JP6107849B2 - 光電変換素子評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換素子評価装置に関し、詳しくは、光電変換素子の生産ライン工程における評価装置に関するものである。

光電変換素子（たとえば太陽電池）の特性評価にあたっては、太陽電池の電流電圧特性を測定して最大出力（Pmax）を算出し、変換効率（PCE）を計算することにより判定パラメータとしている。変換効率は、最大出力を疑似太陽光照射出力と太陽電池面積とで割ることで計算する。

図１１は、従来の太陽電池評価装置の一例を示すブロック図である。測定対象の太陽電池１には疑似太陽光源２から疑似太陽光が照射され、太陽電池１の電極間には負荷３が接続されるとともに負荷３と直列に電流計４が接続され、負荷３と並列に電圧計５が接続されている。

太陽電池１の最大出力Pmaxおよび変換効率PCEは、太陽電池１に疑似太陽光源２からの疑似太陽光を照射した状態で、太陽電池１の電極間に接続された負荷３を可変させながら電流計４で電流を測定するとともに電圧計５で電圧を測定することにより、図１２に示すような電流電圧特性曲線を求めて算出する。

図１２において、ΔIocは回路を開いた状態からの電流減少量、ΔVocは回路を開いた状態からの電圧低下量であり、太陽電池１の内部における並列抵抗成分Rshを次式で求めることができる。
Rsh＝−ΔVoc/ΔIoc

一方、ΔIscは回路を短絡した状態に至る近傍における電流減少量、ΔVscは回路を短絡した状態に至る近傍における電圧低下量であり、太陽電池１の内部における直列抵抗成分Rsを次式で求めることができる。
Rs＝−ΔVsc/ΔIsc

変換効率PCEは、最大出力をPmax、疑似太陽光源２から太陽電池１に照射される疑似太陽光の照射パワーをE、太陽電池１の面積をAとすると、次式で求めることができる。
PCE＝Pmax/(E・A)

なお、最大出力Pmax時における電流を最大出力電流Imaxとし、電圧を最大出力電圧Vmaxとする。

特許文献１には、エピタキシャルウェハの状態のままで、発光出力や応答速度を評価する検査方法が記載されている。

特開平８−６４６５２号公報

ところで、太陽電池１の製造方式として、ロール状の基板シートに印刷技術を用いて多数の太陽電池を形成しながら順次巻き取るロール・ツー・ロールとよばれる連続生産方式が注目されている。

しかし、従来の評価装置は太陽電池１の電極間に接続された負荷３を可変させなければならないことから、太陽電池１と負荷３との電気的な接続が必須であり、ロール・ツー・ロールの連続生産方式で用いることは困難である。

すなわち、測定評価対象である太陽電池１は電極のない状態で生産プロセスの途中段階の生産ライン上を移動しているので、太陽電池１を傷付けることなく測定用プローブピンを太陽電池１に接触させることは事実上不可能である。

したがって、製造工程の途中で不具合が発生していてもロールの最後まで作り切ってしまわないと良否の判断ができない。

この結果、場合によっては、全長が数１００メートルにもなるロール一本分の太陽電池が全て不良になってしまうことも考えられる。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、光電変換素子について、生産ライン段階で非接触で測定することにより、光電変換素子を傷付けることなく高精度で的確な特性評価判断が行える光電変換素子評価装置を提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
非接触により光電変換素子の評価を行う光電変換素子評価装置であって、
測定対象である光電変換素子にプローブ光を照射するプローブ光源と、
プローブ光が照射されている前記光電変換素子にパルス状のポンプ光を照射するポンプ光源と、
前記光電変換素子に照射される前記プローブ光の前記光電変換素子の照射面上における光量変化をリアルタイムで検出して前記プローブ光の光量変化の時間依存性を求める受光素子と、
前記光電変換素子の膜厚の値をパラメータとして前記ポンプ光の照射に伴うキャリア量の時間推移に基づき前記光電変換素子の特性評価判断を行うデータ処理部、
とで構成されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の光電変換素子評価装置において、
前記光電変換素子は、ロール・ツー・ロールにより連続生産される生産ライン段階の光電変換素子であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の光電変換素子評価装置において、
前記プローブ光は、前記ポンプ光の照射期間およびその前後を含むパルス幅を有することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の光電変換素子評価装置において、
前記光電変換素子にプローブ光を連続照射しながらパルス状のポンプ光を照射することにより検出されるある時点における変化量と、一定時間経過後に検出される変化量の比と差のいずれかを判定基準として、光電変換効率最大値と素子内電流リークの状況判断の少なくともいずれかを推定することを特徴とする。

これらにより、非接触測定であることから、ロール・ツー・ロールによる連続生産方式の生産ライン段階において、光電変換素子を傷付けることなく高精度で的確な特性評価判断を行うことができ、不良素子の早期発見により損失を最小限に抑えて歩留まりを改善できる。

本発明の一実施例を示す概念ブロック図である。 ポンプ光のパルス照射によるキャリア応答の概念図である。 キャリア応答によるプローブ光の光量変化の概念図である。 太陽電池の特性を評価するパラメータの説明図である。 太陽電池の特性測定例図である。 膜厚とキャリア消滅の関係を示す特性例図である。 膜厚とキャリア発生量の関係を示す特性例図である。 図１のように構成される装置全体の動作の流れを説明するフローチャートである。 アニール温度とキャリアライフタイム／膜厚の関係の実測例を示す特性図である。 本発明の他の実施例を示す概念ブロック図である。 従来の太陽電池評価装置の一例を示すブロック図である。 従来の電流電圧特性曲線例図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す概念ブロック図である。図１において、ポンプ光源６は太陽電池１にパルス状のポンプ光を照射するものであり、たとえばナノ秒パルスレーザーを使用する。

プローブ光源７は太陽電池１に対してプローブ光を連続照射するものであり、たとえば半導体発光素子を使用する。

検出器８は太陽電池１に照射されたプローブ光の太陽電池１の照射面上における光強度の変化量をリアルタイムに検出するものであり、たとえばフォトダイオードのような高速光検出器を使用する。

信号処理部９は、波形取得部９ａ、データ抽出部９ｂ、膜厚データ記憶部９ｃ、規格化演算部９ｄ、基準設定部９ｅ、データ判定部９ｆ、判定出力部９ｇなどにより構成されている。

太陽電池１に対してプローブ光を連続照射しながらそこにパルス状のポンプ光を照射すると、太陽電池１では光電変換反応に起因して図２に示すようにキャリア発生消滅過程が現れる。図２はポンプ光のパルス照射によるキャリア応答の概念図であり、縦軸はキャリア量を示し、横軸は応答時間を示している。

そして、プローブ光の光強度は、太陽電池１のキャリア発生状況に対応した光吸収過程などの変異の影響を受けることから、図３のように変化する。図３はキャリア応答によるプローブ光の光量変化の概念図であり、縦軸は光量変化を示し、横軸は応答時間を示している。

これらから明らかなように、プローブ光の太陽電池１の照射面上における光強度の変化量をリアルタイムに検出してキャリア量の時間推移を計測することで、キャリア発生消滅状況を求めることができる。

ところで、太陽電池が移動状態にあるロール・ツー・ロールなどの連続生産プロセスへの対応をはかるためには、評価時間の短縮化が必要である。そこで、本発明では、演算時間を短くするため、時間推移を評価する場合の一般的な手法であるキャリアライフタイム取得を行う方法ではなく、図４に示すように、変化量のピーク値ａと、ピーク値ａから一定時間経過した時点における変化量ｂを判定基準として用いる。図４は、太陽電池の特性を評価するパラメータの説明図である。

図４において、ピーク値ａの値が大きくかつ変化量ｂの値が大きいものが太陽電池としての効率が良く良品となる。ピーク値ａは発生キャリアの量に対応しており、値が大きければ発生したキャリアが多いことを表している。変化量ｂはキャリア消滅の程度に対応しており、値が小さければ多くのキャリアがリークなどにより消滅したことを表している。各々の値については、材料やプロセス条件などによって適切値があるので、適宜調整を行う。

なお、プローブ光は連続光に限るものでなくパルス光としてもよい。パルス光の場合には、プローブ光のパルス幅はポンプパルスに対して十分広く、ポンプパルスの照射中およびその前後でプローブ光強度が安定なものを用いる。

図５は太陽電池の特性測定例図であり、（Ａ）は変換効率と時間変化量ピーク値の関係を示し、（Ｂ）は時間変動率と最大変換出力電流Imaxの関係を示している。太陽電池の光電変換効率は本来はキャリア発生量と相関があり、図５（Ａ）における一点鎖線直線がその相関を表している。この線から外れているものについては、何らかの問題があることになる。

図５（Ａ）の一点鎖線直線を用いた場合は、判定例としてａを4mV以上とすると、PCE1％以上が選別できる。しかしながら、実際には一点鎖線直線から乖離した一点鎖線の円の部分のようにキャリア量がありながら変換効率が悪いものが存在する。これは内部リークなどによりキャリアが電流にならないもの、つまりImaxが悪いものと思われる。

次にキャリア発生量に相当する変化量のピーク値ａが5.5ｍV付近となる図５（Ａ）の破線で楕円状に囲まれたサンプルデータを抽出すると、ピーク値から一定時間経ったところの変化量ｂを100nsecの位置で評価するとしたときImaxとｂ／ａの値には図５（Ｂ）に示すように高い相関性がある。この場合はｂ／ａを0.35以上にとることで、図５（Ａ）の黒破線の範囲のデバイスから図５（Ａ）の実線丸部分の良品のみを選別することが可能になる。

信号処理部９において、波形取得部９ａは、図３に示すようなキャリア応答によるプローブ光の光量変化波形を取り込む。

データ抽出部９ｂは、取り込まれた図３の波形から、図４に示すように、変化量のピーク値ａと、ピーク値ａから一定時間経過した時点における変化量ｂを抽出する。

膜厚データ記憶部９ｃには、測定評価対象である太陽電池１の膜厚データが格納されている。

規格化演算部９ｄは、計測されたキャリアの時間推移を膜厚データ記憶部９ｃに記憶されている膜厚データで規格化するための演算を行う。

基準設定部９ｅは、データ抽出部９ｂで抽出された変化量ｂの良否を判定するための基準となる所定の基準値を設定する。

データ判定部９ｆは、基準設定部９ｅにより設定される基準値に基づいて、データ抽出部９ｂで抽出された変化量ｂの良否を判定する。

判定出力部９ｇは、データ判定部９ｆの良否判定結果を、測定対象である太陽電池１の判定結果として外部に出力する。

ここで、判定手法として、ライフタイム評価を行うのではなく、時間的に２ポイントに絞りこんだスポット評価を行うことを導入したことにより、演算時間を大幅に短縮することができ、高速な測定にも対応することができる。

また、内部電流リークの影響を推定できるため、将来、早期劣化する可能性のある太陽電池を取り除くこともできる。

ところで、太陽電池１の変換効率は、最終的にはキャリア発生後に両電極までキャリアが輸送される程度に依存することが明らかにされている。

図６は膜厚とキャリア消滅の関係を示す特性例図であり、時刻ｔ１は膜厚が薄い場合の電極到達時刻を示し、時刻ｔ２は膜厚が厚い場合の電極到達時刻を示している。たとえば太陽電池１の膜厚が十分厚い場合はポンプ光の吸収量が大きくなるのでキャリアは多く発生するが、電極まで到達することができず、消滅するキャリアが多くなってしまう。

この場合、図４に示すように、変化量のピーク値ａの値は大きく、ピーク値ａから一定時間経過した時点における変化量ｂの値もそこそこにあるが、電極までは到達しないことから電流とはならない。変換効率は悪いが、ピーク値ａと変化量ｂの値はある程度良好であるため、太陽電池１が良品と判断されてしまう場合が発生することになる。

本発明では、このような不都合を解消するために、図１に示すように信号処理部９に膜厚データ記憶部９ｃと規格化演算部９ｄを設け、評価パラメータに膜厚を反映させることでより適切な良否判定が行えるようにしている。

前述のように、太陽電池１に対してプローブ光源７からプローブ光を連続照射しながらそこにポンプ光源６からパルス状のポンプ光を照射すると、太陽電池１では光電変換反応に起因して図３に示すようなキャリア発生消滅過程が現れ、プローブ光の光強度は太陽電池１のキャリア発生状況に対応した光吸収過程などの変異の影響で図６に示すように変化する。

したがって、プローブ光の変化量をリアルタイムに検出してキャリア量の時間推移を計測することで、キャリア発生消滅状況を知ることができる。一般的に、キャリア発生消滅状況を表すパラメータはキャリアライフタイムと呼ばれ、発生量の1/eになるまでの経過時間で表される。

実際のデバイス膜厚では、ライフタイムが十分に長いため、キャリアは消滅前に電極に到達する。したがって、測定から得られるデータではライフタイムが膜厚に連動して疑似的に変化したようにみえてしまう。これらから、計測されたキャリアの時間推移を膜厚で規格化することにより、より高精度な太陽電池１の出来栄え選別が可能となる。

図６の破線部分は膜厚の違いによる実際のキャリアの変化を示したもので、電極に到達した時点でキャリアが消滅することを表している。しかし、この部分は測定装置のＳ/Ｎの関係から実線のようにだらだらと減衰し、電極到達位置が分からなくなっている。したがって、測定結果から導出されるキャリアライフタイムは電極到達時間に影響されて変化してしまう。なお、図６ではわかりやすくするために差を強調して描いている。

つまり、膜厚が薄い場合はキャリアライフタイムが短く見え、膜厚が厚い場合はキャリアライフタイムが長く見えることになる。そこで、本発明に基づき設けられている規格化演算部９ｄは、計測から求められたキャリアライフタイムを膜厚データ記憶部９ｃに記憶されている膜厚データで規格化するための演算を行う。

図７は、膜厚とキャリア発生量の関係を示す特性例図である。キャリアライフタイムに影響を与えるアニール温度を一定に制御したプロセス条件で膜厚だけを変化させた試料におけるキャリア発生量に相当するプローブ光量の変化量（図４のピーク値ａ）をプロットしたものである。図７の特性図によれば、膜厚に比例してプローブ光の変化量が増大することが確認できる。なお、プローブ光量の変化量ａは電気信号に変換するため、単位は電圧で表している。

図８は、図１のように構成される装置全体の動作の流れを説明するフローチャートである。動作は、前半の測定モードＡと、後半の信号処理部９によるデータ処理モードＢに大別できる。

はじめに、測定対象である光電変換素子（太陽電池）１にプローブ光源７からプローブ光を連続的に照射しながら（ステップＳ１）、ポンプ光源６からパルス状のポンプ光を照射し（ステップＳ２）、太陽電池１に照射されたプローブ光の変化量を検出器８でリアルタイムに検出する（ステップＳ３）。これらステップＳ１からステップＳ３までの動作を測定モードＡとする。

続いて、信号処理部９の波形取得部９ａは検出器８の出力信号から波形データを取得し（ステップＳ４）、データ抽出部９ｂは取得した波形データから所望の変化量ｂを表す測定データを抽出する（ステップＳ５）。規格化演算部９ｄは膜厚データ記憶部９ｃから膜厚データを読み出し（ステップＳ６）、読み出した膜厚データを用いてデータ抽出部９ｂで抽出された測定データを規格化するための演算を行う（ステップＳ７）。

続いて、データ判定部９ｆは、基準設定部９ｅによりあらかじめ設定記憶されている基準値を読み出し（ステップＳ８）、規格化演算部９ｄで規格化演算された測定データのデータ抽出部９ｂで抽出された変化量ｂの良否を判定し（ステップＳ９）、判定結果を判定出力部９ｇを介して外部に出力する（ステップＳ１０）。これらステップＳ４からステップＳ１０までの動作をデータ処理モードＢとする。

これら一連の動作を実行することにより、ロール・ツー・ロールによる連続生産方式の生産ライン段階において、光電変換素子を傷付けることなく高精度で的確な特性評価判断を行うことができ、不良素子の早期発見により損失を最小限に抑えて歩留まりを改善できる。

図９は、アニール温度とキャリアライフタイム／膜厚の関係の実測例を示す特性図である。図９の特性から明らかなように、キャリアライフタイムを膜厚で規格化した値は、アニール温度に対して高い相関性を示している。

有機太陽電池では、アニール温度と結晶性には関連性があり、アニール温度は１００℃〜１３０℃程度が適正であることが報告されている。図９の例では、ライフタイム／膜厚の値が０．９〜０．９５程度になることが望ましい。したがって、ライフタイム／膜厚の値がこの範囲以外のものは結晶性に問題がある可能性が高く、出来栄えとして不適切なものとして判断できる。

なお、上記実施例では、変化量の比に基づいて良否判定を行う例を説明したが、変化量の差に基づいて良否判定を行うようにしてもよい。

また、測定系は実施例のような反射光測定に限るものではなく、図１０に示すように、ポンプ光源６およびプローブ光源７と光検出器８とを測定対象である太陽電池１を挟むようにして対向配置した透過光測定でもよい。

さらに、上記実施例では太陽電池の特性を測定する例について説明したが、本願発明はその他の光電変換素子の特性測定にも適用できるものである。

以上説明したように、本発明によれば、非接触で光電変換素子を傷付けることなく的確な特性評価判断を行うことができ、たとえばロール・ツー・ロールにより生産される光電変換素子の生産ラインに適用することにより、不良素子の早期発見により損失を最小限に抑えて歩留まりを改善できる光電変換素子評価装置が実現できる。

１ 測定対象（太陽電池）
６ ポンプ光源
７ プローブ光源
８ 光検出器
９ 信号処理部
９ａ 波形取得部
９ｂ データ抽出部
９ｃ 膜厚データ記憶部
９ｄ 規格化演算部
９ｅ 基準設定部
９ｆ データ判定部
９ｇ 判定出力部

Claims (4)

1. 非接触により光電変換素子の評価を行う光電変換素子評価装置であって、
   測定対象である光電変換素子にプローブ光を照射するプローブ光源と、
   プローブ光が照射されている前記光電変換素子にパルス状のポンプ光を照射するポンプ光源と、
   前記光電変換素子に照射される前記プローブ光の前記光電変換素子の照射面上における光量変化をリアルタイムで検出して前記プローブ光の光量変化の時間依存性を求める受光素子と、
   前記光電変換素子の膜厚の値をパラメータとして前記ポンプ光の照射に伴うキャリア量の時間推移に基づき前記光電変換素子の特性評価判断を行うデータ処理部、
   とで構成されていることを特徴とする光電変換素子評価装置。
2. 前記光電変換素子は、ロール・ツー・ロールにより連続生産される生産ライン段階のものであることを特徴とする請求項１記載の光電変換素子評価装置。
3. 前記プローブ光は、前記ポンプ光の照射期間およびその前後を含むパルス幅を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光電変換素子評価装置。
4. 前記光電変換素子にプローブ光を連続照射しながらパルス状のポンプ光を照射することにより検出されるある時点における変化量と、一定時間経過後に検出される変化量の比と差のいずれかを判定基準として、光電変換効率最大値と素子内電流リークの状況判断の少なくともいずれかを推定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の光電変換素子評価装置。