かつ実用上問題のないレベルの高い精度で、シャント抵抗の連続自動測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の連続自動測定装置の実施例の概略構成図
【図２】 本発明に係る積分演算に関わる回路の一例を示す図
【図３】 印加電圧を５V以下に制限した場合の波形図
【図４】 薄膜太陽電池の概略構成を説明する斜視図
【図５】 薄膜太陽電池の製造プロセスおよび各種装置の一例を総括的に示す図
【図６】 太陽電池の等価回路を示す図
【図７】 ダイオードの電圧−電流特性を示す図
【符号の説明】
６ａ，６ｂ：Ａ／Ｄ変換器、７：ディジタルメモリ、８：フィルタ演算器、９：積分演算器、１０：シャント抵抗の演算器、１１：ユニットセル、１２：太陽電池セル、１３：スイッチアレイ、１４：電圧印加用電源、１５：電流検出用抵抗。
【発明の属する技術分野】
この発明は、太陽電池の製造プロセス、特にロール搬送方式の薄膜太陽電池の製造プロセスにおいて、太陽電池セルを構成する複数個の太陽電池素子（ユニットセル）のシャント抵抗を連続的に自動測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、環境保護の立場から、クリーンなエネルギーの研究開発が進められている。中でも、太陽電池はその資源（太陽光）が無限であること、無公害であることから注目を集めている。
【０００３】
薄膜太陽電池は、薄型で軽量、製造コストの安さ、大面積化が容易であることなどから、今後の太陽電池の主流となると考えられる。
【０００４】
従来の薄膜太陽電池はガラス基板を用いていたが、軽量化、施工性、量産性においてプラスチックフィルムおよび金属フィルムを用いたフレキシブルタイプの太陽電池の研究開発がすすめられている。このフレキシブル性を生かし、ロールツーロール方式またはステッピングロール方式の製造方法により大量生産が可能となった。
【０００５】
上記の薄膜太陽電池は、フレキシブルな電気絶縁性フィルム基板上に金属電極層、薄膜半導体層からなる光電変換層および透明電極層が積層されてなる光電変換素子（またはセル）が複数形成されている。ある光電変換素子の金属電極と隣接する光電変換素子の透明電極を電気的に接続することを繰り返すことにより、最初の光電変換素子の金属電極と最後の光電変換素子の透明電極とに必要な電圧を出力させることができる。例えば、インバータにより交流化し商用電力源として交流１００Ｖを得るためには、薄膜太陽電池の出力電圧は１００Ｖ以上が望ましく、実際には数１０個以上の素子が直列接続される。
【０００６】
このような光電変換素子とその直列接続は、電極層と光電変換層の成膜と各層のパターニングおよびそれらの組み合わせ手順により形成される。上記太陽電池の構成および製造方法は、例えば特開平１０−２３３５１７号公報や特願平１１−１９３０６号に記載されている。
【０００７】
前記特願平１１−１９３０６号に記載された薄膜太陽電池の構成概念図を、図４に示す。図４は、プラスチックフィルムを基板とした可撓性薄膜太陽電池の斜視図を示す。基板６１の表面に形成した単位光電変換素子６２および基板６１の裏面に形成した接続電極層６３は、レーザーパターニング加工により、それぞれ複数の単位ユニットに完全に分離され、それぞれの分離位置をずらして形成されている。このため、素子６２のアモルファス半導体部分である光電変換層６５で発生した電流は、まず透明電極層６６に集められ、次に該透明電極層領域に形成された集電孔６７を介して背面の接続電極層６３に通じ、さらに該接続電極層領域で素子の透明電極層領域の外側に形成された直列接続用の接続孔６８を介して上記素子と隣り合う素子の透明電極層領域の外側に延びている下電極層６４に達し、両素子の直列接続が行われている。
【０００８】
次に、前記ロール搬送方式の薄膜太陽電池の製造プロセスおよび各種装置の概要の一例を、図５に示す。図５の左側に各プロセスを示し、右側に各プロセスで使用される装置の概要を矢印で示す（詳細は、例えば特願平１１−２０９３２２号参照）。
【０００９】
装置としては、穴あけ装置５１，スパッタ装置５２，ステッピングロール方式成膜装置５３，レーザースクライバー５４，特性評価装置５５などがあり、前記各装置は、巻出し用ロール１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅおよび巻取り用ロール２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと、ガイドロール３、張力ロール４などを備える。
【００１０】
前述のように、薄膜太陽電池は、自動連続生産が基本であるため、太陽電池セルの特性測定においても自動化が不可欠である。現在、ソーラーシミュレータによる特性パラメータの計測、および単体の太陽電池素子（ユニットセル）のリーク電流測定によるシャント抵抗測定を、セル全数に対して行なっている。
【００１１】
次に、シャント抵抗測定について、その必要性と測定方法に関して、以下に述べる。前述のように薄膜太陽電池は、レーザーパターニング加工により小面積のユニットセルに分割して直列構造を形成することで太陽電池モジュールに必要な電圧、電流を得る構造になっている。従って分割された各ユニットが確実に分離されていることが必須であり、これを保証するため各ユニット毎にリーク電流を測定してシャント抵抗（等価的なユニット分離抵抗）を求めている。
【００１２】
製作直後のセルは大きなリーク電流が存在しているため、自動逆バイアス電圧印加装置により、まず逆バイアス電圧を印加することでこのリーク電流を取り除く。この逆バイアス電圧は、ユニットセルにピーク値が5〜10Vの正弦波交流であり、順方向と逆方向に交互に電圧が印加され、逆方向に印加された時の電流により徐々にリーク電流が減少して最小値に達する。この時のリーク電流が求めるものである。実際には逆バイアス電圧印加と同時に電流のピーク値を測定し、電圧のピーク値との比でシャント抵抗を求める。
【００１３】
シャント抵抗の測定値には、太陽電池の曲線因子の特性と、レーザーパターニング加工により付加される特性に関わるものが含まれる。後者は、レーザー加工の際、パターニング部分に一部残留する光電変換層や電極の膜が、前記リーク電流の要因となるものである。前記曲線因子による分は、レーザーパターニング加工による分に対して１％以下であり、通常は、無視可能なレベルであるが、後述するように、無視できない場合がある。
【００１４】
このシャント抵抗の測定原理について、以下に詳述する。太陽電池素子に光を当てない場合に、素子はダイオード特性を示し、図６に示すように、等価的には理想ダイオードに直列抵抗（Ｒs）と並列にシャント抵抗（Ｒsh）が接続された回路とみなされる。
【００１５】
このシャント抵抗を測定するためのリーク電流測定の自動化装置では、ピーク値が5〜10Vの交流電圧(v)を加えて、素子に流れる電流のピーク値(i)を測定し、Ｒ = v/iの関係からシャント抵抗（Ｒsh）を求めている。
【００１６】
図７はダイオードの電圧−電流特性を示すが、理想ダイオードＤに逆方向電圧が印加された場合のダイオード電流はゼロであり、素子に流れる電流はシャント抵抗に流れる電流としてよい。直列抵抗ＲSはシャント抵抗ＲSHに比べて小さい。従って、素子の端子電圧と電流の比例関係によりシャント抵抗ＲSHを求めることができる。実際の太陽電池素子においては、理想ダイオードからのずれが存在し、電圧と電流は必ずしも比例しない。しかしながら、電圧、電流が小さい領域では理想ダイオードからのずれは小さく、近似的に電圧と電流は比例関係にあるとみなしてよい。したがって実際の測定では、通常、印加電圧を５〜10Vに制限をして測定を行なっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の太陽電池のリーク電流測定によるシャント抵抗の測定においては、下記のような問題があった。
【００１８】
従来のリーク電流測定方法においては、太陽電池素子のダイオード特性のばらつきにより、5〜10Vの範囲で電流が急増し、即ち、曲線因子の非線型性が顕著に現れるものが存在して、これが、大きな測定誤差となっている。この誤差は、本来のシャント抵抗よりも大きなリーク電流を発生し、正常なユニットセルを異常と判定する問題をはらんでいる。これを防ぐためには、印加電圧をより小さくすればよいが、その場合には、測定すべき電流値が小さくなり、特別に高精度の測定器が必要で、ノイズの影響も無視できなくなる。
【００１９】
従って、低コストで、実用上問題のない精度で、リーク電流（シャント抵抗）の連続自動測定を行うためには、低電圧（必然的に低電流）の測定を行うための何らかの工夫が必要となる。
【００２０】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、本発明の課題は、特別に高精度の測定器を必要とせずに低コストで、実用上問題のない精度で連続自動測定が可能な、太陽電池素子のシャント抵抗の連続自動測定装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、この発明は、太陽電池セルを構成する複数個の太陽電池素子（ユニットセル）のシャント抵抗を、交流電圧を印加して太陽電池素子のダイオード特性の線型性が保たれる領域で連続的に自動測定する装置において、
前記個々のユニットセルに接続され自動切替がなされるスイッチアレイと、個々のユニットセルに交流電圧を印加しセル電流を検出するために設けた電圧印加用電源および電流検出用抵抗（抵抗値ｒ）と、
前記電流検出用抵抗の両端から電圧（Ｖ1，Ｖ2）を取出し、この電圧信号をそれぞれディジタル信号に変換するために設けたＡ／Ｄ変換器と、
このＡ／Ｄ変換器からのディジタル出力を所定の一定時間（Ｔ）記憶するためのディジタルメモリと、
印加電圧の積分値を（ＳV）とし、ユニットセルに流れる電流の積分値を（Ｓi）としたとき、次式（数４および数５）の積分演算を行なう積分演算器と、
【００２２】
【数４】
【数５】
前記ディジタルメモリに記憶されたディジタル信号から、測定誤差となる部分を取り除くために、前記積分範囲を印加する交流電圧と素子に流れる電流の線型関係が成立する範囲に限定するためのフィルタ演算器と、
次式（数６）により、シャント抵抗（Ｒsh）を求める演算器と、
【００２５】
【数６】
を備えたものとする（請求項１の発明）。
【００２７】
上記構成により、太陽電池セルの製造工程においてセル特性を測定する場合、太陽電池セルを構成する多数の太陽電池素子のシャント抵抗を、連続かつ自動的に測定する装置を、高精度かつ低コストで提供できる。
【００２８】
測定原理はダイオードの逆方向リーク電流測定と同じものであるが、太陽電池素子に印加する電圧を任意に選択でき、電圧および電流信号を積分することでノイズの影響を低減できる。また、ディジタル信号処理を行うことで、任意の利得の積分増幅が可能で、ノイズ除去が可能で、非線型領域の信号を容易に取り除けるので高い精度が得られる。さらに、太陽電池セルの特性測定装置のコンピュータにこのディジタル信号処理を組込めば、簡単な回路で実現でき、高価な高精度測定設備を導入する必要はない。
【００２９】
また、前記請求項１に記載のものにおいて、前記印加交流電圧は正弦波交流電圧とし、前記ディジタルメモリおよび積分演算器における所定の一定時間（Ｔ）は、前記正弦波交流の周期の複数倍とする（請求項２の発明）。これにより、前記複数倍に応じた高い精度が得られる。
【００３０】
印加電圧が低電圧（必然的に低電流）の測定であっても、高い精度が得られるこの発明の原理について、さらに、以下に詳述する。
【００３１】
前述のように、曲線因子の非線型性が顕著に現れるのを避けるためには、太陽電池素子に印加する電圧は５V以下としたい。その場合、測定すべき電流は数mAとなるため、従来の測定装置において、ノイズの影響を受けずに測定することは困難となる。そこで、例えばピーク電圧５Vで周期１０msecの半波交流電圧を印加した場合に、素子に流れる電流は、０〜５Vの範囲での線型性により印加電圧に比例した半波交流電流になる。この電流のピーク値を５mAとすれば、１周期の積分値は約0.0318mA・secとなる。したがって、利得1000倍の積分増幅器を用いれば31.8mA・secとなり、ピーク値の測定に比べて６倍の電流を測定することと等価になる。このことは次の理由からいえる。
【００３２】
素子に加える電圧を時間tの関数で表すと、下記（数７）であり、素子に流れる電流は下記（数８）となる。
【００３３】
【数７】
【数８】
ここで電圧のピーク値をVp、シャント抵抗をR、周期をTとした。半波交流であるから０≦ｔ≦Ｔとする。また電流のピーク値は、ＩP＝ＶP／Ｒである。
【００３６】
これを１周期積分すると、
【００３７】
【数９】
となる。Ip = 5mA，T = 0.01secを代入すると、S ≒ 0.0318mA・secとなる。
【００３９】
上の関係からシャント抵抗は、下記（数１０）として求めることができる。
【００４０】
【数１０】
もちろん積分増幅器の利得分の係数を掛けて補正する必要がある。図２に回路例を示す。この方法の利点は積分することにより高周波ノイズを低減できる点にある。また正弦波交流を用いるのは精度の高い印加電圧が容易に得られるためである。
【００４２】
ところで、前述したことは、印加電圧が任意の波形の場合にも成り立つ。即ち、印加電圧をv(t)、素子の電流をi(t)とすると、
【００４３】
【数１１】
となる。両辺の積分から、
【００４５】
【数１２】
と置くと、Ｓ＝Ｓ0／Ｒの関係が得られる。Ｓ0は印加電圧によって決まり、一定にできるから、Ｒ＝Ｓ0／Ｓとしてシャント抵抗Ｒを求めることができる。Ｓ0は、既知の抵抗Ｒ0を使って実際の回路で測定を行い、Ｓ0＝Ｒ0Ｓとして決定できる。
【００４７】
そこで、例えばピーク値が１０Vの半波正弦波交流電圧を５V以下に制限して、図３に示すような電圧を素子に印加すれば、０〜５Vの電圧範囲で印加するため線型性が保たれるので、上述の関係を使ってシャント抵抗を測定することができる。
【００４８】
さらに、素子に流れる電流値を積分するための積分増幅器の利得が低い場合、積分時間を長くすることによって等価的に利得を高くすることができる。例えば、利得１００倍の積分増幅器を使って周期の１０倍の時間で積分すれば、利得１０００倍の積分増幅器を使って１周期の時間で積分した場合と等価となる。
【００４９】
以上述べたことは、印加電圧と素子に流れる電流をそれぞれディジタル信号に変換し、ディジタル演算を行うことで等価な測定を実現できる。この方法の利点は、ディジタル演算により原理的には任意の利得の積分増幅を行えることである。積分による高周波ノイズの低減は同じ効果を実現でき、非線型領域の信号を取り除くことも容易で、測定精度の向上が可能となる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下に述べる。
【００５１】
図１は、本発明に関わる太陽電池素子のシャント抵抗の連続自動測定装置の実施例の概略構成を示す。図１に示す装置は、複数個の太陽電池素子（ユニットセル）１１を有する太陽電池セル１２と、前記個々のユニットセル１１に接続され自動切替がなされるスイッチアレイ１３と、個々のユニットセル１１に電圧を印加する電圧印加用電源１４と、セル電流を検出するための電流検出用抵抗１５と、この抵抗の両端からの電圧（Ｖ1，Ｖ2）を取出しこの電圧信号をそれぞれディジタル信号に変換するためのＡ／Ｄ変換器６ａ，６ｂと、このＡ／Ｄ変換器からのディジタル出力を所定の一定時間記憶するディジタルメモリ７と、フィルタ演算器８と、積分演算器９と、シャント抵抗の演算器１０とからなる。
【００５２】
図１の構成により、以下のようにして、シャント抵抗の連続自動測定を行なうことができる。
１）測定装置の測定回路部は、スイッチアレイ１３によって個々のユニットセルの電極と接続されており、一つのユニットセル１１に対して測定が完了すると、次のユニットセルに自動的に切換えられる。こうした一連の動作が繰り返されて、すべてのユニットセルに対して連続的かつ自動的に測定が行われる。
２）測定回路は、電圧印加用電源４と電流検出用抵抗５（抵抗値r）が、スイッチアレイ１３を介して一つのユニットセルの電極に接続される。電流検出用抵抗５の両端から電圧V1,V2を取出し、それぞれディジタル信号に変換し、一定時間Ｔの間ディジタルメモリ７に記憶される。太陽電池素子に流れる電流は、(V2-V1)/rによって得られる。
３）ディジタルメモリ７に記憶されたディジタル信号から、フィルタ演算により非線型部分を取り除くことで、電圧−電流の線型関係を常に成立させる信号が得られる。
４）次に積分を実行する。前記（数４および数５）の積分演算と、前記（数６）のシャント抵抗を求める演算により、シャント抵抗値を求めることができる。前記数４，数５および数６は、それぞれ、請求項１に記載の数１，数２および数３と同一である。
５）これらの一連のディジタル信号処理は、ディジタルコンピュータで実行することができる。同じコンピュータでスイッチアレイの切換えや太陽電池セルのハンドリング等をコントロールすることにより、低コストで精度の高い連続自動測定装置を実現できる。
【００５３】
【発明の効果】
この発明によれば、前述のように、太陽電池セルを構成する複数個の太陽電池素子（ユニットセル）のシャント抵抗を、交流電圧を印加して太陽電池素子のダイオード特性の線型性が保たれる領域で連続的に自動測定する装置において、前記個々のユニットセルに接続され自動切替がなされるスイッチアレイと、個々のユニットセルに交流電圧を印加しセル電流を検出するために設けた電圧印加用電源および電流検出用抵抗（抵抗値ｒ）と、前記電流検出用抵抗の両端から電圧（Ｖ1，Ｖ2）を取出し、この電圧信号をそれぞれディジタル信号に変換するために設けたＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器からのディジタル出力を所定の一定時間（Ｔ）記憶するためのディジタルメモリと、印加電圧の積分値を（ＳV）とし、ユニットセルに流れる電流の積分値を（Ｓi）としたとき、前記式（数４および数５）の積分演算を行なう積分演算器と、前記ディジタルメモリに記憶されたディジタル信号から、測定誤差となる部分を取り除くために、前記積分範囲を印加する交流電圧と素子に流れる電流の線型関係が成立する範囲に限定するためのフィルタ演算器と、前記式（数６）により、シャント抵抗（Ｒsh）を求める演算器とを備えたものとすることにより、
特別に高精度の測定器を必要とせずに低コストで、かつ実用上問題のないレベルの高い精度で、シャント抵抗の連続自動測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の連続自動測定装置の実施例の概略構成図
【図２】 本発明に係る積分演算に関わる回路の一例を示す図
【図３】 印加電圧を５V以下に制限した場合の波形図
【図４】 薄膜太陽電池の概略構成を説明する斜視図
【図５】 薄膜太陽電池の製造プロセスおよび各種装置の一例を総括的に示す図
【図６】 太陽電池の等価回路を示す図
【図７】 ダイオードの電圧−電流特性を示す図
【符号の説明】
６ａ，６ｂ：Ａ／Ｄ変換器、７：ディジタルメモリ、８：フィルタ演算器、９：積分演算器、１０：シャント抵抗の演算器、１１：ユニットセル、１２：太陽電池セル、１３：スイッチアレイ、１４：電圧印加用電源、１５：電流検出用抵抗。
Claims (2)
- 太陽電池セルを構成する複数個の太陽電池素子（ユニットセル）のシャント抵抗を、交流電圧を印加して太陽電池素子のダイオード特性の線型性が保たれる領域で連続的に自動測定する装置において、
前記個々のユニットセルに接続され自動切替がなされるスイッチアレイと、個々のユニットセルに交流電圧を印加しセル電流を検出するために設けた電圧印加用電源および電流検出用抵抗（抵抗値ｒ）と、
前記電流検出用抵抗の両端から電圧（Ｖ1，Ｖ2）を取出し、この電圧信号をそれぞれディジタル信号に変換するために設けたＡ／Ｄ変換器と、
このＡ／Ｄ変換器からのディジタル出力を所定の一定時間（Ｔ）記憶するためのディジタルメモリと、
印加電圧の積分値を（ＳV）とし、ユニットセルに流れる電流の積分値を（Ｓi）としたとき、次式（数１および数２）の積分演算を行なう積分演算器と、
次式（数３）により、シャント抵抗（Ｒsh）を求める演算器と、
- 請求項１記載のものにおいて、前記印加交流電圧は正弦波交流電圧とし、前記ディジタルメモリおよび積分演算器における所定の一定時間（Ｔ）は、前記正弦波交流の周期の複数倍とすることを特徴とする太陽電池素子のシャント抵抗の連続自動測定装置。
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