JP5086258B2 - 太陽電池及び太陽電池モジュールの電流電圧特性曲線の測定 - Google Patents

太陽電池及び太陽電池モジュールの電流電圧特性曲線の測定 Download PDF

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Description

本発明は、光電池や光電池モジュール等の太陽電池及び太陽電池モジュールの測定に関する。さらに詳しくは、本発明は、研究開発あるいは製造工程で太陽電池及び太陽電池モジュールの電流電圧特性曲線を測定する方法に関する。
太陽電池及び太陽電池モジュールの製造の際には、品質管理やモジュールに適した電池の選択、最終製造物であるモジュールの評価を目的として、製造工程の様々な段階で製造途中の電池やモジュールの測定や評価を行う必要がある。太陽電池や太陽電池モジュールの測定には、多くの場合、短光パルスが用いられる（Van der Pool, Borden, Wiczer, King, Hyvarinen, Keogh）。
このようなパルスの発生源としては、写真用のフラッシュランプに通常用いられるコンデンサ放電キセノンランプ(Borden, Sinton 1996, Hyvarinen, Sinton 2000)や、パルス生成回路を備えるキセノンランプ(Wiczer)や、強度の時間プロファイルを制御する制御電子回路を備えるフラッシュランプや、LEDフラッシュが挙げられる。光パルス全体に対して(Wiczer, Sinton 1996, Sinton 2000)、あるいは、光パルスの一点あるいは一部に対して(Borden, Hyvarinen)、電圧、電流及び強度データを取ることができる。
電流電圧曲線を得るために対象光強度に光強度を近づける一方、一回の光パルス印加時に短絡条件から開路条件に（あるいは開路条件から短絡条件に）電圧を傾斜（電圧ランプ）させることにより、測定対象の電池やモジュールの電流電圧データを取得することができる(Wiczer, King, Hyvarinen)。電圧傾斜（電圧ランプ）に対する太陽電池の時間応答が遅いため、太陽電池やモジュールの測定結果に重大な誤差が含まれる場合がある(King)。このような誤差のために、測定結果から、定照度、定電圧及び定電流条件、即ち、定常条件における太陽電池及び太陽電池モジュールの性能を正しく予測できない場合もある。
例えば、Kingによれば、20V/秒の電圧ランプ速度により高性能電池の出力測定値に1%の誤差が生じる。短絡条件から開路条件まで400μ秒の線形ランプ速度を用いるHyvarinen法では、（モジュールを構成する直列接続電池ごとに）約1700V/秒のランプ速度になる。このランプ速度は、Kingが記載する電池測定のための速度の約85倍と高すぎるため、定常状態に対する精度は1%に満たない。電圧変動に対する電池の過渡的応答時間に起因する誤差を1%未満にするためには、最新の市販電池の一部では、（直列接続電池ごとに）5V/秒未満のランプ速度が必要となる。Wiczer, King 及び Hyvarinen法のように短絡電圧から開路電圧まで線形に電圧傾斜（電圧ランプ）させる場合、測定に130ミリ秒かかるため、短光パルスに対して実用的であるとはいえない。
パルス印加時に変動する照度値に対して定電流を保持することにより、電圧ランプ速度が増大し、高性能シリコン太陽電池の測定結果の精度が低くなる（Borden, Ossenbrink）。定電流条件下では、パルス印加時に変動する光強度に電圧が応答するため、電圧ランプ速度が非常に高くなる。
このような問題に対して、光パルス印加時の電圧を一定に保ち、パルス印加時に各照度に対して電流電圧データを一点だけ測定するという方法が提案されている（Keogh, Sinton 2005）。光パルス印加時の電圧を一定に保つことにより、太陽電池又は太陽電池モジュールの時間応答は改善され、より精度の高い結果が得られる（Keogh）。この方法に従って、複数のフラッシュを用いて関係データを抽出することにより、所定照度での電流電圧曲線が得られる。
一方、この定電圧法では、測定時の光強度を一定に保つことができなければ、次世代高性能太陽電池の測定の際に有意な誤差を生じることになる。たとえ、光パルス印加時に電圧を一定に保持できても、有意な過渡的誤差が生じ、得られた電流-電圧-光強度データは、定電流、定電圧、定光強度条件を仮定した場合の定常データとはかなり異なったものになってしまう。この差異は、太陽電池又は太陽電池モジュールの端子電圧を一定に保持したとしても生じる可能性のある、太陽電池内の蓄積電荷の変動に起因する（Sinton 2005）。このような誤差により、太陽光のような安定光条件下での太陽電池又は太陽電池モジュールの特性予測が非常に不正確なものになってしまう。従って、フラッシュテストの結果に基づく太陽電池及び太陽電池モジュールの性能予測は、非常に信頼性の低いものとなる。
このような誤差は、高電圧太陽電池で最も大きくなる。従って、今後、太陽電池の改良が進むにつれ、光パルスを用いた測定時の測定誤差の問題に直面する太陽電池の割合も増大する。今日製造されている太陽電池の大部分はフラッシュランプ型ソーラーシミュレータを用いた測定がなされているため、この測定誤差の問題はますます重要になり、よい解決法が求められている。
図１は、光パルスに対する市販の太陽電池の電流応答をコンピュータでシミュレーションした従来技術のモデルを示すグラフ10である。グラフ10は、市販高性能太陽電池の時間応答をPC1D(Clugston)数値シミュレーションした結果を示す。0.1W/cm2の放射照度で太陽電池の最大出力値（この場合には、580mV）に対応する定電圧に太陽電池の端子電圧を保持する条件でシミュレーションを行った。光強度曲線30に対して、瞬間電流測定曲線20は遅延し、右にシフトしている。比較のために、安定光源を仮定した場合に各光強度で測定される定常電流曲線40も示す。光強度の立ち上がり時には瞬間電流値が定常電流値よりも小さく、光強度の立ち下がり時には瞬間電流値が定常電流値よりも大きい。従って、いずれの場合も、その光強度における正しい定常電流値を示しているとはいえず、瞬間電流曲線と定常電流曲線とが交差するほんの一瞬だけ、瞬間電流値が定常電流値の正確な予測値を示していることになる。
入射光が低下してゼロになっても、定電圧条件では電流が流れ続け、消光後のモジュールの電力変換効率が見かけ上無限大になる。これは、当然のことながら、無照明条件下での太陽電池の定常発電を予測するものではない。
太陽電池及び太陽電池モジュールの従来の測定には、上述のような誤差が含まれるため、測定法の改良が求められている。
上述の要求を達成するため、本発明は、短光パルス印加時の測定における過渡的誤差という問題を解決する手法を開示する。本発明の手法は、短光パルスを用いて、太陽電池及び太陽電池モジュールの特性を正確に測定することにより、定常照明条件下における太陽電池及び太陽電池モジュールの性能を正確に予測するものである。
パルス印加時に太陽電池又は太陽電池モジュールの端子電圧を一定に保持するのではなく、端子に流れる電流に比例する小さな信号成分を単位として太陽電池又は太陽電池モジュールの端子電圧を変動させる。この結果、光パルス印加時における所定照度に対する瞬間電流及び瞬間電圧の測定データを、一定照明条件を仮定した場合の定電流および定電圧に対する測定値に可能な限り近づけることができる。
本発明の一つの態様では、電圧を下記の式に従って変動させるものでもよい。
（式１） 電圧 = K1 - K2×電流
ここで、「電圧」は端子電圧を、「電流」は端子電流を意味し、値K1およびK2は定数である。
本発明の別の態様では、電圧を下記の式に従って変動させるものでもよい。
（式２） 電圧 = K1 - K2×光強度
ここで、「電圧」は端子電圧を、「光強度」は太陽電池又は太陽電池モジュールへの入射照明を意味し、値K1およびK2は定数である。
本発明のさらに別の態様では、電圧を下記の式に従って変動させるものでもよい。
電圧 = K1 - K2×関数（光強度）
ここで、「電圧」は端子電圧を、「光強度」は太陽電池又は太陽電池モジュールへの入射照明を意味し、値K1およびK2は定数である。また、「関数」は、測定対象となっている型の太陽電池又は太陽電池モジュールの電流、光強度、電圧間の標準的な関係に基づき、各所定光強度に対する電流の期待値を与える関数である。
アナログフィードバックやデジタル合成等、適当な方法で電圧を制御することができる。光パルス印加時に太陽電池又は太陽電池モジュールの端子にこのように変動する電圧を加えることによって、各光強度における光パルスの立ち上がり側と立ち下がり側で電流測定値が等しくなる。この電流測定値は、さらに、定常条件を仮定した場合における電流測定値とも等しくなる。例えば、式１に含まれる小さな信号項である（K2×端子電流）項は、太陽電池又は太陽電池モジュール内の蓄積電荷を一定に保持するように設定される。この結果、太陽電池内部での電子密度及び正孔密度プロファイルの変化や、配線、太陽電池の金属化、並びに、内部直列抵抗に起因する電圧降下を抑制することができ、変動光条件に対する太陽電池の時間応答の高速化が可能になる。
本発明は、様々な種類の太陽電池および太陽電池モジュールの測定に適用可能である。本発明の手法は、一般的にシリコン太陽電池の測定に有用であり、特に、従来製造されている標準的な工業用シリコン太陽電池よりも桁違いに高い内部電気容量を有する高性能高電圧太陽電池に有用である。例えば、ＢＰ、三洋電機、サンパワー製の高性能シリコン太陽電池の測定に適している。また、本発明は、離散フラッシュシミュレータや多段フラッシュシミュレータを含む様々なソーラーシミュレータにも好適に用いられる。
上述の、あるいは、それ以外の本発明の特徴や利点に関しては、添付の図面を参照した以下の本発明の実施例の説明からより明らかになるであろう。
光パルスを用いた太陽電池及び太陽電池モジュールの測定手法には、連続光を用いた測定手法と比べて、多くの利点がある。しかし、一方では、太陽電池や太陽電池モジュールの時間応答がかなりゆっくりであるため、同一照度で太陽電池や太陽電池モジュールの電流や電圧を測定した場合、一定照明条件での測定値に比べ、光パルス印加時の測定値には誤差が含まれる場合が多い。
太陽電池や太陽電池モジュールの測定をする場合、モジュール源の詳細がわからない状態で測定されることも多い。モジュール測定の専門家は、通常、このようなモジュールをブラックボックスとして扱うため、モジュール測定に利用される端子特性を正確に繰り返し測定する必要がある。例えば、Kingの研究では、測定結果がランプ速度に依存しなくなるまで、ランプ速度を徐々に低下させた。この手法により、定常状態に近似する適切な測定条件を求めた。これにより決まる作動モードでは、太陽電池や太陽電池モジュールの定常性能を予測する測定を行うためには、非常に遅いランプ速度とともに、均一強度を有する超長パルスが必要となる。
残念ながら、（定電流、定抵抗、定電圧、あるいは、見かけ上一定の光パルス印加時のランプ電圧を用いる）一般的な太陽電池測定方法の単なるバリエーションでは、上述したような問題の解決には至らない。上述した時間応答の問題は既に1981年当時、Bordenにより指摘されていたが、現在まで、測定の際に時間変動する光強度を有する光パルスを用いた場合に生じる一般的な問題の解決はなされていない。
上述した問題に対処するため、本発明の発明者は、Sinton 1987aの方法に従って、太陽電池内の少数キャリア密度プロファイル等、太陽電池の挙動に関して詳細な研究を行い、さらに、Sinton 1987bの方法に従って、少数キャリア密度の時間依存プロファイルの詳細な研究も行った。これらの研究結果に基づき、太陽電池の蓄積電荷の増減が、太陽電池動作の物理的挙動に基づく太陽電池の時間応答における限定因子であることが示唆される。また、蓄積電荷は、接合電圧、電流密度及び電池構造（特に、電子正孔対の光発生点から集光接点までの距離）に関連する項を有すると考えられる。例えば、高性能ｎ型裏面コンタクト太陽電池における電荷（正孔）のPC1Dシミュレーションから、電池裏面における接合電圧により規定される一定キャリア密度成分と、電流を駆動させるキャリア密度勾配に依存する「経過」成分という二つの部分から電荷が形成されることがわかる。蓄積電荷に含まれるこのような項は、いずれも、電流密度依存成分を含んでいる。
このことから、制御すべき因子は、（１）端子電圧（これは既に認識されている）と、（２）端子と太陽電池接点との間の直列抵抗に起因する接合電圧変化と、（３）電池構造と光発生点から集光接点までの距離に起因する経路静電容量と（経路静電容量は、電流が流れる以前あるいは電流の大きさが変化する以前に蓄積された電子正孔対に起因する）、であることが解る。この中で、第二および第三の因子は電流依存性であるため、最大出力点付近の電流電圧曲線の範囲内で、電流に比例する電圧信号の小さな変化を利用した補正が可能となる。以下に説明する手法は、上述した従来の太陽電池測定法の単なるバリエーションではなく、パルス印加時に太陽電池ウエハの厚さの範囲内で一定電荷および電荷密度分布を最もよく保持する電圧の時間プロファイルを与えるものである。
電流又は光強度に比例する電圧：
光パルス印加時に太陽電池の端子に変動電圧を加えることによって、より精度の高い電流測定を行うことができる。特に、端子電流に比例する小さな信号補正により定電圧を変化させることにより、定常条件を仮定した場合の電流測定値とほぼ同じ電流測定値が得られる。例えば、電圧を下記の式に従って変動させるものでもよい。
（式１） 電圧 = K1 - K2×電流
ここで、「電圧」は端子電圧を、「電流」は端子電流を意味し、値K1およびK2は定数である。定数K2は、光パルスの立ち上がり側と立ち下がり側の電流値が同じになるように選択される。あるいは、或る光強度に対して様々な形状の光パルスがすべて同じ電流電圧測定値を与えるように、すなわち、パルス形状に依存することなく測定が行われるように、この定数K2を選択してもよい。例えば、（K1 - K2×電流）が太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力値である場合に、式１に含まれる小さな信号項である（K2×電流）項が定電圧項K1の約5%ないし15%であることが望ましい。この小さな信号項の補正により、配線抵抗や内部直列抵抗並びに他の影響を充分に相殺可能であり、太陽電池の蓄積電荷を一定に保持することができる。電圧が太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力値の場合に、小さな信号項が定電圧項の約10%であることが特に望ましい。定数K2が大きすぎると、任意の光強度に対する瞬間電流値が、光パルスの立ち上がり側と立ち下がり側で異なった値をとるようになる。従って、K2値は一意的に求めることができ、測定データから求めたK2値が適切であるかどうかがわかる。太陽電池又は太陽電池モジュールの型に応じて、最適なK2値を選択すればよい。経験則から、K2の下限値は、測定対象電池（又はモジュール）の直列抵抗値Rsである。
本発明は、様々な種類のシミュレータに好適に適用可能であり、特に、（図1に示す光パルスと同様な）比較的短い光パルスのパルス列を用いてモジュールの特性を測定する「多段フラッシュ型」シミュレータに適している。このようなシミュレータの例としては、スパイア社、ＮＰＣ、山下電装株式会社製のシミュレータが挙げられる。他のフラッシュシミュレータの多くは、より長いパルスを用いる単一フラッシュ型を採用している。「多段フラッシュ型」シミュレータでは、フラッシュの間隔が数秒以上であるため、通常はパルス数を削減して測定を行い、高性能モジュールを測定する場合のみ「多段フラッシュ」モードで用いればよい。本発明は、「多段フラッシュ型」シミュレータを「多段フラッシュ」モードで用いた場合に有用である。
測定対象である所定電圧に対して、電圧値V=K1 - K2×端子電流、のデータが得られるように、定数K1を選択する。次に、光パルスの立ち上がり時に測定された電流電圧値と光パルスの立ち下がり時に測定された電流電圧値との差が最小になるように、K2を変動させ、実験的に最適化する。例えば、電池の電流-光強度曲線が図７の状態よりも図９の状態に近くなるまでK2値を変動させる。この方法は、図1及び図3に示すような対称パルス形状のパルスを用いる多段フラッシュ型のシミュレータに特に有用である。
パルス形状が非対称のものも含む離散フラッシュシミュレータの場合には、光パルスの立ち上がり側及び立ち下がり側のいずれか一方、あるいは、両方の測定データを用いて、各強度に対して、異なった形状の光パルスの電流測定値の差が最小になるように、K2を変動させて、適当な値を求めればよい。太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧近傍の電圧範囲で、電流、電圧および強度の測定値のパルス形状に対する依存性が最小になる場合には、定常状態のデータを与えるように定数が最適化される。
図２は、定常状態の電流値を予測可能な瞬間電流を与える端子電圧の時間プロファイルを示す。この場合、電圧110は下記の式に従って変動する。
電圧 = 0.605 - 0.6467×電流密度
ここで、定数K1 =0.605、定数K2 =0.6467であり、電圧の単位はV(ボルト)、電流密度の単位はA/cm2である。
図３は、本発明の一実施例において瞬間電流及び定常電流の時間変化を示すグラフ200である。この例では、図２に示すような電圧110を測定対象の太陽電池に印加すると、定常電流値と同じ値の瞬間電流220の測定値が得られる。瞬間電流曲線が定常電流曲線と同一であるため、短光パルスを用いて、太陽電池又は太陽電池モジュールの定常特性を求めることができる。
コンピュータシミュレーションの結果からも、同一の光強度に対してパルスの立ち上がり側と立ち下がり側で同じ電流値が得られる場合には、瞬間電流データが定電圧、定電流、定光強度を仮定した場合に得られる定常状態のデータに一致することがわかる。以下、図面を参照しながらこの点を詳述する。
図４は、図１に示す従来技術において電流密度と光強度との関係を示すグラフ300である。光パルス印加の間、端子電圧310は一定である。図示するように、（定常電流の予測値340と比べて）瞬間電流値320は、光強度の立ち上がり時には低い値を示し、光強度の立ち下がり時には高い値を示す。この結果、得られた瞬間電流値320は、急激なループの曲線を描く。一方、定常電流値340は、このループの中に位置する直線となる。従来技術のグラフ300から、瞬間電流の測定値が、同一の光強度と電圧値に対する定常電流値と異なることがわかる。
図５は、本発明の一実施例において電流密度と光強度との関係を示すグラフ400である。上述したグラフ300に対し、グラフ400は、式１に従い太陽電池又は太陽電池モジュールに電圧410を印加した結果を示す。この例では、太陽電池または太陽電池モジュールの端子に印加する電圧410を端子電流に比例する小さな信号項の分だけ変動させる（V = 0.605 - 0.6467×電流密度）。このシミュレーションの結果は、光パルスの立ち上がり側と立ち下がり側で同一の瞬間電流値420となり、これは、定常電流値とも一致する。従って、瞬間電流値のデータから定常状態のデータを予測することができる。
最大出力点における電流値は光強度にほぼ比例するため、光強度に応じて端子電圧を変動させることによっても、同様の結果が得られる。すなわち、下記の式に従って、電流測定値の代わりに光強度測定値を用いても、電圧の時間プロファイルを得ることができる。
（式２） 電圧 = 定電圧 - K2×光強度
いずれにおいても、式１あるいは式２に従い、定電圧K1に対して異なった値の複数のパルスを用いたデータから、太陽電池又は太陽電池モジュールの電流電圧曲線が得られる。
電圧プロファイルを得るための回路実装：
実験データにより上述の予測を確認する。アナログフィードバックを用いて負荷を制御し、96個の電池を直列に接続した市販のシリコン太陽電池モジュールの端子に或る時間プロファイルを持つ電圧を印加した。この実験では、96個のシリコン太陽電池を直列に接続した市販のモジュールである三洋電機製HIP-190BA3を用いた。
全パルスから得られたデータを記録し、解析して、光パルス印加時の測定データ（電流、電圧、強度）を求めた。ここでは、シリコンウエハの光伝導度データから電流電圧曲線を構築する周知の手法(Sinton 1996)あるいは太陽電池又は太陽電池前駆体の電圧データから電流電圧曲線を構築する周知の手法(Sinton 2000)に応じて、この全パルスデータ取得を行った。
図６は、光強度と定モジュール電圧の時間変化を示すグラフである。この例では、電圧512がほぼ一定に保持される一方、光強度514はグラフに図示するように変動する。図７は、図６のようなほぼ一定の電圧を印加するための電池電流と光強度との関係を示すグラフである。モジュール端子でほぼ一定の電圧512が保持される場合、図７に示すように、（上述したコンピュータシミュレーションモデルと同様に）電流強度曲線はループ552を描く。要するに、ほぼ一定電圧での測定結果は、光パルスの強度立ち上がり側で低い電流値、立ち下がり側で高い電流値を示した。これに対して、本発明の手法を適用した測定では、以下に示すようにより良好な結果が得られる。
図８は、光強度と変動モジュール電圧の時間変化を示すグラフである。この例では、電圧532は端子電流に比例して変動し、光強度534はグラフに図示するように変動する。図９は、図８のような変動電圧を印加するための電池電流と光強度との関係を示すグラフである。アナログフィードバック回路を用いて式１に従い電圧532を印加すると、図９の電流測定データ572に見られるように、光パルスの強度の立ち上がり時と立ち下がり時の電流値はほぼ同じになる。従って、フィードバックを利用して、図８に示すように端子電圧が下記の式を満たす場合、電流データ572は、光パルス強度の立ち上がり側と立ち下がり側でほぼ同じ値を示す。
V = 61.68 - 1.6445×電流 （モジュール）
この実験結果から、54.8ボルトの最高出力電圧において、このモジュールに適したK1とK2の値は、それぞれ61.68ボルトと1.6445オームであることがわかる。
図１０に、太陽電池モジュール上の負荷を制御し、所望の電圧プロファイルを得るためのアナログフィードバックシステム600を示す。アナログフィードバックを用いて、HEXFET負荷トランジスタを制御して、式２に従って端子電圧をかける。
このシステム構成では、フラッシュランプ610から出力された光パルスは、太陽電池モジュール620（すなわち、太陽電池）と強度検出器630に同時に入射する。モジュール端子640で太陽電池モジュール電圧を測定し、50ミリオームの分流抵抗器650でモジュール電流を測定する。光強度検出器は光強度に比例する電圧を示す信号を生成し、この信号をポテンショメータ660で測定する。この全体的なシステム構成は、ほぼ全ての光パルス太陽電池又は太陽電池モジュールテスターに共通するものである。
50キロオームポテンショメータ660で光強度に比例する信号を調整し、オペアンプ670を用いて、この電流信号を定電圧Vref680で補正する。得られた信号690（Vref - K×光強度）を、出力側が抵抗器697に連結されたオペアンプ696の低入力側に供給する。一方、ポテンショメータ695によりモジュール電圧に比例する信号691を調節し、オペアンプ696の高入力側に供給する。モジュール電圧信号691が基準信号690を超えると、HEXFETトランジスタ698のゲートがハイ側に駆動されてモジュール620からより多くの電流を引き込む。電流の引き込みによりモジュール電圧が低下するため、このフィードバックにより（端子640で測定される）モジュール電圧は基準信号690の電圧に比例して変動する。このフィードバックの結果、式２で示すようにモジュール電圧が所望の値に復帰する。前述したように、式２は式１を非常によく近似する近似式であり、この回路の定数K2はポテンショメータ660及び695により求められる。分流抵抗器650により電圧が低下する際の電流を測定する。
このシステム構成の回路実装例として、オペアンプ670が部品AD620、オペアンプ696が部品AD620、抵抗器697が250オーム、トランジスタ698が部品IRFP2907の構成が挙げられる。
図１０の回路を用いて測定した光強度とモジュール電圧の時間変化を図１１に示す。曲線730は、sun単位で表した光強度の時間変化を示す。また、曲線760は式１
V = 61.68 - 0.16445×電流 （モジュール）
に従う目標曲線であり、理想的な状態における太陽電池モジュール又は太陽電池の端子電圧を示す。一方、曲線710は、図１０の回路を用いた実際の測定結果である実電圧曲線であり、図６ないし図９及び図１３に基づく測定結果を示す。このグラフからわかるように、実電圧曲線710は理想電圧曲線760に非常に近く、目標の近似をかなりの精度で与えるものとなる。
この実施例の変形例として、下記の式に従って電圧を変動させることもできる。
電圧 = K1 - K2×関数（光強度）
ここで、関数は、測定対象となっている型の太陽電池又は太陽電池モジュールの電流、光強度、電圧間の標準的な関係に基づき、各光強度に対する電流の期待値を与える。この関数は、例えば、下記（式３）のようなものでもよい。
（式３） I = Isc×（光強度）- C×e(q(V+IRs)/nKT)) + (V + IRs)/Rshunt
ここで、Iscは１sunの端子短絡電流であり、光強度はsun単位で表され、Vは直列接続された各電池の端子電圧を示し、Iは電流を、C、n、Rs、Rshuntは実験データを調整するためのフィッティングパラメータである。
例えば、図１ないし図５のように同じ太陽電池を用いて様々なシミュレーションを行い、式３で表される端子電流の関数により、0.8sunないし1.2sunの範囲の光強度、0Vないし0.63Vの範囲の電圧に対する電流値を1%以内の誤差で予測可能である。この場合のフィッティングパラメータの値を以下に示す。
Figure 0005086258
あるいは、標準的な太陽電池を用いた電流-電圧-照度の実際の測定データを示すルックアップテーブルを補間するようにしてもよい。標準的な太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力値において、式３の第２項および第３項の合計は第１項を名目上５％補正するにすぎない。電流が光強度にほぼ比例するという事実から、太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力値近傍で式２が非常によく式１を近似することがわかる。
図１０に示す回路構成は、光強度測定値に基づくフィードバックを行うものであり、安定した信号を生成するという利点がある。光強度の実時間測定に基づくフィードバックの代わりに、電流の測定データを用いて目標電圧を得るようにしてもよい。ただし、電流信号は回路振動の影響を受けやすいため、電流信号に基づくフィードバックは不安定になりやすい。ただし、厳密に理論的な観点から言えば、根本にある物理学的解析からは、（式１に従う）電流信号に基づくフィードバックが最適である。
図１０に示す回路600と同様の回路構成で、光強度検出器630の代わりに電流センサからの出力信号を用いて式１を実現するようにしてもよい。図１２は、電流センサからの出力信号を用いて所望の電圧プロファイルを得るためのアナログフィードバックシステム800を示す。図１０の回路構成では、光強度検出器630からの光強度信号はポテンショメータ660に入力されたが、図１２の回路構成では、電流信号は分流抵抗器650に入力される。従って、ポテンショメータ660は、電流信号の一部を選択入力するために用いられる。電流信号を基準電圧680に加えることにより、式１に従って（Vref-K×電流）を示す信号690が得られる。信号690はオペアンプ696の低入力側に供給され、回路システムは上述したように作動する。
あるいは、所望の電圧時間プロファイルをデジタル合成し、光パルスと同期させてデジタル合成信号を太陽電池又は太陽電池モジュールの端子に印加するようにしてもよい。この場合には、回路に電気的なフィードバックループが存在しないため、振動が起こらず、非常に安定した信号が得られる。
図１３は、デジタル合成を利用して所望の電圧プロファイルを得るためのデジタルシステム850を示す。システム850は、オペアンプ670の代わりにコンピュータ860によって信号870が生成されることを除けば、図１０のシステムと同様の構成である。コンピュータ860は入力インターフェース865を備え、端子電圧640、端子電流、並びに、ポテンショメータ660を介して光強度が入力される。また、コンピュータ860は、アナログ・デジタルデータ収集カード等のアナログ・デジタル変換用のハードウェアと波形発生器等のデジタル・アナログ変換用のハードウェアとを備える。
システムの作動時には、光源610から出力された一連の光パルスが太陽電池モジュール620と光強度検出器630とに入射される。各光パルスに関して、コンピュータは、アナログ・デジタルデータ収集カードを用いて、光パルス印加時の端子電圧、端子電流、光強度信号を記録する。パルスNのデータを記録後、コンピュータは、式１、即ち、パルスNのデータを用いたV(t)=K1-K2×I(t)に従って、理想的な電圧時間変化を算出する。
次に、この式をデータ収集カード波形発生器のパルスV(t)に変換する（デジタル・アナログ変換）。光パルスN+1に同期させて、得られた波形870をオペアンプ696の低入力側に供給する。この結果、アナログフィードバックの場合と同様に、太陽電池モジュールの電圧がこの波形に比例する。各パルスの光波形の再現性が高い場合には、パルスNを用いてパルスN+1の波形を算出する代わりに、任意の標準的なパルスのデータを用いることができる。回路応答が不完全で、パルスN+1の電圧波形測定値が理想的なV(t)値からずれる場合には、コンピュータが実際のV(t)値と理想的なV(t)値との差を算出し、信号出力870を補正する。これにより、各パルスのV(t)測定値を式１に従う理想的なV(t)値によく一致させることができる。
任意の型の電池に関して定数K2を一度求めれば、同型のモジュールや電池の測定に用いることができる。図４に示すような或る光強度と対象電圧におけるループの電流値幅に基づいて、各測定の精度を求めることができる。例えば、ループの２本の枝間の電流値幅が、測定時の光強度（１sun）における電流値の+/-2%よりも大きい場合には、ループが閉じて定常電流値を示す1本の線になるように、K2値を調節するようにしてもよい。
アナログフィードバックを用いた手法は単一フラッシュ型シミュレータの場合に最も適している一方、デジタル合成手法は、多段フラッシュ型シミュレータの場合に最適である。
電流電圧曲線と電池効率：
図１０や図１２に示すようなアナログフィードバックシステムで回路を実装する場合も、あるいは、デジタル合成システムで回路を実装する場合も、電流電圧曲線をプロットして、電池効率を算出することができる。図１４に１sunの照度における特定の太陽電池の電流電圧曲線992と電池効率曲線994とを示す。印加するパルスの基準電圧を次々に変えることにより、最適な電流電圧曲線データが得られるまで、各光パルスに対する電流電圧曲線の電圧値を変動させる。図示するように、モジュール電圧が約55ボルトまでは、電流密度が一定に保持される一方で、電池効率は増大する。55ボルトを超えると、電流密度も電池効率も共に急激に低下する。モジュールの定格出力はこの測定データに基づくものであり、このモジュールの最大出力値は54.8Vになる。
一般に、精度のよい測定に必要な光パルスが短ければ短いほど、測定時間が短くなる。フラッシュランプパルスやLED光パルスでは、パルスが短ければ小さな電源で足りるため、照明光源のコストが要求平均出力に依存する傾向がある。短いパルスで低いデューティサイクルの場合、電源や回路構成を冷却する必要は全くないか、ほとんどない。従って、本発明の技術は、短い光パルスを用いた測定に基づいて高性能太陽電池の定常性能を正確に予測することを可能にし、太陽電池又は太陽電池モジュールの迅速、正確、安価な測定を可能にする。産業用の既存フラッシュランプモジュールテスターの多くは、本明細書で説明した新規な手法に従って改良を加えることにより、次世代高性能太陽電池モジュールの正確な測定を行うことができる。
電圧の式の変形例：
式１はほとんどの高性能太陽電池用の補正に適していると考えられるが、以下に示すような高次項を含めることにより、式の補正精度をさらに高めることができる場合もある。
V(t) = K1 - K2×電流 + K3×(電流)2 + …
このような高次項を含むことが有用なケースは種々考えられるが、例えば、（K2×電流）項が直列接続の各電池あたり約26mV（大部分の電池の最大出力電圧の約5%）よりも大きな場合が挙げられる。この場合には、太陽電池の各部分の動作電圧が相当異なった電圧となり、太陽電池内部の電荷分布に非線形的な影響を与えると考えられる。また、太陽電池が複雑な2次元構造や3次元構造をしている場合にも、太陽電池内の電荷分布に非線形的な影響を与える。これにより、短絡条件下でも、太陽電池又は太陽電池モジュールの端子に有意な量の電荷蓄積が生じる。太陽電池の光発生点が集光接点と離れている場合、短絡条件下での太陽電池内の電荷蓄積量が最大出力電圧下での電荷蓄積量に匹敵するものとなる。
上述した影響が存在する場合でも、（K2×電流）項が主な影響因子であることに変わりはなく、太陽電池又は太陽電池モジュールの正確な測定のために適した補正項であると考えられる。上記で挙げたようなケースは高性能電池の効率を低下させる傾向にあるため、高性能太陽電池では最小限に抑えられている。仮に非線形項が光パルスを用いた測定の完璧な補正項であるにしても、大部分の太陽電池は、上記の式１に従って適切に測定可能である。
本明細書において参照した以下の引例を参照することにより本発明に組み込む。
[1] Kees van der Pool et al., U.S. Patent No. 4,129,823.
[2] P. G. Borden et al., Proc. IEEE Photovoltaics Conference, 1981, pp. 193-196.
[3] J. J. Wiczer et al., Proc. IEEE Photovoltaics Conference, 1981, pp. 448-453.
[4] D. L. King, J. M. Gee, and B. R. Hanson, Proc. 20th IEEE Photovoltaics Conference, 1988, pp. 555-559.
[5] R. A. Sinton et al., Appl. Phys. Lett. 69 (17), 21 October 1996.
[6] H. A. Ossenbrink et al., Proc. IEEE Photovoltaics Conference, 1993, pp. 1194-1196.
[7] Jaakko Hyvarinen, U.S. Patent No. 5,945,839.
[8] R. A. Sinton and A. Cuevas, Proc. 16th EPSEC, 2000, pp. 1152-1155.
[9] William M. Keogh, Andrew W. Blakers and Andres Cuevas, Solar Energy Materials and Solar Cells 81, 2004, pp. 183-186.
[10] D. A. Clugston and P. Basore, Proc. 26th IEEE, Sept. 1997.
[11] R. A. Sinton et al., Proc. 19th EPSEC, 2005.
[12] R. A. Sinton et al., IEEE Trans. Elec. Dev. Vol. 34, No. 10, pp. 2116-2123, Oct. 1987
[13] R. A. Sinton, IEEE Trans. Elec. Dev. Vol. ED-34, No. 6, pp. 1380-1389, June 1987.
コンピュータシステムの構成例：
図１５Ａ及び図１５Ｂに本発明の実施例を実現するのに適したコンピュータシステム900を示す。コンピュータシステム900は、モニタ902と、ディスプレイ904と、ハウジング906と、ディスクドライブ908と、キーボード910と、マウス912と、を備える。ディスク914は、コンピュータ読み取り可能な媒体で、コンピュータシステム900とのデータのやり取りに用いられる。
図１５Ｂにコンピュータシステム900の構成例のブロック図を示す。システムバス920には様々なサブシステムが接続されている。プロセッサ922（中央処理装置CPU）は、メモリ924を備える記憶装置に連結される。メモリ924には、ランダムアクセスメモリ(RAM)及びリードオンリーメモリ(ROM)が含まれる。また、固定ディスク926が双方向的にCPU922に接続され、データ記憶容量を増大させると共に、後述するようなコンピュータ読み取り可能な媒体のいずれかを備えるようにしてもよい。また、後述するコンピュータ読み取り可能な媒体のいずれかをリムーバブルディスク914として用いることもできる。
CPU922は、さらに、ディスプレイ904、キーボード910、マウス912、高速アナログ・デジタル変換および高速デジタル・アナログ変換930を可能にする多機能データ収集カード930等の種々の入出力装置に接続される。一般的な入出力装置としては、ビデオディスプレイ、トラックボール、マウス、キーボード、マイクロフォン、タッチディスプレイ、トランスデューサカードリーダ、磁気及び紙テープリーダ、タブレット、スタイラス、音声及び筆跡認識装置、生体認証リーダ、その他適当なコンピュータが挙げられる。
コンピュータ読み取り可能な媒体としては、以下に限定されるものではないが、ハードディスク、フレキシブルディスク、磁気テープ等の磁気媒体や、CD-ROMやホログラフィック装置等の光媒体や、フロプティカルディスク等の光学磁気媒体や、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラム可能論理回路(PLD)、ROM、RAM等のプログラムコードを格納・実行するように構成されたハードウェア装置が挙げられる。コンピュータコードには、例えば、コンパイラにより生成されるマシンコードや、インタプリタ登載コンピュータにより実行される高水準コードを含むファイル等がある。
光パルスに対する市販太陽電池の電流応答をコンピュータでシミュレーションした従来技術のモデルを示すグラフである。 本発明の一実施例における端子電圧の時間変化を示すグラフである。 瞬間電流と定常電流の時間変化を示すグラフである。 従来技術における電流密度と光強度との関係を示すグラフである。 本発明における電流密度と光強度との関係を示すグラフである。 ほぼ一定の電圧条件下における光強度とモジュール電圧の時間変化を示すグラフである。 ほぼ一定の電圧を得るための電流密度と光強度との関係を示すグラフである。 光強度と変動モジュール電圧の時間変化を示すグラフである。 図８に示す変動電圧を得るための電池電流密度と光強度との関係を示すグラフである。 光強度信号を用いるアナログフィードバックシステムを示すブロック図である。 時間の関数として光強度と電圧とを示すグラフである。 端子電流信号を用いるアナログフィードバックシステムを示すブロック図である。 デジタル波形を用いて端子電圧を制御する構成を示すブロック図である。 電池電圧に対する電流及び電池効率の変化をプロットしたグラフである。 本発明の実施例を実現するのに適したコンピュータシステム900を示す説明図である。 本発明の実施例を実現するのに適したコンピュータシステム900を示す説明図である。

Claims (46)

  1. 太陽電池又は太陽電池モジュールの特性を測定する方法であって、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールの端子に端子電流が生成されるように、前記太陽電池又は太陽電池モジュールに光パルスを印加し、
    前記光パルス印加時の前記太陽電池あるいは太陽電池モジュールの端子における端子電圧を下記の式
    端子電圧 ＝ K1 - K2×(端子電流)
    （ただし、値K1および値K2は定数であり、値K2は0以外の値である）
    に実質的に従うように変動させて、
    前記光パルス印加時の瞬間強度における端子電流と端子電圧とを測定し、
    前記光パルス印加時の各照度における端子電流と端子電圧の測定値が各照度における定常電流および定常電圧データとほぼ同じになるように、値K1および値K2が選択されている、
    方法。
  2. 請求項１記載の測定方法であって、
    前記K1-K2×（端子電流）の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（端子電流）が値K1の約5％ないし15％の範囲である、方法。
  3. 請求項２記載の測定方法であって、
    前記K1-K2×（端子電流）の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（端子電流）が値K1の約10％である、方法。
  4. 請求項１記載の測定方法であって、
    前記光パルスを、フラッシュランプ、LED光源、又は、その他のパルス光源から発生させる、方法。
  5. 請求項４記載の測定方法であって、
    前記光パルスをキセノンフラッシュランプから発生させる、方法。
  6. 請求項１記載の測定方法であって、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールからのフィードバックとアナログ回路とを用いて、前記端子電圧を発生させる、方法。
  7. 請求項１記載の測定方法であって、
    デジタル合成を用いて、前記端子電圧を発生させる、方法。
  8. 請求項１記載の測定方法であって、さらに、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールに連続的に光パルスを印加し、
    0ボルトから前記太陽電池又は太陽電池モジュールの開路電圧まで段階的に値K1を増大させる、測定方法。
  9. 太陽電池又は太陽電池モジュールの特性を測定する方法であって、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールに光パルスを印加し、
    強度検出器で光パルスを受信することにより、光強度を示す信号を生成し、
    前記光パルス印加時の前記太陽電池あるいは太陽電池モジュールの端子における端子電圧を下記の式
    端子電圧 = K1 - K2×(光強度信号)
    （ただし、値K1および値K2は定数であり、値K2は0以外の値である）
    に実質的に従うように変動させて、
    前記光パルス印加時の瞬間強度における端子電流と端子電圧とを測定し、
    前記光パルス印加時の各照度における端子電流と端子電圧の測定値が各照度における定常電流および定常電圧データとほぼ同じになるように、値K1および値K2が選択されている、方法。
  10. 請求項９記載の方法であって、
    前記K1-K2×（光強度信号）の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（光強度信号）が値K1の約5％ないし15％の範囲である、方法。
  11. 請求項１０記載の方法であって、
    前記K1-K2×（光強度信号）の差の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（光強度信号）が値K1の約10％である、方法。
  12. 請求項９記載の方法であって、
    前記光パルスを、フラッシュランプ、LED光源、又は、その他のパルス光源から発生させる、方法。
  13. 請求項１２記載の方法であって、
    前記光パルスをキセノンフラッシュランプから発生させる、方法。
  14. 請求項９記載の方法であって、
    前記強度検出器からの出力とアナログ回路とを用いて、前記端子電圧を発生させる、方法。
  15. 請求項９記載の方法であって、
    デジタル合成を用いて、前記端子電圧を発生させる、方法。
  16. 請求項９記載の方法であって、
    前記端子電圧を下記の式
    端子電圧 = K1 - K2×関数（光強度信号）
    に従うように変動させ、
    前記関数が、前記太陽電池又は太陽電池モジュールの各光強度に対して端子電流の期待値を与える、方法。
  17. 請求項９記載の方法であって、
    さらに、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールに連続的に光パルスを印加し、
    0ボルトから前記太陽電池又は太陽電池モジュールの開路電圧まで段階的に値K1を増大させる、方法。
  18. 瞬間強度における太陽電池又は太陽電池モジュールの瞬間電流と瞬間電圧とを測定する装置であって、
    光パルスを発生させる光源と、
    前記光パルスを受信して、光強度信号を生成する強度検出器と、
    前記光パルス印加時の前記太陽電池又は太陽電池モジュールの端子電圧を下記の式
    端子電圧 = K1 - K2×(光強度信号)
    （ただし、値K1および値K2は定数であり、値K2は0以外の値である）
    に実質的に従うように変動させる回路手段と、
    を備え、
    前記光パルス印加時の各照度における端子電流と端子電圧の測定値が各照度における定常電流および定常電圧データとほぼ同じになるように、値K1および値K2が選択されている、装置。
  19. 請求項１８記載の装置であって、
    前記K1-K2×（光強度信号）の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（光強度信号）が値K1の約5％ないし15％の範囲である、装置。
  20. 請求項１９記載の装置であって、
    前記K1-K2×（光強度信号）の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（光強度信号）が値K1の約10％である、装置。
  21. 請求項１８記載の装置であって、
    前記光源は、フラッシュランプ、LED光源、又は、その他のパルス光源である、装置。
  22. 請求項２１記載の装置であって、
    前記光源は、キセノンフラッシュランプである、装置。
  23. 請求項１８記載の装置であって、
    前記端子電圧を下記の式
    端子電圧 = K1 - K2×関数（光強度信号）
    に従うように変動させ、
    前記関数が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの各光強度に対して端子電流の期待値を与える、装置。
  24. 請求項１８記載の装置であって、
    前記光源が連続的に光パルスを生成し、
    前記装置は、さらに、
    0ボルトから前記太陽電池又は太陽電池モジュールの開路電圧まで段階的に値K1を増大させる手段を備える、装置。
  25. 請求項１８記載の装置であって、
    前記回路手段がアナログ回路手段である、装置。
  26. 請求項１８記載の装置であって、
    前記回路手段がデジタル合成を用いて実現される、装置。
  27. 瞬間強度における太陽電池又は太陽電池モジュールの瞬間電流と瞬間電圧とを測定する装置であって、
    光パルスを発生させる光源と、
    前記光パルスの印加に応じて端子電流が発生する前記太陽電池又は太陽電池モジュールと、
    前記光パルス印加時の前記太陽電池あるいは太陽電池モジュールの端子電圧を下記の式
    端子電圧 = K1 - K2×(端子電流)
    （ただし、値K1および値K2は定数であり、値K2は0以外の値である）
    に実質的に従うように変動させる回路手段と、
    を備え、
    前記光パルス印加時の各照度における端子電流と端子電圧の測定値が各照度における定常電流および定常電圧データとほぼ同じになるように、値K1および値K2が選択されている、装置。
  28. 請求項２７記載の装置であって、
    前記K1-K2×（端子電流）の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（端子電流）が値K1の約5％ないし15％の範囲である、装置。
  29. 請求項２８記載の装置であって、
    前記K1-K2×（端子電流）の値が前記太陽電池又は太陽電池モジュールの最大出力電圧である場合に、値K2×（端子電流）が値K1の約10％である、装置。
  30. 請求項２７記載の装置であって、
    前記光源は、フラッシュランプ、LED光源、又は、その他のパルス光源である、装置。
  31. 請求項３０記載の装置であって、
    前記光源は、キセノンフラッシュランプである、装置。
  32. 請求項２７記載の装置であって、
    前記光源が連続的に光パルスを生成し、
    前記装置は、さらに、
    0ボルトから前記太陽電池又は太陽電池モジュールの開路電圧まで段階的に値K1を増大させる手段を備える、装置。
  33. 請求項２７記載の装置であって、
    前記回路手段がアナログ回路手段である、装置。
  34. 請求項２７記載の装置であって、
    前記回路手段がデジタル合成を用いて実現される、装置。
  35. 請求項１記載の方法であって、
    前記式が少なくとも１つの高次項を含む、方法。
  36. 請求項９記載の方法であって、
    前記式が少なくとも１つの高次項を含む、方法。
  37. 請求項１８記載の装置であって、
    前記式が少なくとも１つの高次項を含む、装置。
  38. 請求項２７記載の装置であって、
    前記式が少なくとも１つの高次項を含む、装置。
  39. 請求項１記載の方法であって、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールが約17%より高い効率を有する高性能太陽電池又は太陽電池モジュールである、方法。
  40. 請求項９記載の方法であって、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールが約17%より高い効率を有する高性能太陽電池又は太陽電池モジュールである、方法。
  41. 請求項１８記載の装置であって、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールが約17%より高い効率を有する高性能太陽電池又は太陽電池モジュールである、装置。
  42. 請求項２７記載の装置であって、
    前記太陽電池又は太陽電池モジュールが約17%より高い効率を有する高性能太陽電池又は太陽電池モジュールである、装置。
  43. 請求項１記載の方法であって、さらに、
    前記端子電圧を変動させて、前記太陽電池又は太陽電池モジュールの蓄積電荷を一定に維持する、方法。
  44. 請求項９記載の方法であって、さらに、
    前記端子電圧を変動させて、前記太陽電池又は太陽電池モジュールの蓄積電荷を一定に維持する、方法。
  45. 請求項１８記載の装置であって、
    前記端子電圧を変動させて、前記太陽電池又は太陽電池モジュールの蓄積電荷を一定に維持する、装置。
  46. 請求項２７記載の装置であって、
    前記端子電圧を変動させて、前記太陽電池又は太陽電池モジュールの蓄積電荷を一定に維持する、装置。
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