JP5054326B2 - Ｃｉｓ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法に関する。
本出願人らの基本的なＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは、既に、ＩＥＣ６１６４６（国際電機標準会議規格６１６４６）（第１版）に合格している。一般的に、ＩＥＣ６１６４６（第１版）で採用されている、高温高湿保管試験（温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、１，０００時間暗闇の中で保管する試験）において、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは、１，０００時間の試験後に一時的な変換効率の劣化を示すが、試験後の光照射により、回復することがわかっている。
前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの耐久性試験方法は前記ＩＥＣ６１６４６（第１版）に従って行うが、個々の試験事項に関しては、ＪＩＳで規定された太陽電池関連ＪＩＳ項目（非特許文献１参照）、例えば、ＪＩＳ Ｃ ８９１１：１９９８（二次基準結晶系太陽電池セル）、ＪＩＳ Ｃ ８９１２：１９９８（結晶系太陽電池測定用ソーラシュミレータ）、ＪＩＳ Ｃ ８９１３：１９９８（結晶系太陽電池セル出力測定方法）、ＪＩＳ Ｃ ８９１４：１９９８（結晶系太陽電池モジュール出力測定方法）等に従って行う。
太陽電池関連ＪＩＳ目録（日本規格協会発行）
実際、図５に示すように、前記高温高湿保管試験後、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールに、強い光である放射照度１，０００Ｗ／ｍ2 の光を照射時間が５０分〜３００分の間照射することにより、初期変換効率の９５％以上の範囲まで性能が回復する事例が存在する。
現時点では、光照射により、何故、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールが高温高湿保管試験後の一時的な劣化から回復するのかは明確でなく、このことはＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール技術に関して残された課題の１つである。
このような現象を理解するために、本出願人らは、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールに、高温高湿保管試験の間中、光を一定時間照射し続けたら、いかなる劣化も示さないであろうと予測し、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールに関する耐久性試験の検討を行ってきた。
前記のように、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは、前記従来の暗闇の中で保管する高温高湿保管試験では、１，０００時間の試験後に一時的な変換効率の劣化を示すが、試験後の光照射により、回復するという特性を有しており、前記従来の高温高湿保管試験方法では、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの耐久性を適正に評価しているとはいえないという問題があった。
本発明は前記問題点を解消するもので、本発明の目的は、従来のＩＥＣ６１６４６（第１版）で規定されている、高温高湿保管試験（温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、１，０００時間暗闇の中で保管する試験）による、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの変換効率の一時的な劣化を回避し、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの光照射により、変換効率等の太陽電池特性が回復するという特性に応じた、適正且つ安定的な特性評価を可能にする改良された耐久性試験方法を提供することである。
（１）本発明は、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法であって、前記耐久性試験の対象であるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを温度８５℃、相対湿度８５％の比較的高温、高湿の条件下で、暗闇中に１，０００時間格納する試験であるＤａｍｐＨｅａｔ試験を行う際に、前記温度、湿度及び格納時間はそのままで、擬似太陽光照射装置（ソーラー・シュミレータ）からの光が、曇りの日の日射量に相当する弱い光の照度になるようにＸｅランプ等の強度を調整して試験期間中継続して照射して各種太陽電池特性を計測するＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法である。
（２）本発明は、前記弱い光の放射照度が、１００〜３００Ｗ／ｍ2 である前記（１）に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法である。
（３）本発明は、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールが、パターンニングにより複数個のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイスを電気的に接続したＣＩＳ系薄膜太陽電池サブモジュールを接着剤である加熱、架橋したＥＶＡ樹脂フィルムを介してカバーカラスを貼着し、裏面側は、ガラス基板に、加熱、架橋したＥＶＡ樹脂フィルムを介してバックシートを貼着し、その下にケーブル付き接続箱等を設け、この構造体の外周囲にシール材を介してフレームを取り付けたものであり、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイスは、ガラス基板上に、アルカリバリア層（形成しなくてもよい。）、金属裏面電極層（一般的には、Mo）、ｐ形ＣＩＳ系光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ形窓層（透明導電膜）の順で高品質薄膜層が順次積層されたサブストレート構造のｐｎヘテロ接合デバイスであり、前記光吸収層は、多元化合物半導体薄膜、特に、I-III-VI2 族カルコパイライト半導体、例えば、２セレン化銅インジウム(CuInSe2：以下、ＣＩＳｅと略称する。) 、２セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2：以下、ＣＩＧＳｅと略称する。) 、２セレン化銅ガリウム(CuGaSe2：以下、ＣＧＳｅと略称する。) 、２セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 ：以下、ＣＩＧＳＳｅと略称する。) 、２イオウ化銅インジウム(CuInS2 ：以下、ＣＩＳと略称する。))、２イオウ化銅ガリウム(CuGaS2 ：以下、ＣＧＳと略称する。) ) 、２イオウ化銅インジウム・ガリウム(CuInGaS2 ：以下、ＣＩＧＳと略称する。) 、薄膜の２セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 ：ＣＩＧＳＳｅ) を表面層として有する２セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2：ＣＩＧＳｅ) のようなｐ形半導体からなる前記（１）又は（２）に記載のＣＩＧＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法である。
本発明は、従来のＩＥＣ６１６４６（第１版）で規定されている、高温高湿保管試験（温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、１，０００時間暗闇の中で保管する試験）による耐久性試験方法では、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの変換効率等の一時的な劣化により適正且つ安定に特性評価できなかったが、温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、試験対象であるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールに、曇りの日の日射量に相当する弱い光を試験期間中継続して照射するという改良された耐久性試験方法により、変換効率等の太陽電池特性が回復するというＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの特性に応じた、現実的、適正且つ安定的な特性評価を可能にすることができる。
本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法は、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法である。
本発明の耐久性試験の対象であるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２は、図３に示すように、パターンニングにより複数個のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス３’（図４参照。）を電気的に接続したＣＩＳ系薄膜太陽電池サブモジュール３を接着剤である加熱、架橋したＥＶＡ樹脂フィルム４を介してカバーカラス５を貼着し、裏面側は、ガラス基板３Ａに、加熱、架橋したＥＶＡ樹脂フィルム４を介してバックシート６を貼着し、その下にケーブル付き接続箱７等を設けた構造であり、この構造体の外周囲にシール材８を介してフレーム９を取り付ける。
前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス３’は、図４に示すような基本構造であり、青板ガラス等からなるガラス基板３Ａ、その上に、アルカリバリア層３Ｂ（形成しなくてもよい。）、金属裏面電極層（一般的には、Mo）３Ｃ、ｐ形ＣＩＳ系光吸収層３Ｄ、高抵抗バッファ層３Ｅ、ｎ形窓層（透明導電膜）３Ｆの順で高品質薄膜層が順次積層されたサブストレート構造のｐｎヘテロ接合デバイスである。前記ＣＩＳ系光吸収層３Ｄは、多元化合物半導体薄膜、特に、I-III-VI2 族カルコパイライト半導体、例えば、２セレン化銅インジウム(CuInSe2：以下、ＣＩＳｅと略称する。) 、２セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2：以下、ＣＩＧＳｅと略称する。) 、２セレン化銅ガリウム(CuGaSe2：以下、ＣＧＳｅと略称する。) 、２セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 ：以下、ＣＩＧＳＳｅと略称する。) 、２イオウ化銅インジウム(CuInS2 ：以下、ＣＩＳと略称する。))、２イオウ化銅ガリウム(CuGaS2 ：以下、ＣＧＳと略称する。) ) 、２イオウ化銅インジウム・ガリウム(CuInGaS2 ：以下、ＣＩＧＳと略称する。) 、薄膜の２セレン・イオウ化銅インジウム・ガリウム(Cu(InGa)(SSe)2 ：ＣＩＧＳＳｅ) を表面層として有する２セレン化銅インジウム・ガリウム(CuInGaSe2：ＣＩＧＳｅ) のようなｐ形半導体からなる
以下に本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法について、説明する。
本出願人らは、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールに、高温高湿保管試験の間に光を照射し続けたら、如何なる劣化も示さないであろうと予想し、検討を行ってきたが、その確認のために、擬似太陽光照射装置（ソーラー・シミュレータ）のＸｅランプ等の強度を調整することによって、曇りの日の日射量に相当する放射照度１００〜３００Ｗ／ｍ2 の弱い光を試験期間中継続して照射する改良高温高湿保管試験を行った。
本出願人らは、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールに、高温高湿保管試験の間に光を照射し続けたら、如何なる劣化も示さないであろうと予想し、検討を行ってきたが、その確認のために、擬似太陽光照射装置（ソーラー・シミュレータ）のＸｅランプ等の強度を調整することによって、曇りの日の日射量に相当する放射照度１００〜３００Ｗ／ｍ2 の弱い光を試験期間中継続して照射する改良高温高湿保管試験を行った。
本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法は、図３に示すような、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法であって、前記耐久性試験の対象であるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを温度８５℃、相対湿度８５％の比較的高温、高湿の条件下で、暗闇中に１，０００時間格納する試験であるＤａｍｐＨｅａｔ試験（耐湿性試験）を行う際に、前記温度、湿度及び格納時間はそのままで、擬似太陽光照射装置（ソーラー・シュミレータ）からの光が、曇りの日の日射量に相当する弱い光、即ち、１００〜３００Ｗ／ｍ2 程度になるようにＸｅランプ等の強度を調整して、試験期間中継続して照射して各種太陽電池特性を計測し、開放状態で保管された前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールが、前記試験時間経過後も、大幅な劣化を示さないという特性を適正に評価する。なお、プラスマイナスのケーブルを開放状態にしたＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの場合は回復し易い。
前記本発明のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法を実施するために、図１に示すような、改良耐久性試験システム１により試験を行った。改良耐久性試験システム１は、密閉構造の耐久性試験装置１Ａの一部に光照射（光透過）用のガラス窓１ａが設けられており、耐久性試験装置１Ａ内は、温度・湿度制御部１Ｃにより、温度８５℃、相対湿度８５％に設定されている。そして、耐久性試験装置１Ａから一定間隔で設置された擬似太陽光照射装置（ソーラー・シュミレータ）１Ｄ内の光源１ＥであるＸｅランプ等から耐久性試験装置１Ａ内に保管された試験対象のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２’の受光面にに対して曇りの日の日射量に相当する弱い光の放射照度、即ち、１００〜３００Ｗ／ｍ2 程度の光が試験期間中継続して照射される。前記光の調整は、電力供給制御部１Ｆによる電力量の調整により行われる。前記光の照射を受けたＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２’からの電流及び電圧をＩ−Ｖ測定部１Ｂで、試験時間１，０００時間についての測定データを測定し、太陽電池特性データ（変換効率、曲線因子、開放電圧、短絡電流）を得る。
前記耐久性試験システム１を使用した前記改良された耐久試験方法により計測された試験結果の一例を以下に示す。
改良された改良高温高湿保管方法において、カバーガラス／ＥＶＡ樹脂／ＣＩＳ系薄膜太陽電池サブモジュール／ガラス基板等からなるサンドイッチ構造を有する試験対象のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２’（図３参照。）に１００〜３００Ｗ／ｍ2 の弱い光を試験期間中継続して照射した場合、試験時間である１，０００時間終了後でさえ、図２に示すように、開放端状態で保管された当該太陽電池モジュール２’の太陽電池特性（変換効率Ｅff〔％〕、曲線因子ＦＦ、短絡電流Ｉsc〔Ａ〕、開放電圧Ｖoc〔Ｖ〕）の劣化は大幅に減少した。
改良された改良高温高湿保管方法において、カバーガラス／ＥＶＡ樹脂／ＣＩＳ系薄膜太陽電池サブモジュール／ガラス基板等からなるサンドイッチ構造を有する試験対象のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２’（図３参照。）に１００〜３００Ｗ／ｍ2 の弱い光を試験期間中継続して照射した場合、試験時間である１，０００時間終了後でさえ、図２に示すように、開放端状態で保管された当該太陽電池モジュール２’の太陽電池特性（変換効率Ｅff〔％〕、曲線因子ＦＦ、短絡電流Ｉsc〔Ａ〕、開放電圧Ｖoc〔Ｖ〕）の劣化は大幅に減少した。
この結果から、前記ＩＥＣ６１６４６で規定されている、現行のＤａｍｐＨｅａｔ試験条件及び期間、即ち、温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、１，０００時間暗闇の中に保管する試験、をＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２に適用することは、実際に適用したり、保存したりする条件としては、相応しくないと考えられる。
屋外曝露試験において、本出願人らのＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２の出力性能は、曝露３年後における前記モジュールのモジュール構造については、パッケージ化又はモジュール化が基本的な製造基準を完全に満たしていれば、全く劣化を示さなかった。
特に、光照射による変換効率の回復をもたらすメカニズム又は効果は理解されるべきであり、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２にとって、前記本発明の改良耐久性試験条件は、現在の高温高湿保管試験に比べて極めて実際の屋外曝露状態に近いので、現行の高温高湿保管試験実施後の出力性能値より実際的な値として考えるべきである。
以上のように、従来のＩＥＣ６１６４６（第１版）で規定されている、高温高湿保管試験（温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、１，０００時間暗闇の中で保管する試験）による高温高湿保管試験（耐久性試験）方法では、ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２の変換効率等に一時的な劣化が発生するという特性により、適正且つ安定に特性評価できなかったが、本発明の改良された耐久性試験方法、即ち、温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、試験対象であるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２に弱い光を、試験期間中継続して照射するという改良された耐久性試験方法により、変換効率等の太陽電池特性が回復するというＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの特性に応じた、現実的、適正且つ安定的な特性評価を可能にすることができる。
また、前記のようにＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２は、高温高湿保管試験（温度８５℃、相対湿度８５％という比較的高温高湿度の条件下で、１，０００時間暗闇の中で保管する試験）において、１，０００時間の試験後に一時的な変換効率の劣化を示すが、試験後の弱い光の継続する照射により、変換効率が回復するという特性（性質）を有するが、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２の特性（性質）に適したＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの保管又は管理方法（又は装置）を以下に説明する。
ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２を製造後、設置するまでの保管期間は、各ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２の受光面に曇りの日の日射量に相当する弱い光、即ち、放射照度１００〜３００Ｗ／ｍ2 程度の光を継続して照射することにより、各ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２の変換効率等の劣化（低下）を防止（回避）することができ、設置直後から最大の変換効率等を得ることができる。なお、光源としては、Ｘｅランプに限らず、他のコスト及び性能を考慮して適宜適当な光源を選択することができる。
前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２を保管する際、弱い光を継続して照射することにより最大限の変換効率等の太陽電池特性を引き出すことができることから、保管装置又は保管庫は、昼間は太陽光が照射されるような構造、例えば、屋根又は壁面を太陽光が透過するようなガラス、プラスチツク等の透明な素材が適当であり、夜間は、前記人工光源を設けると共に光反射、又は光散乱装置により各ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２の受光面の放射照度が１００〜３００Ｗ／ｍ2 程度となるようにする。
また、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２を保管する際の各モジュール２の配置方法としては、各モジュールの受光面と反対の背面同士が接するように配置すると、各モジュールの受光面に光が万遍なくあたる。
また、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール２を設置場所に運搬する場合も、前記保管する際の配置方法及び透明な梱包材料をを適用することにより、して、各モジュールの受光面と反対の背面同士が接するように配置すると、各モジュールの受光面に光が万遍なくあたり、設置直後から最大の変換効率等を得ることができる。
１ 改良耐久性試験システム
１Ａ 耐久性試験装置）
１ａ ガラス窓（光透過窓）
１Ｂ Ｉ−Ｖ測定部
１Ｃ 温度・湿度制御部
１Ｄ 擬似太陽光照射装置
１Ｅ 光源（Ｘｅランプ）
１Ｆ 電力供給・制御部
２ ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール
２’ 試験対象ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール
３ ＣＩＳ系薄膜太陽電池サブモジュール
３’ ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス
３Ａ ガラス基板
３Ｂ アルカリバリア層
３Ｃ 金属裏面電極層
３Ｄ ｐ形光吸収層
３Ｅ 高抵抗バッファ層
３Ｆ ｎ形窓層（透明導電膜）
４ ＥＶＡ樹脂フィルム
５ カバーガラス
６ バックシート
７ ケーブル付接続箱
８ シール材
９ フレーム
１Ａ 耐久性試験装置）
１ａ ガラス窓（光透過窓）
１Ｂ Ｉ−Ｖ測定部
１Ｃ 温度・湿度制御部
１Ｄ 擬似太陽光照射装置
１Ｅ 光源（Ｘｅランプ）
１Ｆ 電力供給・制御部
２ ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール
２’ 試験対象ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュール
３ ＣＩＳ系薄膜太陽電池サブモジュール
３’ ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイス
３Ａ ガラス基板
３Ｂ アルカリバリア層
３Ｃ 金属裏面電極層
３Ｄ ｐ形光吸収層
３Ｅ 高抵抗バッファ層
３Ｆ ｎ形窓層（透明導電膜）
４ ＥＶＡ樹脂フィルム
５ カバーガラス
６ バックシート
７ ケーブル付接続箱
８ シール材
９ フレーム
Claims (3)
- ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールが弱い光の照射により変換効率等が回復するという特性を適正に評価することができる耐久性試験方法であって、前記耐久性試験の対象であるＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールを温度８５℃、相対湿度８５％の比較的高温、高湿の条件下で、暗闇中に１，０００時間格納する試験であるＤａｍｐＨｅａｔ試験を行う際に、前記温度、湿度及び格納時間はそのままで、擬似太陽光照射装置（ソーラー・シュミレータ）からの光が、曇りの日の日射量に相当する弱い光になるように光源の強度を調整して試験期間中継続して照射して各種太陽電池特性を計測することを特徴とするＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法。
- 前記弱い光の放射照度が、１００〜３００Ｗ／ｍ2 であることを特徴とする請求項１に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法。
- 前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールは、パターンニングにより複数個のＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイスを電気的に接続したＣＩＳ系薄膜太陽電池サブモジュールを接着剤である加熱、架橋したＥＶＡ樹脂フィルムを介してカバーカラスを貼着し、裏面側は、ガラス基板に、加熱、架橋したＥＶＡ樹脂フィルムを介してバックシートを貼着し、その下にケーブル付き接続箱を設け、この構造体の外周囲にシール材を介してフレームを取り付けたものであり、前記ＣＩＳ系薄膜太陽電池デバイスは、ガラス基板上に、アルカリバリア層、金属裏面電極層、ｐ形ＣＩＳ系光吸収層、高抵抗バッファ層、ｎ形窓層（透明導電膜）の順で高品質薄膜層が順次積層されたサブストレート構造のｐｎヘテロ接合デバイスであり、前記光吸収層は、多元化合物半導体薄膜からなることを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＩＳ系薄膜太陽電池モジュールの改良された耐久性試験方法。
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