JP5583723B2 - 太陽電池の欠陥検査装置及び検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の欠陥を検査する装置及び方法に関する。

近年の環境意識の高まりとともに、ますます多くの太陽電池が市場に流通するに至っている。こうした中、太陽電池そのものの性能を検査し、欠陥のある太陽電池を製造工程で特定し、除去することは重要である。

特許文献１には、太陽電池セル全面を照射しながら、別の光源を用いて部分的に太陽電池セルを走査し、太陽電池セルのどの部分に欠陥があるかを特定できる検査装置が開示されている。

特開２００９−１１１２１５

しかしながら、特許文献１には、太陽電池セルを部分的に走査する光源について、スポット状あるいは線状の光を放射すると記載されているが、照射する光の詳細には触れられていない。そのため、太陽電池セルを光で走査して欠陥部分を特定する太陽電池の欠陥検査において、検査精度を向上させる余地があると考えられていた。

本発明は、太陽電池の欠陥検査精度を向上可能な欠陥検査機構を擁する太陽電池の欠陥検査装置を提供することを目的とする。

解決手段

本発明の一態様による太陽電池の欠陥検査装置は、
太陽電池の欠陥を検査する装置において、
太陽電池に光を照射する光源と、
前記光源の照度を制御する光源制御回路と、
前記太陽電池から出力された電流を与えられ、電圧に変換して出力する電流電圧変換器と、
前記電流電圧変換器から出力された電圧を与えられて増幅して出力する増幅器と、
前記増幅器からの出力をディジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、
前記Ａ／Ｄ変換器から出力されたディジタルデータに画像処理を行って画像データを出力する画像処理装置と、
前記画像処理装置から出力された前記画像データを与えられて画像表示を行う表示器と、
を備え、
前記太陽電池が発電した起電流成分に基づいて検査する太陽電池の欠陥検査装置であって、
前記光源はレーザであり、
前記太陽電池に照射される前記レーザのビームは楕円形状であり、
前記光源は、前記楕円の短軸方向を、前記太陽電池の１辺と略平行に配置するとともに、前記楕円の長軸方向を、前記太陽電池の１辺と略垂直な他の辺と略平行に配置し、、
前記光源は、前記レーザのビームを、前記太陽電池の１辺から角度αの方向に、該１辺の端点から、該１辺に対向する他の辺上の前記端点の対角位置にある他の端点までジグザグ状に走査させる走査部材を有することを特徴とする太陽電池の欠陥検査装置である。

発明の効果

本発明の一態様によれば、太陽電池の欠陥検査の精度を向上させることができる。

本発明による欠陥検査装置の概略構成図 Ｘ軸方向のレーザ照射の説明図 実施形態１のレーザビームがセルに照射される様子を説明した上面図 太陽電池の欠陥とレーザビームに占める欠陥を示した図 実施形態１の実験例１ 実施形態１の実験例２ 実施形態２のレーザビームがセルに照射される様子を説明した上面図

（第１実施形態）
ここからは図を用いて、本発明の第１実施形態を説明する。

図１は、本発明による太陽電池の欠陥検査装置の概略構成図である。なお、本実施形態は、太陽電池セル（以下、セルと称する）１の欠陥検査を行うものである。まず、図示しない載置台に検査対象のセル１を受光面を下に向けて載置し、バスバー電極３上にピン４を当接させる。本実施形態では、バスバー電極３は３本設けられており、３本それぞれにピン４を当接させる。この状態でセル１の下面にある光源部５から光を照射する。光源部５からの照射光はレーザ光であり、光源制御回路６によって検査対象セル１をまんべんなく走査するよう制御されている。

次に当接させたピン４から取り出した該セル１の起電流を、電流電圧変換装置７によって電圧に変換し、変換された電圧を増幅器８で増幅させる。この増幅された電圧を、Ａ／Ｄ変換器９によってディジタルデータに変換して出力し、画像処理装置１０によってディジタルデータに画像処理を加えた後、画像表示器１１によって、出力された画像データの表示を行う。太陽電池にクラックなどの欠陥があると、欠陥部分のみ起電流が低下するため、画像ではクラックとして表示される。

図２は、光源部５の詳細図である。光源部５は、光源５１とミラー５２を備え、光源５１からのレーザ光はまずミラー５２に照射され、ミラー５２が一定角度内を回転往復することで、レーザ光はセル１上のＸ軸方向に走査される。ミラーには、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等を用いることができる。

（ビームスポット形状）
本実施形態において、測定対象セル１に光を照射するレーザは、波長６３０ｎｍ近辺、安全クラスは、Ｃｌａｓｓ３Ｂ、出力７０ｍＷの赤色半導体レーザである。半導体レーザは、出斜口が矩形であるため、その放射光は楕円錐形に広がることが特徴である。
次に、セル受光面に対して、レーザー光を適切なスポットサイズに集光する光学系は、コリメーターレンズ１枚もしくはレンズと半導体レーザー間にアパ−チャを追加したシンプルな形態で構成される。このような光学系では、そのビームスポット形状５１１は、楕円になる。
セル１とミラー５２の集光点との距離ｌは、ミラー５２の振り角度θ_０は２６度であるため、６インチのセル１の場合、１８０ｍｍとなる。

（走査方向）
図３は一枚のセル上を、レーザのビームが走査する様子を示している。図３に示すように、レーザ光は、Ｘ軸の正方向および負方向の走査とＹ軸の正方向の走査を順繰りに行う。したがって、レーザ光は辺ｂから角度αだけ辺ａまたは辺ｃの方向に傾いた方向に走査される。つまり、ミクロな視点では、レーザ光はセル１上をジグザグ状に走査している。図３では、セル１の中間部分の走査を表す点線を省略している。より詳細には、レーザの走査開始点である辺ａと辺ｂとの交点Ｐ０から辺ｃ上のＰ１まで走査する（第一走査２１）。この時、線分Ｐ０Ｐ１と辺ｂがなす角度がαである。次に、レーザは辺ａ上のＰ２まで走査する（第二走査２２）。このとき、線分Ｐ１Ｐ２と辺ｂがなす角度もαである。このようにレーザは、辺ａから辺ｃへの第一走査２１と、辺ｃから辺ａへの第二走査２２を繰り返し、辺ｄ上の点Ｐｋに到達する。このようなレーザ光の走査方向の制御は、図２に示すミラー（走査部材）５２によって行われる。

図３では、説明のため、ビーム径１０を大きく表現しているが、実際のビーム径５１１はセル１のサイズに対して、図３に示したものよりはるかに小さい。また、角度αも実際には０°に近い値であり、ビームはほぼＸ軸と水平に走査する状態となる。

（楕円の向き）
次に、楕円の長径および短径とレーザ光の走査方向との関係であるが、欠陥部１２を持つセル１を検査するに当たり、ビームの走査方向（Ｘ軸）に短径を持つ場合が図４Ａ，ビーム走査方向（Ｘ軸）に長径を持つ場合が図４Ｂである。欠陥が走査方向とほぼ水平に形成されている場合は欠陥として認識されやすいが、図４Ａおよび図４Ｂのように走査方向に対して垂直に形成されている場合は見落としが生じる可能性がある。このため、走査方向と垂直方向に形成された欠陥を対象として考えると、図４Ａのように短径が走査方向と同じである場合の方が、ビームに占める欠陥１２の面積が大きいため、欠陥１２として認識されやすい。このため、本実施形態では、楕円の向きを、短径が走査方向すなわちＸ軸側となるようにした。

（最適なビームの長径）
本出願人は、以下の条件で最適なレーザビーム形状に関する実験を行った。
［条件］
Ｘ軸走査周波数：ｆ ＝ ５００Ｈｚ（周期：２ｍｓ）
Ｘ軸走査触れ角：θ_０＝ ２６°
Ｙ軸走査速度： Ｖ ＝ １６０ｍｍ／ｓ
セル１辺の長さ： ２ｍ ＝ １６０ｍｍ（おおよそ６インチセルと同等の長さ）
ビームの長径：ＤＬ ＝ ０．１ｍｍ
ビームの短径：ＤＳ ＝ ０．０３ｍｍ
サンプリング周波数：Ｆｓ ＝ ４ＭＨｚ
ミラーとセルの距離：ｌ ＝１８０ｍｍ
ミラー： ＭＥＭＳミラー

図５は、上記条件において、おおよそ６インチセルの面積に相当するセル１にレーザを照射した場合の、レーザ照射領域を示す図であり、黒色部分がレーザ照射領域を表している。図５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、それぞれ、図５の左下のＡの部分、中央下のＢの部分、右下のＣの部分を拡大したものである。図５ではセル１のほぼ全体にレーザが照射されているように見えるが、図５Ａ〜図５Ｃの通り、レーザ光は太陽電池上をジグザグに走査するため、セル中央に比べてセル端はビーム間隔が広くなる。このため、セル中央では走査漏れがあまり発生しないが、セル端では走査漏れが多く発生する。この走査漏れは、サーボ速度と走査周期（周波数）にのみ依存し、ミラーの種類には依存しない。

セル端における走査漏れを少なくするためには、ＤＬ≧Ｖ／ｆとなるように、ビームの長径ＤＬを設定する必要がある。右辺のＶ／ｆは、ビームがＸ軸方向に１走査する間に、Ｙ軸方向にビームが進む距離を表している。ビームの長径がこの距離以上あれば、Ｙ軸方向のビーム同士が重なり合うことになり、Ｙ軸方向のセル端および隣接ビーム間でのレーザの走査漏れ部分を少なくすることができる。例えば、ＤＬ≧１６０（ｍｍ／ｓ）／５００（Ｈｚ）＝０．３２ｍｍ＝３２０μｍとするのが望ましい。

上述の通り、本実施形態では、Ｙ軸方向のセル端および隣接ビーム間における走査漏れの有無は、ＤＬ≧Ｖ／ｆ によって決定する。ｆは、実質的には自由に設定できない場合が多いので、ここでは固定であると考える。Ｖは、上記Ｖ＝１６０ｍｍ／ｓと固定してもよいし、セル１の大きさに応じて変更してもよい。Ｖを大きくすれば、検査時間は短くなるが、その結果、ＤＬ≧Ｖ／ｆにより、走査漏れを少なくするためにＤＬを大きくする必要がある。
（最適なビームの短径）

上述したＤＬ≧Ｖ／ｆは、Ｙ軸方向のセル端および隣接ビーム間での走査漏れを防止する条件であるが、走査漏れはＸ軸方向でも生じ得る。
図６は、図５と同様に、上記条件において、おおよそ６インチセルの面積に相当するセル１にレーザを照射した場合の、レーザ照射領域を示す図である。図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、それぞれ、図６のＥ，Ｆ，Ｇ、Ｈの部分を拡大したものである。図６ではセル１のほぼ全体にレーザが照射されているように見えるが、図６Ａ〜図６Ｄの通り、上記条件においては、セル端では走査漏れがあまり発生しないが、セル中央では走査漏れが多く発生する。本実施形態ではＭＥＭＳミラーを用いているので、その変位量は正弦波で表される。このため、走査速度はセル中央において最大となり、セル両端に近づくにしたがって遅くなる。

ある時間ｔにおけるセル１上のＸ軸方向のレーザの照射位置ｘ（ｔ）は、
ｘ（ｔ）
＝ ｌ＊ｔａｎ（θ（ｔ））
＝ ｌ＊ｔａｎ（θ_０＊ ｓｉｎ（２πｆｔ）） と表すことができる。

セル１上にレーザが直角に照射される点をｘ（０）とする。前述の通り、ｘ（０）におけるＸ軸の走査速度が一番速い。したがって、ｘ（０）と、そのとなりのサンプリング点の距離が、Ｘ軸における最大のサンプリング間隔となる。
Ｘ軸における最大のサンプリング間隔Ｈは、
Ｈ
＝ ｘ（１／Ｆｓ）− ｘ（０）
＝ ｘ（１／Ｆｓ）
＝ ｌ＊ｔａｎ（θ_０＊ ｓｉｎ（２πｆ （１／Ｆｓ））
＝１８０ｍｍ ＊ ｔａｎ （２６°＊ｓｉｎ（２π＊５００Ｈｚ＊１／４ＭＨｚ））
＝０．０６４ｍｍとなる。つまり、ＤＳ≧０．０６４ｍｍ ＝６４μｍとすれば、セル中央においてＸ軸方向におけるレーザの走査漏れ部分を少なくすることができる。

上記の通り、上記条件においては、レーザのビーム径の長径を３２０μｍ以上、短径を６４μｍ以上とすることで、レーザビームの照射漏れを防ぐことができる。
このように、第１の実施形態では、レーザ光のビームの短径方向を主走査方向であるＸ軸に略平行にし、長径方向をＹ軸方向に略平行にした状態で、セル１の１辺の端部から、この１辺に対向する他の辺上の対角位置の端点までジグザグ状にレーザ光を走査させるため、セル１の全領域を漏れなく走査できる。また、走査方向に沿って隣接するレーザビーム同士が互いに重なり合うようにビームの長径と短径を設定するため、セル１内にレーザビームが照射されないデッドスペースが生じることがない。よって、セル１の欠陥検査をより精度よく行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。

（レーザ）
本実施形態において使用するレーザは、第１実施形態のものと同じであるので、説明は省略する。

（走査方向）
図７に示すように、レーザは、Ｘ軸の正の方向の走査（第一主走査）と、Ｙ軸の正の方向の走査（副走査）と、Ｘ軸の負の方向の走査（第二主走査）を繰り返しながら、セル１上の点Ｑ０から点Ｑｋまで走査する。つまり、レーザはセル１上を辺ｂと平行な方向に走査される。

より詳細には、走査開始点である辺ａと辺ｂの交点Ｑ０から辺ｃ上のＱ１まで走査する（第一主走査）。Ｑ１まで走査したレーザは辺ｃ上をＱ２まで走査する（副走査）。Ｑ２まで走査したレーザは、辺ａ上のＱ３まで走査する（第二主走査）。Ｑ３まで走査したレーザは、辺ａ上をＱ４まで走査する（副走査）。
このようにレーザは、辺ａから辺ｃへの第一主走査と、辺ｃでの副走査と、辺ｃから辺ａへの第二主走査と、辺ａでの副走査を繰り返し、辺ｃと辺ｄの交点Ｑｋに到達する。

第１実施形態では、レーザの主走査方向がＸ軸方向からわずかに傾いた方向であったが、本実施形態においては、レーザの主走査方向を完全にＸ軸方向に一致させることにより、Ｙ軸方向の走査漏れが低減し、欠陥検出精度を向上させることができる。

以上、本発明に係る太陽電池の欠陥検査装置について、実施形態を挙げて具体的に説明したが、本発明の上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施することができる。

１ セル
２ フィンガー電極
３ バスバー電極
４ ピン
５ 光源部
５１ 光源
５２ ミラー
６ 光源制御回路
７ 電流電圧変換器
８ 増幅器
９ Ａ／Ｄ変換器
１０ 画像処理装置
１１ 画像表示器
５１１ ビームスポット
５１２ 第一主走査
５１３ 第二主走査
５１４ 副走査

Claims (3)

1. 太陽電池の欠陥を検査する装置において、
   太陽電池に光を照射する光源と、
   前記光源の照度を制御する光源制御回路と、
   前記照射された光により前記太陽電池が発電した起電流を電圧に変換して出力する電流電圧変換器と、
   前記電流電圧変換器から出力された電圧を増幅して出力する増幅器と、
   前記増幅器からの出力をディジタルデータに変換して出力するＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器から出力されたディジタルデータに画像処理を行って画像データを出力する画像処理装置と、
   前記画像処理装置から出力された前記画像データを与えられて画像表示を行う表示器と、
   を備え、
   前記太陽電池が発電した起電流成分に基づいて検査する太陽電池の欠陥検査装置であって、
   前記光源はレーザであり、
   前記太陽電池に照射される前記レーザのビームは楕円形状であり、
   前記光源は、前記楕円の短軸方向を、前記太陽電池の１辺と略平行に配置するとともに、前記楕円の長軸方向を、前記太陽電池の１辺と略垂直な他の辺と略平行に配置し、
   前記光源は、前記レーザのビームを、前記太陽電池の１辺から角度αの方向に、該１辺の端点から、該１辺に対向する他の辺上の前記端点の対角位置にある他の端点までジグザグ状に走査させる走査部材を有することを特徴とする太陽電池の欠陥検査装置。
2. 前記楕円の短軸方向の長さＤＳは、ＤＳ≧ｄ＊ｔａｎ（θ_０＊ ｓｉｎ（２πｆｔ））（ｄは前記レーザから前記太陽電池までの距離、θ_０は前記レーザの主走査方向の触れ角、ｆは前記レーザの主走査周波数、ｔは時刻）であり、
   前記楕円の長軸方向の長さＤＬは、ＤＬ≧Ｖ／ｆ（Ｖは前記レーザの主走査速度、ｆは前記レーザの主走査周波数）である、
   請求項１に記載の太陽電池の欠陥検査装置。
3. 太陽電池の受光面上でレーザのビームを走査させて、前記太陽電池が発電した起電流成分に基づいて前記太陽電池を検査する太陽電池の欠陥検査方法において、
   前記太陽電池に照射される前記レーザのビームは楕円形状であり、
   前記楕円の短軸方向を、前記太陽電池の１辺と略平行に配置し、かつ
   前記楕円の長軸方向を、前記太陽電池の１辺と略垂直な他の辺と略平行に配置し、かつ、
   前記レーザのビームを、前記太陽電池の１辺から角度αの方向に、該１辺の端点から、該１辺に対向する他の辺上の前記端点の対角位置にある他の端点までジグザグ状に走査させることを特徴とする太陽電池の欠陥検査方法。

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