JP4613053B2 - 多接合型光電変換素子試験セルの特性測定方法及び近似太陽光光源のスペクトル調整方法 - Google Patents
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Description
(1)セル温度 摂氏25度(℃)
(2)分光分布 AM1.5全天日射基準太陽光
(3)放射照度 100mW/cm2(ミリワットパー平方センチメートル)
ここで、スペクトル依存性を有する多接合太陽電池の評価において、特に重要となるのが分光分布である。上記分光分布である基準スペクトルは、エアマス、大気混濁度、及び可降水量等が一定の大気条件の場合のスペクトルとして定義されており、屋外太陽光から基準スペクトルを得る機会は非常に限定されている。つまり、屋外太陽光から基準スペクトルを得る機会は非常に限定される。また、近似太陽光光源のスペクトルは、入手可能なランプの分光放射スペクトルに光学フィルタによる修正を行って基準スペクトルに近似させているに過ぎないので、基準スペクトルそのものを得ることは不可能である。
R. Shimokawa, F. Nagamine, M. Nakata, K. Fujisawa and Y. Hamakawa: Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989) L845
また請求項2に記載の発明は、前記スペクトル可変な近似太陽光光源の調整は、前記試験セルと同等の構成を有するがスペクトル依存性が若干異なる複数の基準セルを用意する工程と、高いスペクトル合致度を提供する光源を使用し、調整済の光源下で複数の基準セルのそれぞれの基準状態での特性である基準特性を取得する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の多接合光電変換素子試験セルの特性測定方法である。
また近似太陽光光源のスペクトル調整方法に関する発明は、複数の要素セルを積層した多接合型光電変換素子からなる試験セルの基準状態での出力特性をスペクトル可変な近似太陽光光源下で測定する際における前記近似太陽光光源のスペクトル調整方法であって、前記試験セルと同等の構成を有するがスペクトル依存性が若干異なる複数の基準セルを用意し、前記複数の基準セルは高いスペクトル合致度を提供する光源を使用し、調整済の光源下でそれぞれの基準状態での出力特性が既に取得されたものであり、前記近似太陽光光源を用いてそれぞれの前記試験セルの出力特性を測定し、前記試験セルが基準状態下で得られる出力特性を再現する様に前記近似太陽光光源を調整することを特徴とする近似太陽光光源のスペクトル調整方法である。
これにより、高い近似度を有するスペクトル可変型の多灯式近似太陽光光源を用いなくても、製造条件の変動等により若干異なるスペクトル依存性を有する多数の多接合型光電変換素子の基準状態下での光電変換特性を正確に測定することが可能となる。
また、スペクトル依存性が異なる複数の基準セルを用いて近似光源の分光放射スペクトルを最適化する事により、製造ラインの条件変化で出現する、要素セルの異なる相対分光感度、或いは、要素セル間の異なる電流ミスマッチを有する、多接合型光電変換素子に対して、正確に基準状態下での光電変換特性を測定する方法を提供する。
そこで、本発明の測定方法は、試験セルとスペクトル依存性が実質的に同等の複数の多接合型太陽電池を基準セルに用いて、基準セルの基準状態下で得られる出力特性(基準特性)を元に、近似太陽光光源の放射照度を調整後、試験セルの出力特性を測定することを特徴としている。この際に、基準特性は擬似要素セルによって基準状態に近似された近似太陽光光源下で各基準セルを測定することにより得られる。
ここでまず具体的に、多接合太陽電池のスペクトル依存性について実際の例に基づいて説明する。要素セルが直列に接続された場合、多接合太陽電池の出力特性は電流を制限する要素セルにより制限される。図2、3、及び4はトップ層としてアモルファスシリコン太陽電池とボトム層として微結晶シリコン太陽電池を直列に接続し、910mm×455mmサイズのガラス基板上に100段の集積構造を形成したタンデム型太陽電池モジュールの各々短絡電流(Jsc)、曲線因子(FF)、及び開放端電圧(Voc)のスペクトル依存性を示している。
以下、太陽電池を例として、実施の最良の形態を示して本発明をより詳細に説明する。
まず、本発明の測定方法で使用する近似太陽光光源について説明する。本発明で用いる近似太陽光光源は、エアマスフィルタまたは光学フィルタ、補助光源、複数光源、光源パルス幅等を調整する事により、分光放射スペクトルが可変とされている必要がある。スペクトル可変な近似太陽光光源であれば、JISC8912やJISC8933、IEC60904−9で規定された、照度むら及び時間的な安定性を有する近似太陽光光源であれば、本発明の測定方法を用いて正確に多接合太陽電池の出力測定を行うことが可能である。つまり、本発明の測定方法においては、全ての波長帯域において高いスペクトル合致度を有する高コストな多灯式スペクトル可変型近似太陽光光源を必要としない。より具体的には、単接合型太陽電池の基準状態の測定において、相対分光感度が試験セルと実質的に同等の基準セルを用いる事により、近似太陽光光源のスペクトル合致度の差異に基づくスペクトルミスマッチ誤差を低減する事が可能であったように、スペクトル依存性が実質的に同等の多接合太陽電池を基準セルとして用い、さらに複数の基準セルを用いる事により、高い近似度を有するスペクトル可変型の多灯式近似太陽光光源を用いなくても、正確に多接合太陽電池の試験セルの出力測定を行う事が出来る。
次に、本発明の測定方法で使用する基準セルについて説明する。本発明における、基準セルは、試験セルと実質的に同等のスペクトル依存性を有するものである。対象となる多接合太陽電池の各要素セルの相対分光感度が実質的に一致しており、各要素セルのバイアス電圧化での電流電圧特性に影響する、シャント成分やダイオード因子、直列抵抗成分が実質的に一致し、放射照度に対する線形性も実質的に同等であることが望ましい。基準セルは、製造条件の変動により変化する各要素セルの相対分光感度の変移量に応じて、複数種類だけ準備されることが好ましい。さらに好ましくは、対象となる一群の多接合太陽電池のスペクトル依存性の変移を代表する複数の試験セルそのものから、分割、分離されたものであっても良い。
本発明の擬似要素セルとしては、各擬似要素セルに要素セルと同じ非線形性を有する単接合型太陽電池を用いる事が考えられる。例えば、図1のタンデム型太陽電池ではトップ層としてアモルファスシリコンを用いているので、トップ用の擬似要素セルとして同等の照度非線形性を有する単接合型アモルファスシリコンセルを用いる事が好ましい。また、ボトム用の擬似要素セルとして同等の非線形性を有する単接合型微結晶シリコン太陽電池を用いる事が好ましい。前記擬似要素セル用単接合セルの白色バイアス光下での分光感度特性の差異に基づき擬似要素セルの相対分光感度を設計する事により、要素セルの基準状態下での相対分光感度との合致度を向上させることが可能となる。
ガラス基板上にトップ層(アモルファスシリコンセル)とボトム層(薄膜微結晶シリコンセル)の積層構造を有するタンデム型太陽電池を作製した。得られたタンデム型太陽電池について、カラーバイアス光を重責しながら単色光を照射することで、図1の実線に示したトップ層とボトム層の相対分光感度特性を得た。
トップ層とボトム層の擬似要素セルは、光照射により安定化させた後に(財)日本品質機構(JQA)にて、基準状態における校正値としての短絡電流の値付けを行った。
キセノンランプとハロゲンランプで構成し、高いスペクトル合致度を提供する光源下で、トップ層用擬似要素セルとボトム層用擬似要素セルからJQAで値付けされた校正値が得られるように、キセノンランプとハロゲンランプの照度を調整した。
まず、図1の実線で示した分光感度を有するタンデム型太陽電池2を、調整済みの光源下でセル温度が摂氏25度(℃)になるように水冷しながら最大出力を測定すると、Pmax551mW、Isc77mA、FF62%(パーセント)、Voc11.55Vであった。これを基準セル2とする。この基準セル2は、基準状態で前記特性で表される基準特性2を有すると考える。
前記各基準セルの出力特性のスペクトル依存性を評価するために、2灯式光源のキセノンランプとハロゲンランプの照度を変化させ測定を実施した。
試験セルの基準状態での特性近似値を測定により得るために使用する大面積スペクトル可変型近似太陽光光源の調整方法について以下説明する。具体的には、エアマスフィルタ選択含むキセノンランプ条件、及び光学フィルタ選択を含むハロゲンランプ条件を、基準スペクトル条件が得られるように調整した。
まず、比較例1として、タンデム型太陽電池2のみを基準セルとして用いて、基準セル2から基準特性2が得られるように、近似太陽光光源の分光放射スペクトルの調整を行った。
次に、実施例として、異なるスペクトル依存性を有する複数の多接合太陽電池を基準セルとして用いてより基準スペクトルに近い分光放射スペクトルを得て、その光源により試験セルの測定を実施した。つまり、前記大面積スペクトル可変型近似太陽光光源について、図2〜図4で示した多接合太陽電池1及び2、3の基準状態(Ib/It=1)での光電変換特性である基準特性1、2、及び3が各々同時に得られるように、近似太陽光源のフィルタ及びランプ動作条件を調整した。その状態の光源を用いて、前記無作為に抽出した20個の太陽電池について光電変換測定の測定を行った。
さらに、比較例2として、非特許文献1に示される従来の照度調整法により、前記トップ用擬似要素セルと前記ボトム用擬似要素セルから直接校正値が得られるように、前記大面積スペクトル可変型近似太陽光光源のエアマスフィルタ及び光学フィルタ、キセノンランプ、ハロゲンランプを、基準スペクトル条件が得られるように調整した。製造ラインで作製されたタンデム型太陽電池の中から無作為に抽出した20個の太陽電池について、調整済みの近似太陽光光源にて光電変換特性の測定を行った。前記20個のタンデム型太陽電池を、太陽光下で大気混濁度及び可降水量、エアマスが基準スペクトル条件を満たしている事を確認した上で、STCでの光電変換特性を取得した。屋外太陽光下で得られた結果と前記近似太陽光光源によって測定した結果と比較した。その結果、Pmaxで3.5%(パーセント)、Isc及びFFで7%(パーセント)、Vocで0.3%(パーセント)の平均誤差が認められた。
2 基準状態で電流マッチングが得られるタンデム型太陽電池2
3 ボトム層厚が2のものより厚いタンデム型太陽電池3
Claims (4)
- 複数の要素セルを積層した多接合型光電変換素子からなる試験セルの基準状態での出力特性を調整されたスペクトル可変な近似太陽光光源下で測定する多接合光電変換素子試験セルの特性測定方法であって、
前記スペクトル可変な近似太陽光光源の調整は、前記試験セルと同等の構成を有するがスペクトル依存性が若干異なる複数の基準セルを用意し、
前記複数の基準セルは基準状態での出力特性が既に取得されたものであり、
当該近似太陽光光源を用いてそれぞれの前記試験セルの出力特性を測定し、
前記試験セルが基準状態下で得られる出力特性を再現する様に調整がなされたものであり、
前記の様に調整された近似太陽光光源下で前記試験セルの出力特性を測定することを特徴とする多接合光電変換素子試験セルの特性測定方法。 - 前記スペクトル可変な近似太陽光光源の調整は、前記試験セルと同等の構成を有するがスペクトル依存性が若干異なる複数の基準セルを用意する工程と、
高いスペクトル合致度を提供する光源を使用し、調整済の光源下で複数の基準セルのそれぞれの基準状態での特性である基準特性を取得する工程を含むことを特徴とする請求項1に記載の多接合光電変換素子試験セルの特性測定方法。 - 前記近似太陽光光源の調整は、前記近似太陽光光源のエアマスフィルタ、光学フィルタ、補助光源光量、光源数、及び光源パルス幅から選ばれる少なくとも1つの条件を調整する事により実施されることを特徴とする請求項1又は2に記載の多接合光電変換素子試験セルの特性測定方法。
- 複数の要素セルを積層した多接合型光電変換素子からなる試験セルの基準状態での出力特性をスペクトル可変な近似太陽光光源下で測定する際における前記近似太陽光光源のスペクトル調整方法であって、
前記試験セルと同等の構成を有するがスペクトル依存性が若干異なる複数の基準セルを用意し、
前記複数の基準セルは高いスペクトル合致度を提供する光源を使用し、調整済の光源下でそれぞれの基準状態での出力特性が既に取得されたものであり、
前記近似太陽光光源を用いてそれぞれの前記試験セルの出力特性を測定し、
前記試験セルが基準状態下で得られる出力特性を再現する様に前記近似太陽光光源を調整することを特徴とする近似太陽光光源のスペクトル調整方法。
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