JP5235046B2 - 標準分光放射計 - Google Patents

Description

本発明は、標準分光放射計に係わり、特に、パルス点灯型ソーラシミュレータ用、カメラ用、医療用、印刷用、紫外線硬化用などの種々のフラッシュランプから発せられる閃光の分光放射特性を計測するための標準分光放射計に関する。

近年、地球温暖化対策としての太陽電池による大規模発電の実用化が注目されてきているが、より効率的な太陽電池の開発には、太陽光を模擬したソーラシミュレータによる太陽電池の性能の正確な測定が欠かせない。このためには、ソーラシミュレータの特性を事前に正確に把握しておくことが必要であるが、その特性の一つが、ソーラシミュレータに用いられる光源ランプの分光放射特性である。一般に、ソーラシミュレータのスペクトルは、基準太陽光のそれを模擬しており、問題のスペクトル範囲は、太陽電池の分光応答度がある０．２５μｍ〜２．５μｍの波長帯のものである。

ところで、太陽電池測定用に使用されるソーラシミュレータとしては、現在、太陽電池製造ラインでの使用も可能な、パルス点灯型ソーラシミュレータが主流となってきている。
図２は、従来技術に係るパルス点灯型ソーラシミュレータ１０１のパルス発光を測定するための分光放射計１００の構成を示す図である。
同図に示すように、分光放射計１００は、パルス点灯型ソーラシミュレータ１０１の放電ランプ１０１１からのパルス発光を、透過型拡散板１０２を備える入射光学系１０３を介して光ファイバ１０４で受光させ、更に分岐部１０５で各波長λ１、λ２、・・・λ５毎の特性に合う各光ファイバ１０６１、１０６２、・・・１０６３に導入して各光を各分光器１０７１、１０７２・・・１０７５（分光器が５台の場合）に入射させるものである。各分光器１０７１、１０７２、・・・１０７５に備えられる各ディテクタ１０８１、１０８２、・・・１０８５は、パルス点灯型ソーラシミュレータ１０１の放電ランプ１０１をパルス点灯するためのトリガ信号に同期して、パルス発光する短時間内に発せられる測定開始信号によって、パルス点灯型ソーラシミュレータの分光放射特性を測定するものである。

特開１１−３７８５１号公報 特開２００１−１９４３０２号公報 特開２００２−２７７２０７号公報

しかしながら、図２に示すような分光放射計１００では、各ディテクタ１０８１、１０８２・・・１０８５は、パルス発光の分光放射特性を正確に測定することが困難であった。その理由は、パルス発光時間が短いだけでなく、パルス点灯型ソーラシミュレータ１０１に用いられる放電ランプ１０１１は不図示のコンデンサに充電した電荷をランプ電極間の放電により放出させて発光させるものであるために、発光のタイミングが数１０〜１００μｓｅｃ程度の範囲でバラツクことである。つまり、放電ランプ１０１１を点灯するためのトリガ信号を発してから実際に放電ランプ１０１１が発光するまでのタイミングにバラツキがあることである。又発光時間が短い放電ランプ１０１１では、測定タイミングがずれると、分光放射特性の正確な測定を行うことができないという問題がある。

つまり、従来のパルス点灯型ソーラシミュレータ１０１の発光スペクトル測定においては、放電ランプ１０１１の点灯時間が短いため、０．２５〜２．５μｍという広範囲のスペクトル領域を幾つかの分光器１０７１、１０７２、・・・１０７５で分担するために、各分光器１０７１、１０７２、・・・１０７５にアレイ状のディテクタ１０８１、１０８２・・・１０８５を取り付け、放電ランプ１０１１を点灯するためのトリガ信号に同期して、測定開始信号により、各ディテクタ１０８１、１０８２・・・１０８５は、放電ランプ１０１１の分光スペクトルを測定し記録する。ところが、放電ランプ１０１１は、発光開始のためのトリガ信号を受信してから実際に放電ランプ１０１１が発光するまでに要する時間にはバラツキがあるため、実際の発光と測定のタイミングがずれ、測定を何回もやり直さねばならないという問題があった。一方、放電ランプ１０１１の点灯時間は短いため、ディテクタ１０８１、１０８２・・・１０８５による分光測定は、トリガ信号を受信したら即時に実行しなければならず、更に、他の問題点として、パルス点灯型ソーラシミュレータには種々のものが有るために、発光パターンにも種々のものが存在し、それぞれのシミュレータで測定の最適タイミングが異なるという問題があり、測定した分光放射特性が、本当に太陽電池を測る際のパルスのピーク発光時のものかを保証することができなかった。

図３は、ショートパルス型ソーラシミュレータの発光パターンの例を示す図である。この発光パターンは、パルス点灯型ソーラシミュレータから受光した光を分光せずに、フォトデイテクタで受けた場合の発光パターンであり、この発光パターンは、時間軸方向に平行移動はするものの波形自体はほぼ一定である。
同図において、パルス点灯し始めの時間ｔ１では強度Ｉ１、ピーク時ｔ２では強度Ｉ２、強度のピーク時ｔ２を過ぎた時間ｔ３では強度Ｉ３となることを示しており、分光放射計で測定すべきは、ピーク時ｔ２における光の分光放射特性である。しかし、このピーク時ｔ２における特性は、一般的にはｔ１やｔ３における非ピーク時の分光放射特性とは異なっている。つまり、測定タイミングがｔ２から狂うと、太陽電池測定時の正しい分光放射特性を得ることができない。

又、図４は、ロングパルス型ソーラシミュレータの発光パターンの例を示す図である。ショートパルス型ソーラシミュレータの発光パターンとは異なり、ピークの部分が長く平坦に続いている。このように発光し始めてから、ピーク部分に達するまでの時間も、パルス点灯型ソーラシミュレータの種類によりまちまちで、最適タイミングで測定することが難しいという問題がある。

図５は、従来技術に係る分光放射計によるパルス型ソーラシミュレータの分光放射特性の測定結果を示すグラフである。
同図に示すように、ピーク時ｔ２からずれた不適正な測定タイミングで測定されたために、測定誤差が発生している。
一方、図６は、正しい測定タイミングで測定された分光放射計によるパルス型ソーラシミュレータの分光放射特性の測定結果を示すグラフである。
図７は、図５と図６の測定結果の差を見るために、２つの測定結果を５０ｎｍ幅の波長帯域ごとに比較した分光エネルギー比率を棒グラフで表示したものである。この図から明らかなように、図５における不適正な測定タイミングによって（４００ｎｍ〜６５０ｎｍ）においては過小評価、（８５０ｎｍ〜９５０ｎｍ）においては過大評価の分光分布誤差がもたらされていることが解る。この結果は又、不適正な測定タイミングで測定された閃光は、適正なタイミングで測定された閃光と比較すると、通電電流強度不足のため低温で発光している閃光の裾野の状態、すなわち分光分布が長波長側にずれた閃光の状態であることに良く符合している。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、パルス点灯型のソーラシミュレータの分光放射特性を正確に測定することを可能にした標準分光放射計を提供すると共に、ソーラシミュレータの光源ランプとその点灯回路の診断機能をも併せ持った標準分光放射計を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、パルス点灯型ソーラシミュレータから放射された閃光を複数の光ファイバによって分岐し、分岐された閃光をそれぞれの分光器で分光し、該分光された分光光をそれぞれ検出する第１の光検知手段と、前記第１の光検知手段で検知された光スペクトルを取得するコンピュータを備える標準分光放射計において、前記パルス点灯型ソーラシミュレータから放射された閃光を検知する第２の光検知手段と、該第２の光検知手段によって検知された検出電圧と閾値基準電圧とを比較し、前記検出電圧が前記閾値基準電圧以上になったとき判別信号を出力する閾値判別回路と、前記判別信号を入力して、遅延時間後に測定開始信号を出力する遅延時間発生回路とを備え、前記各第１の光検知手段は前記測定開始信号を入力すると検知を行うことを特徴とする標準分光放射計である。
第２の手段は、第１の手段において、前記パルス点灯型ソーラシミュレータから放射された閃光を前記第２の光検知手段によって時系列的に検知して時系列的発光パターンを記憶する記憶手段を備え、前記コンピュータは、前記該記憶手段に記憶された時系列的パターンデータを読み出して前記閃光のピーク値となるタイミングを読み出すことを特徴とする標準分光放射計である。
第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、前記記憶手段は、前記時系列的発光パターンと共に、前記遅延時間発生回路から出力される測定開始信号を記憶し、前記コンピュータは、同一画面上に前記時系列的発光パターンと共に前記測定開始信号の出力時点を表示することを特徴とする標準分光放射計である。
第４の手段は、第１の手段ないし第３の手段のいずれか１つの手段において、前記コンピュータは、前記記憶手段に記憶されている時系列的発光パターンを読み出し、その時系列的発光パターンのピーク時の前後の所定の許容時間Δｔｄを設定する手段と、前記測定開始信号が前記許容時間Δｔｄ内に入っているか否かを判定する手段と、前記測定開始信号が前記許容時間Δｔｄ内に入っているときは、前記各第１の光検知手段で検知された測定データを採用する手段とを備えることを特徴とする標準分光放射計である。
第５の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段において、前記コンピュータは、前記パルス点灯型ソーラシミュレータを複数回点灯する毎に、前記閾値判別回路で閾値に達した時間ｔ１を検出すると共に、前記記憶手段に記憶されている時系列的発光パターンからピーク値の時間ｔ２を検出する手段と、前記パルス点灯型ソーラシミュレータを複数回点灯する毎の時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１の平均値を求める手段と、前記求められた平均値を前記遅延時間発生回路における遅延時間として自動的に設定する手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の標準分光放射計。
第６の手段は、第１の手段ないし第５の手段のいずれか１つの手段において、前記コンピュータは、前記パルス点灯型ソーラシミュレータを複数回点灯する毎に、前記閾値判別回路で閾値に達した時間ｔ１を検出すると共に、前記記憶手段に記憶されている時系列的発光パターンからピーク値の時間ｔ２を検出する手段と、時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１のバラツキの大きさから前記パルス点灯型ソーラシミュレータに備えられる放電ランプの異常又は寿命を判定する手段を備えていることを特徴とする標準分光放射計である。

本発明によれば、パルス点灯型ソーラシミュレータから放射される閃光強度を検出し、検出された閃光強度に基づいて、分光器で分光された分光光の測定タイミングを調整することにより、分光スペクトルの測定誤差を低く抑えることができる。
また、本発明によれば、分光放射照度測定毎に、事前にパルス点灯型ソーラシミュレータの放電ランプを複数回発光させ、その発光パターンから時間差Δｔのバラツキやパルス幅のバラツキを検査することにより、放電ランプの異常や劣化の状況を判定することができる。
また、本発明によれば、事前の調整・点検作業により、パルス点灯型ソーラシミュレータの分光放射特性の高精度測定、及び点灯回路を含む放電ランプの異常診断が可能となる。
また、本発明によれば、コンピュータをノートパソコンとし、その他の部分を小型化して携帯可能とすることにより、例えば、太陽電池製造工場内に複数のラインがある場合でも、１個の標準分光放射計で工場内の全てのラインに設置されたパルス点灯型ソーラシミュレータの分光放射特性を容易に測定することができ、太陽電池製造ラインにおける太陽電池測定の正確さを維持することができる。

本発明に係る標準分光放射計１の構成を示す図である。 従来技術に係る分光放射計１００の構成を示す図である。 ショートパルス型ソーラシミュレータの発光パターンの例を示す図である。 ロングパルス型ソーラシミュレータの発光パターンの例を示す図である。 従来技術に係る分光放射計によるパルス型ソーラシミュレータの分光放射特性の測定結果を示すグラフである。 正しい測定タイミングで測定された分光放射計によるパルス型ソーラシミュレータの分光放射特性の測定結果を示すグラフである。 図５に示した分光放射特性と図６に示した分光放射特性とを較べて、測定誤差が発生していることを波長帯の積分値の比較により示したグラフである。

本発明の一実施形態を図１及び図３を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る標準分光放射計１の構成を示す図である。
同図に示すように、この標準分光放射計１は、パルス発光型ソーラシミュレータ２の放電ランプ２１から放射された閃光を、透過型拡散板３（積分球、反射型拡散板でも良い）で拡散した後、入射光学系４、光ファイバ５、分岐部６を介して、各波長λ１、λ２、・・・λ５毎の特性に合う複数の各光ファイバ７１、７２、・・・７５に導入し、導入された各光を各分光器８１、８２、・・・８５（分光器５台の場合）に入射させるものである。各分光器８１、８２、・・・８５に入射された光はそれぞれ分光となって第１の光検知手段である（フォト）ディテクタ９１、９２、・・・９５で検出される。

更に、この標準分光放射計１は、入射光学系４に導入された光が、強度モニタする第２の光検知手段であるディテクタ１０で検出され、ディテクタ１０で検出された出力は、アンプ１１で増幅され、その出力の一方は閾値判別回路１３に入力され、他方の出力はＡ／Ｄ回路１５に入力される。閾値判別回路１３に入力された信号、つまり、ディテクタ１０で検出された出力が予め閾値基準電圧部１２で設定された閾値基準電圧を越えると、閾値判別回路１３からトリガ信号が発せられ、遅延時間発生回路１４に入力される。

ここで、例えば、閾値基準電圧部１２で設定される閾値基準電圧を図３に示した光の強度Ｉ１に対応する電圧に設定しておけば、時間ｔ１で閾値判別回路１３からトリガ信号が出力され、また光強度がピークＩ２の時間ｔ２までの遅延時間Δｔ＝ｔ２−ｔ１を遅延時間発生回路１４に設定しておけば、時間ｔ１からΔｔ後に遅延時間発生回路１４から、測定開始信号が、各分光器８１、８２、・・・８５の各ディテクタ９１、９２、・・・９５に出力され、そのタイミングで各ディテクタ９１、９２、・・・９５で分光光が検出される。検出された各分光光は、Ａ／Ｄ回路１７を介して、分光放射特性データとしてメモリ１８に記憶される。なお、ディテクタ９１、９２、・・・９５の反応時間は、放電ランプ２１の発光パルス幅に比べると非常に短いから、測定はランプ発光のピーク部分、つまり時間ｔ２において完了する。

一方、アンプ１１からＡ／Ｄ回路１５を介して送られた閃光の強度信号Ｉは逐次メモリ１６に記憶される。コンピュータ１９は、メモリ１６のデータを読み出すことによって、図３に示すような時系列的発光パターンを読み出すことができ、強度信号ＩのピークＩ２となるタイミングｔ２を、コンピュータ１９に備えられる表示手段１９１によって知ることができる。

また、コンピュータ１９は、メモリ１８から記憶内容を読み出すと共に、遅延時間発生回路１４から出力された測定開始信号も取得することにより、測定開始信号が時系列的発光パターンどの時点で発せられたかを知ることができる。

また、コンピュータ１９は、予めメモリ１６内の時系列的発光パターンを読み出し、その時系列的発光パターンのピーク時の前後の何ミリ秒かの許容時間Δｔｄを設定し、更に遅延時間発生回路１４から出力された測定開始信号を入力し、測定開始信号がこの許容時間Δｔｄ内に入っているか否かを判定し、許容時間Δｔｄ内に入っているときは、ディテクタ９１、９２、・・・９５で検知されメモリ１８に記憶されている測定データを採用するこができる。

また、コンピュータ１９は、事前にパルス点灯型ソーラシミュレータ２の放電ランプ２１を複数回点灯する毎に、一方で、閾値判別回路１３で閾値Ｉ１が測定された時間ｔ１を検出し、他方で、メモリ１６からピーク値Ｉ２の時間ｔ２を検出して、点灯毎の時間差Δｔ＝ｔ１−ｔ２のバラツキの幅や許容時間Δｔの設定基準を統計的に知ることができる。更に、点灯毎の時間差Δｔ＝ｔ１−ｔ２の平均値を求め、この平均値を遅延時間発生回路１４に対する遅延時間として自動的に設定することもできる。

また、コンピュータ１９は、事前にパルス点灯型ソーラシミュレータ２の放電ランプ２１を複数回点灯して、得られた点灯毎の時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１のバラツキの大きさが所定値以上のときは、放電ランプ２１やその点灯回路が異常状態にある、又は放電ランプ２１が寿命に達していると判定することもできる。

本発明は、性能の良い太陽電池の開発のため又は太陽電池製造ライン上に設置された、パルス型ソーラシミュレータの性能評価に応用できる。この他、カメラ用・医療用・印刷用・紫外線硬化用などのフラッシュランプの閃光を測る標準分光放射計として用いることが出来る。更に、応用分野として温度変動や時間変動があるレーザ光の波長変動を計測することも可能となる。更に、これにより、ＵＶ光の短波長レーザ光等の耐候、被爆量などを正確に測定することもできる。

１ 標準分光放射計
２ パルス発光型ソーラシミュレータ
２１ 放電ランプ
３ 透過型拡散板
４ 入射光学系
５ 光ファイバ
６ 分岐部
７１、７２、・・・７５ 光ファイバ
８１、８２、・・・８５ 分光器
９１、９２、・・・９５ ディテクタ（第１の光検知手段）
１０ ディテクタ（第２の光検知手段）
１１ アンプ
１２ 閾値基準電圧部
１３ 閾値判別回路
１４ 遅延時間発生回路
１５ Ａ／Ｄ回路
１６ メモリ
１７ Ａ／Ｄ回路
１８ メモリ
１９ コンピュータ
１９１ 表示手段

Claims (6)

1. パルス点灯型ソーラシミュレータから放射された閃光を複数の光ファイバによって分岐し、分岐された閃光をそれぞれの分光器で分光し、該分光された分光光をそれぞれ検出する第１の光検知手段と、前記第１の光検知手段で検知された光スペクトルを取得するコンピュータを備える標準分光放射計において、
   前記パルス点灯型ソーラシミュレータから放射された閃光を検知する第２の光検知手段と、該第２の光検知手段によって検知された検出電圧と閾値基準電圧とを比較し、前記検出電圧が前記閾値基準電圧以上になったとき判別信号を出力する閾値判別回路と、前記判別信号を入力して、遅延時間後に測定開始信号を出力する遅延時間発生回路とを備え、前記各第１の光検知手段は前記測定開始信号を入力すると検知を行うことを特徴とする標準分光放射計。
2. 前記パルス点灯型ソーラシミュレータから放射された閃光を前記第２の光検知手段によって時系列的に検知して時系列的発光パターンを記憶する記憶手段を備え、前記コンピュータは、前記記憶手段に記憶された時系列的パターンデータを読み出して前記閃光のピーク値となるタイミングを読み出すことを特徴とする請求項１に記載の標準分光放射計。
3. 前記記憶手段は、前記時系列的発光パターンと共に、前記遅延時間発生回路から出力される測定開始信号を記憶し、前記コンピュータは、同一画面上に前記時系列的発光パターンと共に前記測定開始信号の出力時点を表示することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の標準分光放射計。
4. 前記コンピュータは、前記記憶手段に記憶されている時系列的発光パターンを読み出し、その時系列的発光パターンのピーク時の前後の所定の許容時間Δｔｄを設定する手段と、前記測定開始信号が前記許容時間Δｔｄ内に入っているか否かを判定する手段と、前記測定開始信号が前記許容時間Δｔｄ内に入っているときは、前記各第１の光検知手段で検知された測定データを採用する手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の標準分光放射計。
5. 前記コンピュータは、前記パルス点灯型ソーラシミュレータを複数回点灯する毎に、前記閾値判別回路で閾値に達した時間ｔ１を検出すると共に、前記記憶手段に記憶されている時系列的発光パターンからピーク値の時間ｔ２を検出する手段と、前記パルス点灯型ソーラシミュレータを複数回点灯する毎の時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１の平均値を求める手段と、前記求められた平均値を前記遅延時間発生回路における遅延時間として自動的に設定する手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つに記載の標準分光放射計。
6. 前記コンピュータは、前記パルス点灯型ソーラシミュレータを複数回点灯する毎に、前記閾値判別回路で閾値に達した時間ｔ１を検出すると共に、前記記憶手段に記憶されている時系列的発光パターンからピーク値の時間ｔ２を検出する手段と、時間差Δｔ＝ｔ２−ｔ１のバラツキの大きさから前記パルス点灯型ソーラシミュレータに備えられる放電ランプの異常又は寿命を判定する手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の標準分光放射計。