JP4663155B2 - 太陽電池の内部量子効率測定装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の内部量子効率測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池において、光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率は最も重要な性能である。例えば、太陽電池を普及させるためには、変換効率の高い太陽電池を実現することが不可欠である。この変換効率に影響を与えるパラメータの１つとして、短絡光電流がある。これは、短絡状態に接続した太陽電池の表面に光を照射した際に発生する電流のことである。理想的には、照射された光の全てが電流に変換されることが望ましいが、実際には様々な損失の過程があるため、照射された光の全てが電流に変換されるわけではない。そこで、損失原因を明確にするため、一般に、太陽電池に入射した光量（フォトン数）に対する発生電流の割合（外部量子効率）の波長依存性が測定される。外部量子効率は、大きく分けて２つの要素からなり、１つは太陽電池表面での光反射率、もう１つは反射せずに太陽電池内部に入射した光に対する量子効率（内部量子効率）である。
【０００３】
変換効率の高い太陽電池素子を作製する過程では、内部量子効率を正確に求め、それを基に素子自体について改良すべき課題を明らかにする必要がある。内部量子効率の波長依存性は、上述の光の反射率と外部量子効率とから、計算により求められる。内部量子効率Ｓは、外部量子効率Ｑと反射率Ｒとを用いて式（１）で表わされる。
Ｓ＝Ｑ／（１−Ｒ） （１）
【０００４】
以下に、従来の反射率測定装置および外部量子効率測定装置について説明する。図１０は、従来の反射率測定装置１０を図式的に示す概観図である。ここで、測定する試料３４は、太陽電池素子である。この反射率測定装置１０は、光源１２、回転鏡１４、積分球１６、および、受光装置１８からなる。また、積分球１６は、測定光３０を積分球１６内に導入する開口部２０、参照光３２を積分球１６内に導入する開口部２２、積分球内の測定光を通過させて測定試料に導く開口部２４、および、測定試料からの反射光を通過させて受光装置１８に導く２つの開口部２６を備える。以下にこの測定装置の動作を説明する。光源１２から出た単一波長の光は、回転鏡１４によって、参照光路と試料光路に切り換えられる。まず、参照光３２が、開口部２２を通して積分球１６内に導入される。参照光３２は、測定試料３４ではなく積分球内の壁面に照射される。壁面からの反射光は積分球１６内で集光され、開口部２６を通して受光装置１８に導かれて受光装置１８によって受光される。この受光装置１８は、フォトダイオード等の光電変換素子であり、光源１２から照射された光が測定試料３４によって吸収されずに全て反射された場合の反射光の光量を電気信号として出力する。次に、もう一方の光である測定光３０が、開口部２０を通して積分球１６内に導入される。測定光３０が測定試料３４に照射されると、測定試料３４は、その一部を吸収し、その一部を反射する。反射された一部の光は、積分球１６で集光され、開口部２６を通して受光装置１８で受光される。受光装置１８は、光電変換によって、測定試料３４によって反射された一部の光の光量を電気信号に変換する。この場合の受光装置１８の出力と、参照光を照射した場合の受光装置１８の出力とから、測定試料３４の反射率が求められる。
【０００５】
図１１は、従来の外部量子測定装置４０を図式的に示す概観図である。ここで、測定する試料４２は太陽電池素子であり、表面に電極４４および電極４６が形成されている。この外部量子効率測定装置４０は、測定試料４２にチョッピングされた単一波長の光を照射する光源４８、電極４４および電極４６に接続される外部回路５０、外部回路５０を流れる電流を負荷抵抗によって変換された電圧として測定するためのロックインアンプ５２、および、試料にバイアス光を照射するバイアス光光源５４からなる。バイアス光光源５４は、擬似太陽光下で精度の高い外部量子効率を測定するために設置される。以下にこの測定装置の動作を説明する。まず、光源４８から測定試料４２にチョッピングされた単一波長の光が照射される。すると、光電変換により、測定試料４２において電気が生成される。次に、変換された電気を電流として外部回路５０に取り出し、さらに、負荷抵抗（図示されない）によって電圧に変換し、その電圧をロックインアンプ５２によって測定する。なお、ロックインアンプ５２によって測定される電圧と負荷抵抗とによって計算される電流の絶対値は、バイアス光を照射せず、かつ、単色光をチョッピングせずに直流光として照射した場合に測定される発生電流の絶対値と、バイアス光を照射せず、かつ、単色光をチョピングして照射した場合に測定される発生電流の絶対値が一致するように補正することによって補償される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前に述べたように、内部量子効率は、測定された反射率と外部量子効率とを用いて、式（１）の計算式で求められる。よって、正確な内部量子効率を得るためには、正確な反射率と外部量子効率とが測定されなければならない。しかし、従来の２つの測定は、異なる測定装置で測定されるために測定条件が同一ではなく、同一の状態で光が照射された場合の反射率と外部量子効率とを得ることができなかった。まず第１に、図１０に示されるような反射率測定装置１０において試料３４に照射される光の面積は、一般に、積分球１６に設けられた開口部２４の開口面積より小さく、その面積は、図１１の外部量子効率測定装置４０において試料４２に照射される光の面積よりも小さくなる。また、たとえ全く同じ面積で両測定が行えたとしても、両測定において光が照射される試料の領域を一致させることは事実上不可能である。特に、測定試料として、多結晶シリコンのような面内において反射率が均一ではない基板が用いられると、得られる反射率の誤差が大きくなり、正確な内部量子効率を求めることはできない。従って、反射率および外部量子効率は、測定試料に照射される光の条件を同一にして測定されることが望まれる。
【０００７】
また、従来の測定において、測定試料に照射される光の面内分布が悪いという問題があった。試料に照射される光の面内分布が悪いと、特に、反射率の測定誤差が大きく、正確な内部量子効率測定を求めることができない。例えば、光源として輝度分布の悪いキセノンランプ等の放電管光源を用いると、光源から照射される光の面内分布がその光の波長変化に伴って大きく変化する。従って、測定試料に良質な光を照射できる装置が望まれる。
【０００８】
さらに、太陽電池素子の広い面積（例えば、２ｃｍ角以上）について正確な反射率および外部量子効率が測定できることが望まれる。
【０００９】
さらに、測定される試料の光路中における前後の位置や、試料の厚みが異なっても、同様に、正確な反射率および外部量子効率が得られることが望まれる。
【００１０】
さらに、測定領域の面積や形状にかかわらず、反射率および外部量子効率が正確に測定できることが望まれる。
【００１１】
本発明の目的は、同一の光が照射された場合の反射率と外部量子効率とを正確に得ることができる内部量子効率測定装置および方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る太陽電池内部量子効率測定装置は、太陽電池に単色光を照射する第１の光源と、前記の単色光、および、前記の単色光を太陽電池に照射したときに前記の太陽電池から反射される反射光を測光する測光手段と、光を前記の太陽電池に照射したときに生じる起電流を測定する起電流測定手段とからなる。
【００１３】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の単色光はチョッピングされている。
【００１４】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置は、さらに、太陽電池にバイアス光を照射する第２の光源を含む。
【００１５】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の測光手段は積分球と受光手段とからなり、前記の積分球は、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に設置され、さらに、前記の第１の光源と前記の積分球との間の光路中に、前記の第１の光源から放射される光を前記の積分球に導く第１の光学系が備えられる。また、前記の積分球は、前記の単色光を積分球内に導入する第１の開口部と、前記の第１の開口部から導入された光を通過させて前記の太陽電池に導く第２の開口部と、前記の単色光を前記の積分球の内壁面に照射させるように積分球内に導入する第３の開口部と、前記の太陽電池および前記の内壁面から反射されて集光された反射光を通過させて前記の受光手段に導く第４の開口部とを備える。
【００１６】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の測光手段は積分球と受光手段とからなり、前記の積分球は、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に設置され、さらに、前記の第１の光源と前記の積分球との間の光路中に、前記の第１の光源から放射される光を前記の積分球に導く第１の光学系が備えられる。また、前記の積分球は、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に設置され、前記の単色光を積分球内に導入する第１の開口部と、前記の第１の開口部から導入された光を通過させて前記の太陽電池に導く第２の開口部と、前記の単色光を前記の積分球の内壁面に照射させるように積分球内に導入する第３の開口部と、前記の太陽電池および前記の内壁面から反射されて集光された反射光を通過させて前記の受光手段に導く第４の開口部と、前記のバイアス光を前記の太陽電池に照射させるように前記の積分球内に導入する第５の開口部と、内面が前記の積分球の内壁と同じ材料で形成される着脱可能な前記の第５の開口部の覆いとを備える。
【００１７】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置は、さらに、前記の積分球を保持する保持部と固定された基部とからなる積分球保持手段を含み、前記の保持部は、前記の基部に対して可動式に取り付けられる。
【００１８】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の起電流測定手段は、前記の太陽電池の表面に形成された第１および第２の電極に接続される外部回路と、前記の外部回路に流れる電流を電圧に変換する負荷抵抗と、前記の電圧を測定する電圧測定手段とからなる。
【００１９】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、さらに、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に、前記の太陽電池に照射される光の面内分布を均一化する光均一化手段を設ける。
【００２０】
好ましくは、前記の光均一化手段は、フライアイレンズと集光レンズとからなる。
【００２１】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、さらに、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に、光源から太陽電池までの作動距離を長くする第２の光学系を設ける。
【００２２】
好ましくは、前記の第２の光学系は、両側テレセントリックレンズからなる。
【００２３】
好ましくは、前記の第２の光学系は、非球面の反射鏡からなる。
【００２４】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、さらに、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に、前記の第１の光源から放射される光の一部を遮る光遮蔽手段を設ける。
【００２５】
好ましくは、前記の光遮蔽手段は、ピンホールを有するアパーチャである。
【００２６】
本発明に係る太陽電池内部量子効率測定方法は、太陽電池にバイアス光とチョッピングされた単色光とを照射する照射ステップと、前記の単色光、および、前記の単色光を前記の太陽電池に照射したときに前記の太陽電池から反射される反射光を測光する測光ステップと、前記のバイアス光と前記の単色光を前記の太陽電池に照射したときに生じる起電流を測定する起電流測定ステップと、内部量子効率を計算するステップとからなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００を図式的に示す図である。この内部量子効率測定装置１００は、太陽電池素子である測定試料１０２にチョッピングされた単一波長の光を照射する光源１１０と試料１０２にバイアス光を照射する光源１１２とを備える。光源１１０と測定試料１０２との間の光路には、レンズ群１１４、回転鏡１１６、積分球１１８が設置される。ここで、レンズ群１１４は、図２で示されるように、フライアイレンズ２０２、集光レンズ２０４、および、両側テレセントリックレンズ２０５の集合である。そして、積分球１１８の外部には、測定試料１０２からの反射光を受光する２つの受光装置１２０が設置される。この受光装置１２０は光電変換素子であり、例えば、一方がシリコンフォトダイオードで他方がインジウムガリウムヒ素フォトダイオードである。さらに、この装置１００には、測定試料１０２の表面電極１０４、１０６に接続される外部回路１２２が備えられる。その外部回路１２２には、チョッピングされた単色光により発生した外部回路１２２を流れる電流を、負荷抵抗によって変換された電圧として測定するためのロックインアンプ１２４が接続される。
【００２８】
なお、本実施の形態による内部量子効率測定装置１００において、受光装置１２０として、シリコンフォトダイオードとインジウムガリウムヒ素フォトダイオードを利用しているが、受光素子として動作するものであれば、その他の材料、例えば、ゲルマニウム、インジウムガリウムリン、または、アルミニウムガリウムヒ素等であってもよい。また、受光装置の数も２つに限定されるものではなく、より広範囲にわたる波長に対して特性を測定する場合等は、３つ以上の受光装置を利用してもよい。
【００２９】
積分球１１８には、光が通過する複数の開口部が形成される。それらは、測定試料１０２に照射される測定光１５０を積分球１１８内に導入する測定光用の開口部１３０、参照光１５２を積分球１１８内に導入する参照光用の開口部１３２、測定光１５０を通過させて測定試料１０２に導く測定試料用の開口部１３４、積分球１１８で集光された反射光を通過させて受光装置１２０に導く２つの受光用の開口部１３６、および、積分球１１８内に白色バイアス光を導入するバイアス光用の開口部１３８である。さらに、この積分球１１８には、バイアス光用の開口部１３８を覆うシャッター１４０が設けられる。このシャッター１４０は、積分球１１８の内壁面と同じ曲率を持ち、開口部に接する側の表面は、積分球１１８の内壁と同じ材料で作製されている。シャッター１４０は、移動機構によって着脱できるようになっている。
【００３０】
次に、この内部量子効率測定装置１００の動作を説明する。最初に、試料１０２の反射率を測定する場合について説明する。まず、光源１１０から出た光はレンズ群１１４を通過する。さらに、回転鏡１１６によって切り換えられた一方の光が、参照光１５２として開口部１３２から積分球１１８内に導入される。積分球１１８内に導入された光は、測定試料１０２ではなく、積分球１１８の内壁面に照射される。この光は、内壁面により、積分球１１８内のあらゆる方向に向かって反射されるが、積分球１１８内で集光され、２つの開口部１３６を経由して受光装置１２０に到達する。この受光装置１２０は、光電変換により、受光した光を電気信号に変換する。例えば、この受光装置１２０により、受光された光の光量を電流Ａとして測定できる。これにより、光源１１０から照射された光が全て積分球内で反射された場合の反射光の光量が測定できる。
【００３１】
次に、回転鏡１１６によって切り換えられた他方の光が、測定光１５０として開口部１３０から積分球１１８内に導入される。積分球１１８内に導入された光は、開口部１３４を通って測定試料１０２に入射する。この光は、測定試料１０２により、その一部が反射され、残りは吸収される。反射される光は、積分球１１８内のあらゆる方向に向かって反射される。このとき、試料１０２からの反射光をできるだけ多く捕らえるために、試料１０２と積分球１１８は密着していることが好ましい。反射光は、積分球１１８内で集光され、２つの開口部１３６を経由して受光装置１２０に到達する。例えば、この受光装置１２０により、受光された光を電流Ｂとして測定できる。これにより、光源１１０から照射された光のうち測定試料１０２によって吸収されなかった光、つまり、測定試料１０２によって反射された一部の光の光量を測定できる。
【００３２】
以上のことから、この試料の反射率Ｒは、Ｒ＝Ｂ／Ａとして求められる。なお、この反射率測定の間、バイアス光用の開口部１３８はシャッター１４０によって塞がれる。
【００３３】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００において、光源１１０を出た光はレンズ群１１４を通過する。このレンズ群１１４における動作について、以下に詳細に説明する。図２に示されるように、光源１１０を出た光は、まず、フライアイレンズ２０２に入射する。入射した光は、多数のレンズ素子で構成されたフライアイレンズ２０２の表面において拡散される。つまり、フライアイレンズ２０２によって、多数の２次光源に分割される。そして、分割された２次光源は、集光レンズ２０４によって合成される。これにより、光の積分効果が得られ、面内分布の良い光が生成される。
【００３４】
さらに、集光レンズ２０４に続いて、両側テレセントリックレンズ２０５が採用されている。図３は、この両側テレセントリックレンズ光学系を示す図である。この光学系において、主光線２１０は、光学系の焦点を通り、レンズ光軸に対して平行である。よって、作動距離の長い光学系が実現できる。これは、内部量子効率測定装置１００において、測定試料１０２の広い面積（例えば、２ｃｍ角以上）を測定する場合に特に有効である。
【００３５】
試料１０２の測定面積が大きくなると、測定光用の開口部１３０や測定試料用の開口部１３４等が大きくなるので、結果として、積分球１１８における開口部の面積の総和が大きくなる。積分球１１８の全表面積に対する開口面積の総和の割合が一定の値を超えると、著しい測定誤差を生じるので、測定面積が大きい場合には表面積の大きな積分球、つまり、大口径の積分球が必要となる。本実施の形態の内部量子効率測定装置１００は、両側テレセントリックレンズを採用することによって、光源から太陽電池までの作動距離の長い光学系を実現し、光が直径の大きな積分球を通過して試料１０２に入射することを可能にした。
【００３６】
次に、この試料１０２の外部量子効率を測定する場合について説明する。光源１１０から出た光は、レンズ群１１４を通過し、回転鏡１１６によって切り換えられた一方の光が、測定光１５０として開口部１３０から積分球１１８内に導入される。積分球１１８内に導入された光は、測定試料１０２に照射される。この光は、測定試料１０２によって、その一部が反射され、残りは吸収される。吸収された光は、測定試料１０２によって電気に変換される。その電気は、測定試料１０２に接続された外部回路１２２によって、電流として取り出され、さらに負荷抵抗（図示されない）によって電圧に変換される。変換された電圧は、ロックインアンプ１２４によって測定される。
【００３７】
なお、この外部量子効率測定時には、シャッター１４０が外され、光源１１２からバイアス光用の開口部１３８を通って、測定試料１０２にバイアス光が照射される。このバイアス光は、例えば、入射強度が１００ｍＷ／ｃｍ２の白色光である。これにより、擬似太陽光下で測定を行うことができ、より正確な外部量子効率が求められる。
【００３８】
本実施の形態の内部量子効率測定装置１００において、積分球１１８にバイアス光用の開口部１３８を設けたので、試料１０２の外部量子効率を、白色バイアス光を照射した状態で測定できる。さらに、開口部１３８を覆うシャッター１４０とその移動機構とを設けたので、開口部１３８の開閉を自由に行える。これにより、反射率測定時に、開口部１３８をシャッター１４０で覆って、反射率の測定誤差を小さくし、外部量子効率測定時に、そのシャッター１４０を外して、擬似太陽光下で正確な測定を行うことができる。
【００３９】
なお、バイアス光光源１１２と開口部１３８との間の光路中に、特殊なバンドパスフィルタ、または、バンドエリミネートフィルタが挿入されてもよい。これにより、任意の波長分布を持つバイアス光を照射して、積層型太陽電池の量子効率が測定できる。
【００４０】
また、回転鏡１１６は、光源１１０から放射された光を、参照光と測定光とに切り換える任意の装置である。これは、代わりに、光源１１０から放射された光を切り換えるのではなく、光源１１０から放射された光を、光量が等しい参照光と測定光とに分離する装置であってもよい。この場合、両者の光が同時に積分球に入射しないように、一方の光のみを通過させて他方の光を遮断する手段を併用する。
【００４１】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００は、反射率測定装置と外部量子効率測定装置とを一体化した装置であり、各々の測定を、試料を移動することなく、同一の照射光条件で行える。加えて、一体化したことによって、従来の各々の測定で実現されていた精度を損なうことなく、むしろ、より正確な測定を可能にした。
【００４２】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００は、光路中にフライアイレンズを設置することにより、光源の種類や測定波長に関わらず面内均一性の良好な光を測定試料に照射できる。
【００４３】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００において、両側テレセントリック光学系を採用することにより、作動距離の長い光学系を実現できる。これにより、大口径の積分球内に測定光を導入することが可能となり、結果として、測定面積が広い（例えば、２ｃｍ角以上の）場合の測定も行える。また、両側テレセントリック光学系を採用することにより、焦点深度の深い照明を実現できる。従って、測定試料の位置や試料の厚み等の違いにより、測定表面の位置が光路中において前後に移動しても、照射される光の照度を同一にして測定できる。
【００４４】
実施の形態２．
次に、第２の実施の形態による内部量子効率測定装置について説明する。本実施の形態の内部量子効率測定装置において、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００と異なる点は、レンズ群１１４の両側テレセントリック光学系を反射鏡で実現したことである。図４に、この反射鏡で実現された両側テレセントリック光学系を示す。
【００４５】
図３における両側テレセントリックレンズ光学系は、単レンズを使用した場合に、球面収差と色収差が発生する。一般に、これを解決するために、高屈折率の光学材料と低屈折率の光学材料とを組み合わせた色消しレンズが使用されるが、色消しレンズは、利用できる波長範囲が狭く、測定装置で要求される波長帯域を満足させることができないという欠点がある。そこで、本実施の形態による内部量子効率測定装置では、図４のように、反射鏡２２０を使って両側テレセントリック光学系を構成した。これにより、色収差を除去でき、上述の問題を解決できる。また、一般に、反射鏡としては球面鏡が使用されるが、球面鏡による軸外し光学系は、非点収差を生じ、このため、像が分布を持つ不完全な状態になるという欠点がある。そこで、本実施の形態による内部量子効率測定装置では、反射鏡２２０を非球面鏡（トロイダル鏡）で構成し、この問題を解決した。以上のことから、本実施の形態の内部量子効率測定装置において、反射鏡２２０を非球面鏡で構成することにより、収差の少ない、色収差の発生しない集光光学系を実現できる。
【００４６】
なお、本実施の形態の内部量子効率測定装置においても、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置と同様の効果が得られる。
【００４７】
実施の形態３．
次に、第３の実施の形態による内部量子効率測定装置について説明する。図５は、本実施の形態による内部量子効率測定装置２５０を図式的に示す図である。図５において、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００と同じ構成には、図１と同じ番号が付してある。内部量子効率測定装置１００と異なる点は、光源１１０から積分球１１８までの光路中にピンホールを開けたアパーチャ２６０が挿入できる構造となっている点である。
【００４８】
測定試料１０２に照射される光の面積は、通常、積分球１１８の測定試料用開口部１３４の面積である。開口部１３４よりも小さい面積の光を照射する場合には、試料上にマスクを配置して測定が行われる。しかし、試料からの反射光と同時にマスクからの反射光も測定されるので、マスクの領域が大きくなるにつれて、得られる反射率は正確ではなくなる。また、開口部１３４よりも小さいサイズの試料を測定する場合、測定試料と同時に試料を保持する試料台にも光が入射し、この試料台からも反射光が生じるため、正確な反射率測定が行えない。そこで、本実施の形態による内部量子効率測定装置２５０において、光が積分球１１８内に導入される以前にその面積や形状を調節できるような構造を実現した。これにより、測定面積の大小、測定領域の形状にかかわらず、正確な反射率測定が可能となった。
【００４９】
なお、本実施の形態の内部量子効率測定装置においても、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置と同様の効果が得られる。
【００５０】
実施の形態４．
次に、第４の実施の形態による内部量子効率測定装置について説明する。本実施の形態の内部量子効率測定装置において、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００と異なる点は、図６に示されるように、積分球１１８を保持する部分３０２にレール３０４が取り付けられている点である。これにより、積分球１１８を光路中に設置したり（ａ）、光路外に退避させる（ｂ）ことが可能となる。例えば、測定試料１０２の面積が積分球１１８の測定試料用開口部１３４の面積とほぼ同じであり、かつ、試料の光照射面側の電極と電気的接続を行うために、リード線ではなく針状のプローブを接触させる場合等は、積分球１１８を用いずに従来の外部量子効率測定装置と同様の構成による測定を行う必要がある。また、反射率測定が不要であって積分球１１８を配置する必要がない場合もある。これらの場合には、積分球１１８を保持する保持部分３０２をレール３０４によって移動させて、積分球１１８を光路外に退避させることができる。
【００５１】
本実施の形態による内部量子効率測定装置において、積分球１１８を用いた測定が不要な場合、または、不可能な場合に、極めて簡便に、従来の測定と同様の外部量子効率測定が可能となる。
【００５２】
ただし、積分球１１８を用いた場合と用いない場合において、外部量子効率の測定データに違いがあると意味がないため、同一の測定試料１０２を用いて両者の場合で比較を行った。なお、測定試料に入射する光３００の光量を同一にするため、積分球１１８を用いない場合は、試料１０２に照射される光の面積が、積分球１１８の下部に取り付けられたマスク３１０により規定される開口面積（図７）と同じになるように、別のマスク３１２を測定試料１０２上に配置して測定を行った（図８）。この測定の結果、図９に示されるように、両者の場合において、測定データには差がみられなかった。
【００５３】
なお、本実施の形態の内部量子効率測定装置においても、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置と同様の効果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明による内部量子効率測定装置により、照射される光の条件を同一にして反射率と外部量子効率とを正確に得ることができる。
【００５５】
さらに、外部量子効率測定を行う場合は、バイアス光を照射できる。
【００５６】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置において、反射率測定に利用される構成要素を取り外すことにより、外部量子効率を単独で正確に測定できる。
【００５７】
また、本発明による内部量子効率測定装置により、測定試料に面内分布の良い良質な測定光を照射できる。
【００５８】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置により、作動距離の長い光学系を実現でき、太陽電池素子の広い面積（例えば、２ｃｍ角以上）について正確な反射率および外部量子効率が測定できる。
【００５９】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置において、作動距離の長い光学系を実現するために非球面の反射鏡を利用することによって、収差の少ない、色収差の発生しない光学系を実現できる。
【００６０】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置において、光路中でその一部が遮断された測定光を測定試料に照射することにより、測定領域の面積や形状にかかわらず、反射率および外部量子効率が正確に測定できる。
【００６１】
さらに、本発明による内部量子効率測定方法によって、照射される光の条件を同一にして測定した正確な反射率と外部量子効率とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による実施の形態１の内部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【図２】 フライアイレンズと両側テレセントリック光学系とを組み合わせた光学系を示す図。
【図３】 両側テレセントリック光学系を示す図。
【図４】 反射鏡を用いたその他の両側テレセントリック光学系を示す図。
【図５】 本発明による実施の形態３の内部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【図６】 本発明による実施の形態４の内部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【図７】 積分球下側からみた測定試料用開口部の概略図。
【図８】 積分球非使用時のマスクが装着された測定試料を示す図。
【図９】 積分球の有無による外部量子効率の比較を示すグラフの図。
【図１０】 従来の反射率測定装置を図式的に示す図。
【図１１】 従来の外部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【符号の説明】
１００ 内部量子効率測定装置、 １０２ 測定試料、 １０４、１０６ 電極、 １１０ 測定光光源、 １１２ バイアス光光源、 １１４ レンズ群、１１６ 回転鏡、 １１８ 積分球、 １２０ 受光装置、 １２２ 外部回路、 １２４ ロックインアンプ、 １３０、１３２、１３４、１３６、１３８開口部、 １４０ シャッター
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池の内部量子効率測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池において、光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率は最も重要な性能である。例えば、太陽電池を普及させるためには、変換効率の高い太陽電池を実現することが不可欠である。この変換効率に影響を与えるパラメータの１つとして、短絡光電流がある。これは、短絡状態に接続した太陽電池の表面に光を照射した際に発生する電流のことである。理想的には、照射された光の全てが電流に変換されることが望ましいが、実際には様々な損失の過程があるため、照射された光の全てが電流に変換されるわけではない。そこで、損失原因を明確にするため、一般に、太陽電池に入射した光量（フォトン数）に対する発生電流の割合（外部量子効率）の波長依存性が測定される。外部量子効率は、大きく分けて２つの要素からなり、１つは太陽電池表面での光反射率、もう１つは反射せずに太陽電池内部に入射した光に対する量子効率（内部量子効率）である。
【０００３】
変換効率の高い太陽電池素子を作製する過程では、内部量子効率を正確に求め、それを基に素子自体について改良すべき課題を明らかにする必要がある。内部量子効率の波長依存性は、上述の光の反射率と外部量子効率とから、計算により求められる。内部量子効率Ｓは、外部量子効率Ｑと反射率Ｒとを用いて式（１）で表わされる。
Ｓ＝Ｑ／（１−Ｒ） （１）
【０００４】
以下に、従来の反射率測定装置および外部量子効率測定装置について説明する。図１０は、従来の反射率測定装置１０を図式的に示す概観図である。ここで、測定する試料３４は、太陽電池素子である。この反射率測定装置１０は、光源１２、回転鏡１４、積分球１６、および、受光装置１８からなる。また、積分球１６は、測定光３０を積分球１６内に導入する開口部２０、参照光３２を積分球１６内に導入する開口部２２、積分球内の測定光を通過させて測定試料に導く開口部２４、および、測定試料からの反射光を通過させて受光装置１８に導く２つの開口部２６を備える。以下にこの測定装置の動作を説明する。光源１２から出た単一波長の光は、回転鏡１４によって、参照光路と試料光路に切り換えられる。まず、参照光３２が、開口部２２を通して積分球１６内に導入される。参照光３２は、測定試料３４ではなく積分球内の壁面に照射される。壁面からの反射光は積分球１６内で集光され、開口部２６を通して受光装置１８に導かれて受光装置１８によって受光される。この受光装置１８は、フォトダイオード等の光電変換素子であり、光源１２から照射された光が測定試料３４によって吸収されずに全て反射された場合の反射光の光量を電気信号として出力する。次に、もう一方の光である測定光３０が、開口部２０を通して積分球１６内に導入される。測定光３０が測定試料３４に照射されると、測定試料３４は、その一部を吸収し、その一部を反射する。反射された一部の光は、積分球１６で集光され、開口部２６を通して受光装置１８で受光される。受光装置１８は、光電変換によって、測定試料３４によって反射された一部の光の光量を電気信号に変換する。この場合の受光装置１８の出力と、参照光を照射した場合の受光装置１８の出力とから、測定試料３４の反射率が求められる。
【０００５】
図１１は、従来の外部量子測定装置４０を図式的に示す概観図である。ここで、測定する試料４２は太陽電池素子であり、表面に電極４４および電極４６が形成されている。この外部量子効率測定装置４０は、測定試料４２にチョッピングされた単一波長の光を照射する光源４８、電極４４および電極４６に接続される外部回路５０、外部回路５０を流れる電流を負荷抵抗によって変換された電圧として測定するためのロックインアンプ５２、および、試料にバイアス光を照射するバイアス光光源５４からなる。バイアス光光源５４は、擬似太陽光下で精度の高い外部量子効率を測定するために設置される。以下にこの測定装置の動作を説明する。まず、光源４８から測定試料４２にチョッピングされた単一波長の光が照射される。すると、光電変換により、測定試料４２において電気が生成される。次に、変換された電気を電流として外部回路５０に取り出し、さらに、負荷抵抗（図示されない）によって電圧に変換し、その電圧をロックインアンプ５２によって測定する。なお、ロックインアンプ５２によって測定される電圧と負荷抵抗とによって計算される電流の絶対値は、バイアス光を照射せず、かつ、単色光をチョッピングせずに直流光として照射した場合に測定される発生電流の絶対値と、バイアス光を照射せず、かつ、単色光をチョピングして照射した場合に測定される発生電流の絶対値が一致するように補正することによって補償される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前に述べたように、内部量子効率は、測定された反射率と外部量子効率とを用いて、式（１）の計算式で求められる。よって、正確な内部量子効率を得るためには、正確な反射率と外部量子効率とが測定されなければならない。しかし、従来の２つの測定は、異なる測定装置で測定されるために測定条件が同一ではなく、同一の状態で光が照射された場合の反射率と外部量子効率とを得ることができなかった。まず第１に、図１０に示されるような反射率測定装置１０において試料３４に照射される光の面積は、一般に、積分球１６に設けられた開口部２４の開口面積より小さく、その面積は、図１１の外部量子効率測定装置４０において試料４２に照射される光の面積よりも小さくなる。また、たとえ全く同じ面積で両測定が行えたとしても、両測定において光が照射される試料の領域を一致させることは事実上不可能である。特に、測定試料として、多結晶シリコンのような面内において反射率が均一ではない基板が用いられると、得られる反射率の誤差が大きくなり、正確な内部量子効率を求めることはできない。従って、反射率および外部量子効率は、測定試料に照射される光の条件を同一にして測定されることが望まれる。
【０００７】
また、従来の測定において、測定試料に照射される光の面内分布が悪いという問題があった。試料に照射される光の面内分布が悪いと、特に、反射率の測定誤差が大きく、正確な内部量子効率測定を求めることができない。例えば、光源として輝度分布の悪いキセノンランプ等の放電管光源を用いると、光源から照射される光の面内分布がその光の波長変化に伴って大きく変化する。従って、測定試料に良質な光を照射できる装置が望まれる。
【０００８】
さらに、太陽電池素子の広い面積（例えば、２ｃｍ角以上）について正確な反射率および外部量子効率が測定できることが望まれる。
【０００９】
さらに、測定される試料の光路中における前後の位置や、試料の厚みが異なっても、同様に、正確な反射率および外部量子効率が得られることが望まれる。
【００１０】
さらに、測定領域の面積や形状にかかわらず、反射率および外部量子効率が正確に測定できることが望まれる。
【００１１】
本発明の目的は、同一の光が照射された場合の反射率と外部量子効率とを正確に得ることができる内部量子効率測定装置および方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る太陽電池内部量子効率測定装置は、太陽電池に単色光を照射する第１の光源と、前記の単色光、および、前記の単色光を太陽電池に照射したときに前記の太陽電池から反射される反射光を測光する測光手段と、光を前記の太陽電池に照射したときに生じる起電流を測定する起電流測定手段とからなる。
【００１３】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の単色光はチョッピングされている。
【００１４】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置は、さらに、太陽電池にバイアス光を照射する第２の光源を含む。
【００１５】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の測光手段は積分球と受光手段とからなり、前記の積分球は、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に設置され、さらに、前記の第１の光源と前記の積分球との間の光路中に、前記の第１の光源から放射される光を前記の積分球に導く第１の光学系が備えられる。また、前記の積分球は、前記の単色光を積分球内に導入する第１の開口部と、前記の第１の開口部から導入された光を通過させて前記の太陽電池に導く第２の開口部と、前記の単色光を前記の積分球の内壁面に照射させるように積分球内に導入する第３の開口部と、前記の太陽電池および前記の内壁面から反射されて集光された反射光を通過させて前記の受光手段に導く第４の開口部とを備える。
【００１６】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の測光手段は積分球と受光手段とからなり、前記の積分球は、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に設置され、さらに、前記の第１の光源と前記の積分球との間の光路中に、前記の第１の光源から放射される光を前記の積分球に導く第１の光学系が備えられる。また、前記の積分球は、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に設置され、前記の単色光を積分球内に導入する第１の開口部と、前記の第１の開口部から導入された光を通過させて前記の太陽電池に導く第２の開口部と、前記の単色光を前記の積分球の内壁面に照射させるように積分球内に導入する第３の開口部と、前記の太陽電池および前記の内壁面から反射されて集光された反射光を通過させて前記の受光手段に導く第４の開口部と、前記のバイアス光を前記の太陽電池に照射させるように前記の積分球内に導入する第５の開口部と、内面が前記の積分球の内壁と同じ材料で形成される着脱可能な前記の第５の開口部の覆いとを備える。
【００１７】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置は、さらに、前記の積分球を保持する保持部と固定された基部とからなる積分球保持手段を含み、前記の保持部は、前記の基部に対して可動式に取り付けられる。
【００１８】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、前記の起電流測定手段は、前記の太陽電池の表面に形成された第１および第２の電極に接続される外部回路と、前記の外部回路に流れる電流を電圧に変換する負荷抵抗と、前記の電圧を測定する電圧測定手段とからなる。
【００１９】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、さらに、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に、前記の太陽電池に照射される光の面内分布を均一化する光均一化手段を設ける。
【００２０】
好ましくは、前記の光均一化手段は、フライアイレンズと集光レンズとからなる。
【００２１】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、さらに、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に、光源から太陽電池までの作動距離を長くする第２の光学系を設ける。
【００２２】
好ましくは、前記の第２の光学系は、両側テレセントリックレンズからなる。
【００２３】
好ましくは、前記の第２の光学系は、非球面の反射鏡からなる。
【００２４】
好ましくは、前記の太陽電池内部量子効率測定装置において、さらに、前記の第１の光源と前記の太陽電池との間の光路中に、前記の第１の光源から放射される光の一部を遮る光遮蔽手段を設ける。
【００２５】
好ましくは、前記の光遮蔽手段は、ピンホールを有するアパーチャである。
【００２６】
本発明に係る太陽電池内部量子効率測定方法は、太陽電池にバイアス光とチョッピングされた単色光とを照射する照射ステップと、前記の単色光、および、前記の単色光を前記の太陽電池に照射したときに前記の太陽電池から反射される反射光を測光する測光ステップと、前記のバイアス光と前記の単色光を前記の太陽電池に照射したときに生じる起電流を測定する起電流測定ステップと、内部量子効率を計算するステップとからなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
実施の形態１．
図１は、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００を図式的に示す図である。この内部量子効率測定装置１００は、太陽電池素子である測定試料１０２にチョッピングされた単一波長の光を照射する光源１１０と試料１０２にバイアス光を照射する光源１１２とを備える。光源１１０と測定試料１０２との間の光路には、レンズ群１１４、回転鏡１１６、積分球１１８が設置される。ここで、レンズ群１１４は、図２で示されるように、フライアイレンズ２０２、集光レンズ２０４、および、両側テレセントリックレンズ２０５の集合である。そして、積分球１１８の外部には、測定試料１０２からの反射光を受光する２つの受光装置１２０が設置される。この受光装置１２０は光電変換素子であり、例えば、一方がシリコンフォトダイオードで他方がインジウムガリウムヒ素フォトダイオードである。さらに、この装置１００には、測定試料１０２の表面電極１０４、１０６に接続される外部回路１２２が備えられる。その外部回路１２２には、チョッピングされた単色光により発生した外部回路１２２を流れる電流を、負荷抵抗によって変換された電圧として測定するためのロックインアンプ１２４が接続される。
【００２８】
なお、本実施の形態による内部量子効率測定装置１００において、受光装置１２０として、シリコンフォトダイオードとインジウムガリウムヒ素フォトダイオードを利用しているが、受光素子として動作するものであれば、その他の材料、例えば、ゲルマニウム、インジウムガリウムリン、または、アルミニウムガリウムヒ素等であってもよい。また、受光装置の数も２つに限定されるものではなく、より広範囲にわたる波長に対して特性を測定する場合等は、３つ以上の受光装置を利用してもよい。
【００２９】
積分球１１８には、光が通過する複数の開口部が形成される。それらは、測定試料１０２に照射される測定光１５０を積分球１１８内に導入する測定光用の開口部１３０、参照光１５２を積分球１１８内に導入する参照光用の開口部１３２、測定光１５０を通過させて測定試料１０２に導く測定試料用の開口部１３４、積分球１１８で集光された反射光を通過させて受光装置１２０に導く２つの受光用の開口部１３６、および、積分球１１８内に白色バイアス光を導入するバイアス光用の開口部１３８である。さらに、この積分球１１８には、バイアス光用の開口部１３８を覆うシャッター１４０が設けられる。このシャッター１４０は、積分球１１８の内壁面と同じ曲率を持ち、開口部に接する側の表面は、積分球１１８の内壁と同じ材料で作製されている。シャッター１４０は、移動機構によって着脱できるようになっている。
【００３０】
次に、この内部量子効率測定装置１００の動作を説明する。最初に、試料１０２の反射率を測定する場合について説明する。まず、光源１１０から出た光はレンズ群１１４を通過する。さらに、回転鏡１１６によって切り換えられた一方の光が、参照光１５２として開口部１３２から積分球１１８内に導入される。積分球１１８内に導入された光は、測定試料１０２ではなく、積分球１１８の内壁面に照射される。この光は、内壁面により、積分球１１８内のあらゆる方向に向かって反射されるが、積分球１１８内で集光され、２つの開口部１３６を経由して受光装置１２０に到達する。この受光装置１２０は、光電変換により、受光した光を電気信号に変換する。例えば、この受光装置１２０により、受光された光の光量を電流Ａとして測定できる。これにより、光源１１０から照射された光が全て積分球内で反射された場合の反射光の光量が測定できる。
【００３１】
次に、回転鏡１１６によって切り換えられた他方の光が、測定光１５０として開口部１３０から積分球１１８内に導入される。積分球１１８内に導入された光は、開口部１３４を通って測定試料１０２に入射する。この光は、測定試料１０２により、その一部が反射され、残りは吸収される。反射される光は、積分球１１８内のあらゆる方向に向かって反射される。このとき、試料１０２からの反射光をできるだけ多く捕らえるために、試料１０２と積分球１１８は密着していることが好ましい。反射光は、積分球１１８内で集光され、２つの開口部１３６を経由して受光装置１２０に到達する。例えば、この受光装置１２０により、受光された光を電流Ｂとして測定できる。これにより、光源１１０から照射された光のうち測定試料１０２によって吸収されなかった光、つまり、測定試料１０２によって反射された一部の光の光量を測定できる。
【００３２】
以上のことから、この試料の反射率Ｒは、Ｒ＝Ｂ／Ａとして求められる。なお、この反射率測定の間、バイアス光用の開口部１３８はシャッター１４０によって塞がれる。
【００３３】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００において、光源１１０を出た光はレンズ群１１４を通過する。このレンズ群１１４における動作について、以下に詳細に説明する。図２に示されるように、光源１１０を出た光は、まず、フライアイレンズ２０２に入射する。入射した光は、多数のレンズ素子で構成されたフライアイレンズ２０２の表面において拡散される。つまり、フライアイレンズ２０２によって、多数の２次光源に分割される。そして、分割された２次光源は、集光レンズ２０４によって合成される。これにより、光の積分効果が得られ、面内分布の良い光が生成される。
【００３４】
さらに、集光レンズ２０４に続いて、両側テレセントリックレンズ２０５が採用されている。図３は、この両側テレセントリックレンズ光学系を示す図である。この光学系において、主光線２１０は、光学系の焦点を通り、レンズ光軸に対して平行である。よって、作動距離の長い光学系が実現できる。これは、内部量子効率測定装置１００において、測定試料１０２の広い面積（例えば、２ｃｍ角以上）を測定する場合に特に有効である。
【００３５】
試料１０２の測定面積が大きくなると、測定光用の開口部１３０や測定試料用の開口部１３４等が大きくなるので、結果として、積分球１１８における開口部の面積の総和が大きくなる。積分球１１８の全表面積に対する開口面積の総和の割合が一定の値を超えると、著しい測定誤差を生じるので、測定面積が大きい場合には表面積の大きな積分球、つまり、大口径の積分球が必要となる。本実施の形態の内部量子効率測定装置１００は、両側テレセントリックレンズを採用することによって、光源から太陽電池までの作動距離の長い光学系を実現し、光が直径の大きな積分球を通過して試料１０２に入射することを可能にした。
【００３６】
次に、この試料１０２の外部量子効率を測定する場合について説明する。光源１１０から出た光は、レンズ群１１４を通過し、回転鏡１１６によって切り換えられた一方の光が、測定光１５０として開口部１３０から積分球１１８内に導入される。積分球１１８内に導入された光は、測定試料１０２に照射される。この光は、測定試料１０２によって、その一部が反射され、残りは吸収される。吸収された光は、測定試料１０２によって電気に変換される。その電気は、測定試料１０２に接続された外部回路１２２によって、電流として取り出され、さらに負荷抵抗（図示されない）によって電圧に変換される。変換された電圧は、ロックインアンプ１２４によって測定される。
【００３７】
なお、この外部量子効率測定時には、シャッター１４０が外され、光源１１２からバイアス光用の開口部１３８を通って、測定試料１０２にバイアス光が照射される。このバイアス光は、例えば、入射強度が１００ｍＷ／ｃｍ２の白色光である。これにより、擬似太陽光下で測定を行うことができ、より正確な外部量子効率が求められる。
【００３８】
本実施の形態の内部量子効率測定装置１００において、積分球１１８にバイアス光用の開口部１３８を設けたので、試料１０２の外部量子効率を、白色バイアス光を照射した状態で測定できる。さらに、開口部１３８を覆うシャッター１４０とその移動機構とを設けたので、開口部１３８の開閉を自由に行える。これにより、反射率測定時に、開口部１３８をシャッター１４０で覆って、反射率の測定誤差を小さくし、外部量子効率測定時に、そのシャッター１４０を外して、擬似太陽光下で正確な測定を行うことができる。
【００３９】
なお、バイアス光光源１１２と開口部１３８との間の光路中に、特殊なバンドパスフィルタ、または、バンドエリミネートフィルタが挿入されてもよい。これにより、任意の波長分布を持つバイアス光を照射して、積層型太陽電池の量子効率が測定できる。
【００４０】
また、回転鏡１１６は、光源１１０から放射された光を、参照光と測定光とに切り換える任意の装置である。これは、代わりに、光源１１０から放射された光を切り換えるのではなく、光源１１０から放射された光を、光量が等しい参照光と測定光とに分離する装置であってもよい。この場合、両者の光が同時に積分球に入射しないように、一方の光のみを通過させて他方の光を遮断する手段を併用する。
【００４１】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００は、反射率測定装置と外部量子効率測定装置とを一体化した装置であり、各々の測定を、試料を移動することなく、同一の照射光条件で行える。加えて、一体化したことによって、従来の各々の測定で実現されていた精度を損なうことなく、むしろ、より正確な測定を可能にした。
【００４２】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００は、光路中にフライアイレンズを設置することにより、光源の種類や測定波長に関わらず面内均一性の良好な光を測定試料に照射できる。
【００４３】
本実施の形態による内部量子効率測定装置１００において、両側テレセントリック光学系を採用することにより、作動距離の長い光学系を実現できる。これにより、大口径の積分球内に測定光を導入することが可能となり、結果として、測定面積が広い（例えば、２ｃｍ角以上の）場合の測定も行える。また、両側テレセントリック光学系を採用することにより、焦点深度の深い照明を実現できる。従って、測定試料の位置や試料の厚み等の違いにより、測定表面の位置が光路中において前後に移動しても、照射される光の照度を同一にして測定できる。
【００４４】
実施の形態２．
次に、第２の実施の形態による内部量子効率測定装置について説明する。本実施の形態の内部量子効率測定装置において、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００と異なる点は、レンズ群１１４の両側テレセントリック光学系を反射鏡で実現したことである。図４に、この反射鏡で実現された両側テレセントリック光学系を示す。
【００４５】
図３における両側テレセントリックレンズ光学系は、単レンズを使用した場合に、球面収差と色収差が発生する。一般に、これを解決するために、高屈折率の光学材料と低屈折率の光学材料とを組み合わせた色消しレンズが使用されるが、色消しレンズは、利用できる波長範囲が狭く、測定装置で要求される波長帯域を満足させることができないという欠点がある。そこで、本実施の形態による内部量子効率測定装置では、図４のように、反射鏡２２０を使って両側テレセントリック光学系を構成した。これにより、色収差を除去でき、上述の問題を解決できる。また、一般に、反射鏡としては球面鏡が使用されるが、球面鏡による軸外し光学系は、非点収差を生じ、このため、像が分布を持つ不完全な状態になるという欠点がある。そこで、本実施の形態による内部量子効率測定装置では、反射鏡２２０を非球面鏡（トロイダル鏡）で構成し、この問題を解決した。以上のことから、本実施の形態の内部量子効率測定装置において、反射鏡２２０を非球面鏡で構成することにより、収差の少ない、色収差の発生しない集光光学系を実現できる。
【００４６】
なお、本実施の形態の内部量子効率測定装置においても、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置と同様の効果が得られる。
【００４７】
実施の形態３．
次に、第３の実施の形態による内部量子効率測定装置について説明する。図５は、本実施の形態による内部量子効率測定装置２５０を図式的に示す図である。図５において、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００と同じ構成には、図１と同じ番号が付してある。内部量子効率測定装置１００と異なる点は、光源１１０から積分球１１８までの光路中にピンホールを開けたアパーチャ２６０が挿入できる構造となっている点である。
【００４８】
測定試料１０２に照射される光の面積は、通常、積分球１１８の測定試料用開口部１３４の面積である。開口部１３４よりも小さい面積の光を照射する場合には、試料上にマスクを配置して測定が行われる。しかし、試料からの反射光と同時にマスクからの反射光も測定されるので、マスクの領域が大きくなるにつれて、得られる反射率は正確ではなくなる。また、開口部１３４よりも小さいサイズの試料を測定する場合、測定試料と同時に試料を保持する試料台にも光が入射し、この試料台からも反射光が生じるため、正確な反射率測定が行えない。そこで、本実施の形態による内部量子効率測定装置２５０において、光が積分球１１８内に導入される以前にその面積や形状を調節できるような構造を実現した。これにより、測定面積の大小、測定領域の形状にかかわらず、正確な反射率測定が可能となった。
【００４９】
なお、本実施の形態の内部量子効率測定装置においても、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置と同様の効果が得られる。
【００５０】
実施の形態４．
次に、第４の実施の形態による内部量子効率測定装置について説明する。本実施の形態の内部量子効率測定装置において、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置１００と異なる点は、図６に示されるように、積分球１１８を保持する部分３０２にレール３０４が取り付けられている点である。これにより、積分球１１８を光路中に設置したり（ａ）、光路外に退避させる（ｂ）ことが可能となる。例えば、測定試料１０２の面積が積分球１１８の測定試料用開口部１３４の面積とほぼ同じであり、かつ、試料の光照射面側の電極と電気的接続を行うために、リード線ではなく針状のプローブを接触させる場合等は、積分球１１８を用いずに従来の外部量子効率測定装置と同様の構成による測定を行う必要がある。また、反射率測定が不要であって積分球１１８を配置する必要がない場合もある。これらの場合には、積分球１１８を保持する保持部分３０２をレール３０４によって移動させて、積分球１１８を光路外に退避させることができる。
【００５１】
本実施の形態による内部量子効率測定装置において、積分球１１８を用いた測定が不要な場合、または、不可能な場合に、極めて簡便に、従来の測定と同様の外部量子効率測定が可能となる。
【００５２】
ただし、積分球１１８を用いた場合と用いない場合において、外部量子効率の測定データに違いがあると意味がないため、同一の測定試料１０２を用いて両者の場合で比較を行った。なお、測定試料に入射する光３００の光量を同一にするため、積分球１１８を用いない場合は、試料１０２に照射される光の面積が、積分球１１８の下部に取り付けられたマスク３１０により規定される開口面積（図７）と同じになるように、別のマスク３１２を測定試料１０２上に配置して測定を行った（図８）。この測定の結果、図９に示されるように、両者の場合において、測定データには差がみられなかった。
【００５３】
なお、本実施の形態の内部量子効率測定装置においても、第１の実施の形態による内部量子効率測定装置と同様の効果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明による内部量子効率測定装置により、照射される光の条件を同一にして反射率と外部量子効率とを正確に得ることができる。
【００５５】
さらに、外部量子効率測定を行う場合は、バイアス光を照射できる。
【００５６】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置において、反射率測定に利用される構成要素を取り外すことにより、外部量子効率を単独で正確に測定できる。
【００５７】
また、本発明による内部量子効率測定装置により、測定試料に面内分布の良い良質な測定光を照射できる。
【００５８】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置により、作動距離の長い光学系を実現でき、太陽電池素子の広い面積（例えば、２ｃｍ角以上）について正確な反射率および外部量子効率が測定できる。
【００５９】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置において、作動距離の長い光学系を実現するために非球面の反射鏡を利用することによって、収差の少ない、色収差の発生しない光学系を実現できる。
【００６０】
さらに、本発明による内部量子効率測定装置において、光路中でその一部が遮断された測定光を測定試料に照射することにより、測定領域の面積や形状にかかわらず、反射率および外部量子効率が正確に測定できる。
【００６１】
さらに、本発明による内部量子効率測定方法によって、照射される光の条件を同一にして測定した正確な反射率と外部量子効率とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による実施の形態１の内部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【図２】 フライアイレンズと両側テレセントリック光学系とを組み合わせた光学系を示す図。
【図３】 両側テレセントリック光学系を示す図。
【図４】 反射鏡を用いたその他の両側テレセントリック光学系を示す図。
【図５】 本発明による実施の形態３の内部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【図６】 本発明による実施の形態４の内部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【図７】 積分球下側からみた測定試料用開口部の概略図。
【図８】 積分球非使用時のマスクが装着された測定試料を示す図。
【図９】 積分球の有無による外部量子効率の比較を示すグラフの図。
【図１０】 従来の反射率測定装置を図式的に示す図。
【図１１】 従来の外部量子効率測定装置を図式的に示す図。
【符号の説明】
１００ 内部量子効率測定装置、 １０２ 測定試料、 １０４、１０６ 電極、 １１０ 測定光光源、 １１２ バイアス光光源、 １１４ レンズ群、１１６ 回転鏡、 １１８ 積分球、 １２０ 受光装置、 １２２ 外部回路、 １２４ ロックインアンプ、 １３０、１３２、１３４、１３６、１３８開口部、 １４０ シャッター
Claims (11)
- 太陽電池に単色光を照射する第１の光源と、
前記単色光、および、前記単色光を太陽電池に照射したときに前記太陽電池から反射される反射光を測光する測光手段と、
光を前記太陽電池に照射したときに生じる起電流を測定する起電流測定手段と、
太陽電池にバイアス光を照射する第２の光源と、を含み、
前記測光手段が、積分球と受光手段とからなり、
前記積分球は、前記第１の光源と前記太陽電池との間の光路中に設置され、
更に、前記第１の光源と前記積分球との間の光路中に、前記第１の光源から放射される光を前記積分球に導く第１の光学系を備え、
前記積分球は、
前記単色光を積分球内に導入する第１の開口部と、
前記第１の開口部から導入された光を通過させて前記太陽電池に導く第２の開口部と、
前記単色光を前記積分球の内壁面に照射させるように積分球内に導入する第３の開口部と、
前記太陽電池および前記内壁面から反射されて集光された反射光を通過させて前記受光手段に導く第４の開口部と、
前記バイアス光を前記太陽電池に照射させるように前記積分球内に導入する第５の開口部と、
内面が前記積分球の内壁と同じ材料で形成される着脱可能な前記第５の開口部の覆いとを備え、
前記測光手段による反射光の測光と、前記起電流測定手段による起電流の測定が、同一の前記光路を通る同一の前記単色光を用いて行われる太陽電池内部量子効率測定装置。 - 前記単色光がチョッピングされていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
- さらに、前記積分球を保持する保持部と固定された基部とからなる積分球保持手段を含み、
前記保持部が前記基部に対して可動式に取り付けられる請求項１に記載の太陽電池内部量子効率測定装置。 - 前記起電流測定手段が、
前記太陽電池の表面に形成された第１および第２の電極に接続される外部回路と、
前記外部回路に流れる電流を電圧に変換する負荷抵抗と、
前記電圧を測定する電圧測定手段と
からなる請求項１〜３のいずれかに記載の太陽電池内部量子効率測定装置。 - さらに、前記第１の光源と前記太陽電池との間の光路中に、前記太陽電池に照射される光の面内分布を均一化する光均一化手段を設けた請求項１〜４のいずれかに記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
- 前記光均一化手段が、フライアイレンズと集光レンズとからなる請求項５に記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
- さらに、前記第１の光源と前記太陽電池との間の光路中に、光源から太陽電池までの作動距離を長くする第２の光学系を設けた請求項１〜６のいずれかに記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
- 前記第２の光学系が、両側テレセントリックレンズからなる請求項７に記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
- 前記第２の光学系が、非球面の反射鏡からなる請求項８に記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
- さらに、前記第１の光源と前記太陽電池との間の光路中に、前記第１の光源から放射される光の一部を遮る光遮蔽手段を設けた請求項１〜９のいずれかに記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
- 前記光遮蔽手段がピンホールを有するアパーチャである請求項１０に記載の太陽電池内部量子効率測定装置。
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