JP6280846B2 - 太陽電池モジュールの検査方法 - Google Patents

Description

本発明は太陽光発電に用いられる太陽電池モジュールの検査方法に関する。

太陽光発電は、通常２０年程度の長期にわたる使用が想定されるため、長期間に渡る発電システムの信頼性確保が重要である。発電は、光エネルギーを電気エネルギーに変換することにより行われ、太陽光照射下での信頼性確保が要求される。太陽光による信頼性への影響は、紫外線の持つ高いエネルギーによる材料の劣化、光エネルギーの熱エネルギーへの転換による熱的劣化、熱の発生・散逸に伴う材料の伸縮による劣化、などがある。こうした劣化が長期間に渡り蓄積されるため、信頼性の確保は構成材料単体だけでなく、組み上げられたサブコンポーネント、コンポーネント単位での信頼性確保が必要となる。

太陽光発電システムは太陽電池モジュール（ＰＶモジュール）、接続箱、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）、これらを接続する配線、を主要なコンポーネントとして構成される。ＰＶモジュールは光エネルギーを電気エネルギーに変換する。このＰＶモジュールを直列に接続したものをストリングと呼ぶ。一般的な構成では、ストリングは接続箱内へ導入され、断路器を介した後、他のストリングと接続され並列回路が構成される。この並列回路をＰＶアレイと呼ぶ。複数のＰＶアレイの出力ＰＣＳへと入力される。ＰＣＳは入力される直流電力を交流に変換し、系統へと逆潮流させる。発電出力がメガワットを超える、いわゆるメガソーラ発電サイトでは接続箱とＰＣＳの間に集電ラックが設置され、大電力を集約してＰＣＳに入力する機能を果たす。

ＰＶモジュールは最も太陽光が照射されるため、信頼性の観点から特に注意が払われるべきコンポーネントである。ＰＶモジュールに入射した太陽光はモジュール面に敷き詰められた太陽電池セル内部で吸収され、電子・正孔対を生成する。対の一部はそれぞれ正極・負極に吸収され電気エネルギーとしてモジュールから取り出されるが、多くは再結合し光や熱エネルギーとして散逸する。照射された光の一部はセル以外の部材に直接照射されるため、光反応の誘起や散乱による発熱の原因となる。また光照射のある昼は夜に比べてモジュール温度が高く、より長い時間スケールでみた場合、温度の上下変動に伴う部材の熱収縮も誘発する。このように、光照射によって供給される光エネルギーは、電気エネルギーとして取り出せる高々１０％強を除き、熱や光反応によるモジュールの劣化を引き起こす。この影響は太陽光が直接照射されるＰＶモジュールで最も大きい。

実際に運用している太陽光発電設備では、ＰＶモジュールの故障は大半が配線に関係しており、ＰＶモジュールの信頼性を確保するためには配線の信頼性を上げることが必要である。非特許文献１には運用している発電サイトで故障し、返品されたＰＶモジュールを調査した結果が報告されている。それによると、故障の９０％以上がセルや配線の破損、配線の腐食で占められている。即ち、配線に起因した故障を防ぐことができればＰＶモジュールの信頼性を飛躍的に高めることが可能となる。逆に捉えれば、仮に配線劣化の進展が遅いＰＶモジュールを選定することができれば、ＰＶモジュールの信頼性を確保できることになる。

通常、コンポーネントの信頼性を調べるには加速試験が用いられる。ＰＶモジュールではＩＥＣによって規定された規格試験があり、抜き取り試験によって性能や長期信頼性が調べられ、一定の基準を満たした場合に規格認証が付与される。例えば結晶系シリコン太陽電池についてはＩＥＣ６１２１５という規格試験が規定されており、その中で温度サイクル試験、結露凍結試験、高温高湿試験によって長期耐久性が検証される。

しかし、ＩＥＣの規格試験のみで長期信頼性が確保されているかを判断することは難しい。ＩＥＣ規格の長期耐久性を検証する試験で印加されるストレスが不十分なため、認証がＰＶモジュールの長期信頼性を担保するものだとは認識されていない。また、規格試験ではＰＶモジュールの出力変化が主たる検証項目であり、劣化部位の特定などその原因については不問である。このため、出力変化の原因を知るには試験後に別途原因調査が必要となる。出力変化の原因が特定できれば対策を講じることにより、信頼性を向上することができる。実際には、曝露サイトにおいて上述の様に配線に起因した故障が多いことが分かっているため、加速試験が正しく設計されている限り、出力劣化が配線に起因しているかどうかを調べることにより効率よく信頼性向上につなげることができる。

システム全体の信頼性は個々のコンポーネントの信頼性に依存するため、ＰＶモジュール個々についての信頼性を把握する方法があればシステム全体の信頼度を飛躍的に高めることができる。ＩＥＣ規格試験は抜き取り式であるため、個々のＰＶモジュールの信頼度ばらつきを把握することはできない。個々ＰＶモジュールのばらつきを把握するためには個々のモジュールについての特性を把握する必要があり、製造ラインなどで簡便に実施できる検査方法が望ましい。考えられる全ての要因に対応することは難しいが、この場合も上述のように配線に起因したものに特化することで、効率的な信頼性の向上を期待できる。

製造ラインで実施されている最も一般的な方法はエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を用いた検査である。この方法は太陽電池のＰＮ接合に順方向のバイアスを印加することによる発光、即ちＥＬ、を観測することにより、ＰＶモジュールを構成する半導体セルの健全性を検査する方法である。発光を担うキャリアの供給が滞る状態や非発光再結合が支配的な状態が生じると発光が消失するため、発光像を見ることにより配線の断線やウェーハのクラックが検出できる。

ＥＬによる方法は、配線の完全な断線やセルのクラックを検出することは容易であるが、初期や中間段階での劣化を検出することは難しい。発光強度は断線やクラックの進行過程を直接反映する物理量ではないため、発光強度から劣化を定量的に評価することが難しいためである。例えば、断線の進行過程では配線抵抗が増加するが、発光の変化から抵抗の変化を評価するためには抵抗の温度依存性も考慮して定量的な評価を行う必要がある。配線の劣化は局所的に進行するため局所的な抵抗変化とそれに伴う局所的な温度変化も考慮しなければならない。そのためには高精度な発光計測と、発光強度と電流関係づける解析手法を確立しなければならず、難しい課題である。

ＥＬによる方法の他に赤外線（ＩＲ）を計測する方法も提案されている。特許文献１では、上記ＥＬによる方法に加え、ＩＲによるＰＶアレイ画像を撮影し、その強度に応じて画像を数値化することによりＰＶモジュールの出力と関係づける方法が開示されている。関連付けは数値化した画像の代表値を指標とした比率によってなされるため、定量化に物理的な裏付けがないこと、出力との関連性から局所的な劣化を定量化する方法が自明でないことなど、ＰＶモジュールの信頼性を評価する検査方法にはなり得ない。

特開２０１３−０３６７４７号公報 特開２０１２−１６０４９８号公報 特開２０１３−１３１６５８号公報

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０ｔｈ ＥＵＰＶＳＥＣ， （２００５），"Ｌｏｎｇ ｔｅｒｍ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＰＶ ｍｏｄｕｌｅｓ"、Ｊ．Ｈ．Ｗｏｈｌｇｅｍｕｔｈ ｅｔ ａｌ．

上記のように、配線の局所的な劣化を簡便かつ定量的に評価することは困難であった。本発明はこうした実情を鑑み、ＰＶモジュールの配線の局所的な変化を定量的に求める簡便な方法を提供することを目的とする。

配線の局所的な劣化を定量的に評価するために、ＩＲ像を用いる。太陽電池の特性式から、ＩＲ像から得られる局所的な温度と局所的な抵抗値を関連付ける表式を導くことにより、ＩＲ像から局所的な抵抗値を求めることができる。

本発明による具体的な太陽電池の検査方法の一例は、太陽電池に所定の電流を通電した際の温度分布を求める工程と、温度分布から局所抵抗を算出する工程を備える。太陽電池の温度分布を求める工程では、太陽電池を構成するＰＮ接合のＰ極側にプラスの、Ｎ極側にマイナスの電位を与えることにより流れる電流により、太陽電池から発せられる赤外線を利用することができる。同様に、太陽電池に適当な負荷を接続した状態で太陽光若しくはそれに準ずる光を太陽電池に照射した際に流れる電流により、太陽電池から発せられる赤外線を利用することができる。また、温度分布から局所抵抗を算出する工程が、第一の温度と、その温度における局所抵抗値、及び前記温度分布を生じさせるために太陽電池に流す電流及びその際の太陽電池の端子間の電位差を基に、第二の温度における局所抵抗値を求めるように実現することができる。これらの構成により、定量的に局所抵抗値の変化を検出することが可能となる。

太陽電池の温度分布を求める工程は、ＩＲカメラにより太陽電池を撮影したＩＲ像から温度分布を求めるようにすることができる。この場合、非破壊非接触で検査が可能となる。

また、ＩＲカメラにより前記太陽電池を撮影したＩＲ像から温度分布を求める工程において、ＩＲカメラの画素に対応した分解能を有するＩＲ像から得られる温度分布から、太陽電池の構造に対応したサブセルに対応した分解能を有する温度分布を得ることが望ましい。また、サブセルは、太陽電池を構成する太陽電池セルを複数の領域に分割した領域に対応することが望ましい。また、サブセルは、太陽電池を構成する太陽電池セルのバスバーに垂直な方向に長辺を有する矩形の領域に対応することが望ましい。これらの特徴によれば、太陽電池セルの構成と対応づけて局所抵抗値の変化を検出することができる。

また、本発明の他の側面は、太陽電池の製造方法であって、その製造工程に検査工程を含み、検査工程が前述の工程を有する。

また、本発明の他の側面は、複数の太陽電池セルを接続して構成される太陽電池モジュールの検査方法であって、第一の温度と第一の温度における局所抵抗値を、太陽電池セルを複数に分割したサブセル領域ごとに初期データとして得、太陽電池モジュールに電流を通電してＩＲカメラにより撮影し、太陽電池モジュールのＩＲ像を取得し、ＩＲ像からサブセル領域ごとに第二の温度分布を得、初期データと第二の温度分布から、サブセル領域ごとの局所抵抗を算出する。このような構成を採用すると、電池セルのなかの劣化部分を特定することが容易となる。 また、本発明の他の側面は、太陽電池モジュールを温度サイクル試験するとともに、ＩＲ画像を取得して局所的な抵抗変化を検出することができる検査装置である。この検査装置は、太陽電池モジュールを格納する恒温槽と、太陽電池モジュールに光を照射する疑似太陽光源と、疑似太陽光源を駆動するための電源と、恒温槽の温度、湿度を制御する制御装置と、ＩＲカメラを有する。検査装置は、光強度を測定する日射計、温度を測定する熱電対、太陽電池モジュールの電流や電圧を測定する測定器等を備えている。これらの構成によりデータを収集し、ＩＲカメラで取得した像から太陽電池モジュールの温度分布を得、局所的な抵抗値変化を測定することができる。

本発明によれば、加速試験によって劣化したＰＶモジュールに対し、信頼性に最も大きな影響を与える配線抵抗の局所的な変化を捉えることができるようになるため、抜き取り試験などの実施によりＰＶモジュールの長期信頼性を評価することができるようになる。

また、配線の局所的劣化を定量的に把握する簡便な方法が提供されるため、配線の製造に起因したＰＶモジュールの信頼性をインラインで検査する製造方法が提供される。

太陽電池セルの等価回路図。 Ｎ枚のセルから構成される太陽電池モジュールの等価回路図。 太陽電池セルを仮想的に４つのサブセルに分割した例を示す平面図。 サブセルを単位とした等価回路による、セルの等価回路の一例の回路図。 太陽電池の特性を測定する際の構成を模式的に表したブロック図。 太陽電池の温度をＩＲカメラを用いて計測する際の構成を模式的に表した側面図。 温度サイクル試験の温度パターンの一例を示すグラフ図。 温度サイクル試験を行う際の、実験システム構成ブロック図。 温度サイクル試験実施後のＰＶモジュールの温度分布平面図。 ＰＶモジュールの温度分布図内のセルの配置を表す平面図。 局所抵抗を求める際の、セルをサブセルに分割する方法の一例の平面図。 局所抵抗を求める際の、セルをサブセルに分割する方法の一例の平面図。 ＰＶモジュールの温度分布とそこから求められた局所抵抗値のグラフ図。 ＰＶモジュールの温度分布とそこから求められた局所抵抗値のグラフ図。 ＰＶセルをサブセルを用いて表した際の等価回路の一例の回路図。 ６０セルからなるＰＶモジュールに対して求めたセル抵抗の値を示す表図。 ＩＲ像の取得を温度サイクル試験に組み込んで実施する際の実験システム構成ブロック図。 ＩＲ像の取得を温度サイクル試験に組み込んで実施する際の、温度サイクルパターンの一例を示すグラフ図。 ＰＶモジュール製造工程の一例を示す流図。 ＰＶモジュール検査工程の一例を示す流図。

実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」などの表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数または順序を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈毎に用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を兼ねることを妨げるものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

本発明では配線の局所的な変化を捉えるために、ＩＲ像を用いる。ＩＲ像は対象の温度を反映するため、局所的な配線抵抗の変化による局所的な温度変化を正しく捉えることができる。配線の劣化は抵抗変化として現れるため、これは温度変化から抵抗変化を捉えることができることを意味している。以下に太陽電池の特性を用いて温度変化が抵抗変化と関連づけられることを示す。

図１に太陽電池セルの等価回路例を示す。

図２に図１のセルＮ枚から構成される、太陽電池モジュールの等価回路図を示す。バイパスダイオードは省略した。

この時、モジュールに流れる電流Ｉ_ｍとモジュールで発生する電位差Ｖ_ｍは数式１および数式２で表される。

ここで、Ｉ_ｃはセル電流、Ｉ_ｓｃは短絡電流、ｐは日射強度（１ｋＷ／ｍ^２で規格化した値で無単位）、Ｉ_ｓは逆方向飽和電流、ｅは素電荷量（１．６０２１９×１０^−１９（Ｃ））、Ｖ_ｊはシリコンｐｎ接合の接合電圧、ｎ_ｆはダイオード定数、ｋはボルツマン定数（１．３８０６６２×１０^−２３（Ｊ／Ｋ））、Ｔは温度（Ｋ）、Ｒ_ｓｈはシャント抵抗、Ｖ_ｃはセル電圧、Ｒ_ｓはセルの直列抵抗、Ｎはモジュールを構成するセル数である。
数式１より

数式２より

数式３、数式４より

異なる温度Ｔ_１及びＴ_２について数式５が成り立つので、

数式６、数式７より

シリコンダイオードに対し、ダイオードの逆方向飽和電流は次式で表される。

ここで、Ｅ_ｇは温度Ｔにおけるシリコンのバンドギャップである。数式９は理想的なダイオードに対する式である。太陽電池に用いられる質の低いダイオードに対してはダイオード定数を導入し、

ここでＫは比例定数である。異なる温度Ｔ_１、Ｔ_２に対する数式１０の表式から

数式１０より、

Ｔ１及びＴ２に対するＥｇの値は厳密には異なるが、本明細書で開示する方法で対象とする温度範囲（−５０〜５０℃程度）における差は高々２％未満と極めて小さいため、ここでは両者を等しいとした。数式１２を数式８に代入し、

数式１３において、Ｉ_ｃ（＝Ｉ_ｍ），Ｖ_ｃに加え、Ｔ_１における直列抵抗Ｒ_ｓ１が分かっていれば、Ｔ_２における直列抵抗Ｒ_ｓ２を求めることができる。

数式１３の各変数の値はフラッシュデータから求めた値及び実測値を使用した。まず、添え字１で表される変数はフラッシュデータから得られた値を用いた。Ｔ_１はフラッシュデータの計測温度である２９８Ｋ（＝２５℃）である。Ｒ_ｓ１はフラッシュデータとして与えられている解放電圧Ｖ_ｏｃ、 短絡電流Ｉ_ｓｃ、動作電圧Ｖ_ｐｍａｘ、動作電流Ｉ_ｐｍａｘから求め、４．５×１０^−２Ω／ｍとした。この値は、下記実施例１で述べるサブセルの等価回路における直列抵抗値であり、後述するサブセルの等価回路とセルの等価回路を結びつける関係式を予め導出しておき、そこにセル当たりの直列抵抗Ｒ_ｓ＝１×１０^−６Ωを代入することにより求めた。セル当たりの直列抵抗値Ｒ_ｓは、上記Ｖ_ｏｃ、Ｉ_ｓｃ、Ｖ_ｐｍａｘ、Ｉ_ｐｍａｘの値を用い特許文献２及び３に開示されている方法によって求めた。

その他の値は周囲温度２５℃でＩ_ｍ＝１２．５Ａの電流をモジュールに流した時の実測値を用いた。電流は、外部電源を用い電源の＋極と−極をＰＶモジュールの＋極と−極にそれぞれ接続した状態で流した。この時、電源によってＰＶモジュールに印加された電圧からセル当たりの印加電圧を求め、この値を今回用いたサブセルに印加されている電圧Ｖ_ｃとした。この他、Ｅ_ｇは２９８Ｋにおけるシリコンのバンドギャップ１．１２ｅＶ、ｎ_ｆは１．８４、ｋ、ｅは物理定数であり文献値を用いた。ｎ_ｆはダイオード特性を用いる方法など、求める方法が複数知られており、何れかの方法を適宜使用すればよい。本実施例では特許文献２及び３に開示されている方法により求めた値を使用した。Ｔ_２はＩＲカメラより得たサブセルの温度である。

太陽電池の等価回路をセル単位、モジュール単位で示したが、セルよりも小さい単位でも同等の等価回路が成り立つ。その例を図３で示す。

図３Ａに示すように、一枚のセルを仮想的にサブセル１〜４に４分割して考え、それに対応する等価回路を図３Ｂに示すように構成することもできる。

図３Ｂの例では、各サブセル中の図１に相当する回路の間にｒ_ｓ１〜ｒ_ｓ３で示す抵抗を介して接続する構成としているが、必ずしもこのように構成する必要があるわけではない。近似の度合いや着眼点に応じて適宜構成すればよい。最終的に分割した際の等価回路が電気的に妥当なものであり、かつ、各回路定数が図１の回路定数に対応し図１の回路定数を算出できるようなものになっていれば良い。

分割した際の各サブセルに対しても数式１３と等価な式により、温度Ｔ_２におけるＲ_ｓ２が計算できる。但し、数式１３中のＩ_ｃ、Ｖ_ｃ、Ｒ_ｓ１、Ｒ_ｓ２は各サブセルに対応したものに置き換える必要がある。この様に考えると、分割後の等価回路を構成できさえすれば、セルを任意のサイズに分割して考えることができる。例えば、ＩＲ像を撮影するカメラの画素で規定されるセルの微小領域に対し、数式１３によって微小領域の直列抵抗に相当する値を算出することができる。

この様にして、ＩＲ像を用いることにより局所的な抵抗変化を定量的に捉えることができる。温度Ｔ_１におけるＲ_ｓ１の設定方法は、事前にある温度、例えば２５℃、をＴ_１としてセルの直列抵抗Ｒ_ｓ１を計測しておき、その値を用いればよい。セルを分割して考える場合、Ｒ_ｓ１から分割したサブセルの直列抵抗に相当する量を求めておけばよい。

この方法によれば、使用するＩＲカメラの感度に応じた精度で局所的な直列抵抗を求めることができる。現在、ＩＲカメラは画素数数万で０．２℃程度の温度分解能を持つものが容易に入手できる。こうしたカメラを用い局所的で僅かな抵抗変化を検出すれば、電流-電圧特性計測（ＩＶ計測）で検出できる抵抗変化よりも遥かに高い感度で抵抗変化を検出できる。

この方法を加速試験と併せて実施することにより、ＰＶモジュールの局所的な配線劣化の経時変化を求めることができ、ＰＶモジュールの配線に関する信頼性を定量的に取り扱うことができる。また、ＰＶモジュールの検査方法として生産に適用すれば、配線抵抗のばらつきを調べることができ、より信頼性の高い良品のみを選別して出荷することができる。

本実施例では、ＰＶモジュールの加速試験と組み合わせて配線の劣化を経時的に調べる方法について開示する。

図１７に本実施例の検査方法の全体的な流れを示す。個々の操作の詳細な説明は、図とともに後に説明される。

Ｓ１７０１では、ＰＶモジュールの初期特性を測定する。測定は、例えばＩＶ計測とＩＲ像の計測により行うことができる。図４および図５で詳述する。あるいは、ＰＶモジュールが完動品であることを前提とし、モジュール製造者あるいは製造部門から提供される、設計あるいは試験データを全部または一部使用してもよい。

Ｓ１７０２では、加速試験を実施する。典型的な加速試験としては、温度サイクル試験がある。図６および図７で詳述する。

Ｓ１７０３では、ＩＲ像を取得する。ＩＲ像の取得方法は図５で説明したものと同様である。

Ｓ１７０４では、ＩＲ像から局所温度分布を算出する。公知のように、図８で示すようなＩＲ像は被写体の温度を反映しているため、ＩＲ像から局所温度分布を得ることができる。

Ｓ１７０５では、サブセル領域の局所温度分布を算出する。図８で示すＩＲ像で得られる温度分布は、ＩＲセンサの画素の分解能を持つ。このままでは、ＰＶモジュールの構成と対応付けて不良個所を特定するためには不便であるため、ＰＶモジュールの各セルを分割したサブセルと対応付けて局所温度分布を算出する。図９および図１０で詳述する。

Ｓ１７０６では、サブセル領域の抵抗値を算出する。抵抗値は数式１３により算出することができる。測定された温度、算出された抵抗値は、図１１に示すようになる。

Ｓ１７０７では、セルの直列抵抗を算出する。一例として、サブセルとセルの関係を図１２に示すようにモデル化し、サブセルの直列抵抗値からセルの直列抵抗値を算出する。算出結果は例えば図１３に示される。

Ｓ１７０８では、セルの直列抵抗値からＰＶモジュール全体の直列抵抗を算出する。

Ｓ１７０９では、セルのサブセル分割方法を決定する。サブセルは図１０Ｂに示すように、ＰＶモジュールのセルとＩＲセンサの画素との関係で範囲を規定しておく。サブセル単位で抵抗値を評価することによって、ＰＶモジュールの評価が簡便になる。サブセルの定義は、Ｓ１７０１以降の処理において使用し、取得されたデータと関連付けて処理するのが便利である。

Ｓ１７１０では、サブセル等価回路を設定する。先に述べたように図１２のように等価回路を設定することができる。図１２は一例であり、これに限るものではない。

Ｓ１７１１では、ＰＶモジュールの初期特性測定結果から、サブセル等価回路の局所直列抵抗初期値を算出する。算出結果は、Ｓ１７０６でサブセル領域の抵抗値を算出するのに用いられる。

図４は太陽電池の特性を測定する際の構成を模式的に表したブロック図である。４００は恒温槽、４０１は疑似太陽光源を駆動するための電源、４０２は疑似太陽光源、４０３は恒温槽の温度、湿度を制御する制御装置、４０４は日射計、４０５はＰＶモジュール、４０６は熱電対、４０７はカーブトレーサ、４０８はデータロガーである。

加速試験を開始する前に、ＰＶモジュール４０５の初期特性を計測する。ここではＩＶ計測とＩＲ像の計測を行った。ＰＶモジュール４０５を恒温槽４００に入れ、恒温槽内を２５℃一定に保持し、疑似太陽光源４０２を駆動して光照射を行う。照射強度は日射計４０４を用いておよそ１．０（ｋＷ／ｍ^２）となるように設定する。光源４０２はモジュール４０５面内での光強度分布が５％以内となる様事前に調整しておく。光照射によりモジュール温度が上昇するため、安定するまで３０分ほど放置した後、カーブトレーサ４０７にてＩＶ計測を行う。この際、複数の熱電対４０６を用いてＰＶモジュール４０５の温度を裏面から計測しておく。作業の間、日射計４０４、熱電対４０６の出力はデータロガー４０８によりモニタ及び記録しておくことにより温度や光の安定性を確認できる。また、例えば特許文献２に開示されている方法に従い、ＩＶ計測結果から算出される太陽電池の温度や日射量と比較することにより、ＩＶ計測の妥当性を検証することができる。ＩＲ像の取得は恒温槽の外部で行った。

図５にＰＶモジュールの温度を、ＩＲカメラを用いて計測する際のセットアップの概要を示した。ＰＶモジュール４０５を壁際に垂直に立て、表面の硝子を覆わないように注意して養生テープで倒れないように固定する。ＰＶモジュール４０５と電源５０５の接続は太陽電池のダイオードに順方向接続となるよう、即ちＰＶモジュール４０５のＰ端子５０３と電源５０５の＋電極、Ｎ端子５０４と‐電極を接続する。ＰＶモジュール４０５の定格電流に相当する電流が流れるように電源５０５の設定を行う。明瞭なＩＲ像を得る為にＰＶモジュールに流す電流を大きくしても良い。標準条件（ＳＴＣ）におけるＩ_ｓｃの１．５倍程度の電流を短時間流してもＰＶモジュールに影響は見られない。但し、使用するケーブルに流せる最大電流を超えないように注意しなければならない。この他、ＩＲカメラの感度を高くする方法もある。本実施例においては１２．５Ａの設定とした。ＩＲカメラ５０１は三脚５０２に固定し、カメラの視野にＰＶモジュール４０５全体がちょうど収まるように配置する。オートフォーカス機能がない場合、通電した状態でバスバーの発熱の様子が最もコントラストがつくようにフォーカスを調整する。本実施例では、日本アビオニクスの赤外線サーモグラフィカメラＴｈｅｒｍｏ Ｓｈｏｔ Ｆ３０を使用してＩＲ像を撮影した。

初期特性を取得した後、ＰＶモジュールの加速試験を行う。本実施例では加速試験として温度サイクル試験を実施した。

なお、上記の例では電源により流れる電流で赤外線を発生させたが、太陽電池に負荷を接続した状態で太陽電池に光を照射することにより流れる電流により、太陽電池から発せられる赤外線を利用してもよい。

図６に、実施した温度サイクル試験の温度サイクルパターンを示す。横軸に時間を、縦軸に恒温槽温度をとりグラフ化したものである。恒温槽４００の設定は高温側の上限温度を８０℃、低温側の下限温度を−１０℃、夫々の温度での保持時間を３０分とした。昇温・降下温度は±９０（℃／ｈ）としたので１サイクルの所要時間は３（ｈ）である。昇温時と高温側での温度保持時には疑似太陽光源４０２により疑似太陽光を照射する。ＰＶモジュール４０５のコネクタを延長し、恒温槽４００外部に引き出して電子負荷７０１を接続することにより光照射時には電流を流した状態とした。電流値は最大電力点に対応する電流付近となるよう電子負荷７０１を設定した。

図７に、図６に示した温度サイクル試験のための、セットアップの構成ブロック図を示す。４０１は疑似太陽光源を駆動するための電源、４０２は疑似太陽光源、４０３は恒温槽の温度、湿度を制御する制御装置、４０４は日射計、４０５はＰＶモジュール、４０６は熱電対、４０８はデータロガー、７０１は電子負荷、７０２は制御用のＰＣである。

試験中の光照射強度とモジュール温度は日射計４０４と熱電対４０６によりモニタし、データロガー４０８に記録する。疑似太陽光源４０２のＯＮ／ＯＦＦはＰＣ７０２によりサイクルに同期させて制御を行う。

温度サイクル試験後のＩＲ像の撮影は、図５で説明したものと同様に行う。ＩＲ像の撮影時には周辺環境の温度に注意し、記録をするのが望ましい。特に、時系列で劣化の進行を把握する時などの様に複数のＩＲ像の解析を行う場合には、周辺環境温度を同一にして撮影することが望ましい。

図８に１２５０サイクル後の、モジュール表面のＩＲ像を示す。この画像からセルの位置を特定し、セル内の各画素における温度を特定することができる。

図９にＩＲ像とセルの配置の関係を重ねて表示した平面図を示す。本実施例で用いたＰＶモジュールは縦６×横１０の６０セルで構成されており、図９に示すマトリックスのようにセルの位置が特定される。

図１０で、局所抵抗を求める際に、セルをサブセルに分割する方法の例を説明する。１００１は、ＰＶモジュールを構成するＰＶセルである。各セル１００１の画像は図１０Ａに示すように１５×１５の画素１００３により構成されていたとする。図９からわかるように、バスバー１００２に垂直な方向の温度変化は、バスバー毎に見た場合、それほど大きな変化を示していなかった。このため、この方向については５つの画素をまとめて１つの画素１００４として取り扱った。まとめた後の画素の様子を図１０Ｂに示した。温度はまとめる前の５つの画素の平均値を割り当てた。こうして１つのセルについて、３×１５個の温度データを得た。この温度データを基に数式１３から各画素に相当する領域の局所抵抗を算出した。Ｔ_１及びＲ_ｓ１の値は、数式１３の説明で述べたようにＴ_１＝２５℃、Ｒ_ｓ１＝４.５×１０^−２（Ω／ｍ）、ｎ＝１．８４とした。

図１１に図９の左右向かい合う３組の矢印で示す位置の温度分布と、そこから計算した局所抵抗の分布を示した。図１１Ａが温度分布、図１１Ｂが抵抗分布である。

次に、求めた局所抵抗からセルの直列抵抗を計算する。今回は、セル内が図１２に示すような等価回路で表されるとして直列抵抗を計算した。

図１２の等価回路では、１２０１で示す各画素に対応するサブセル毎の等価回路がバスバー１００２夫々に並列接続されており、更にバスバー１００２同士も並列に接続された構造をしている。各画素に対応するサブセル１２０１における電流密度は一定で、それらのセル内での積分値がセル電流Ｉ_ｃに等しいと仮定した。

図１３に、このようなモデルを基に計算した各セルの直列抵抗の値を示した。モジュール全体での直列抵抗は０．１１（Ω）となり、ＩＶ計測から求めたモジュールの直列抵抗値０．１７（Ω）と比較的良い一致を示している。図１３に見られるように６×１０のセルの直列抵抗の値は、図９で示した６×１０のセルに対応している。

この様に、ＩＲ像からモジュール内の局所的な直列抵抗の値を得ることができるため、配線の劣化を物理的な数値に基づいて議論できることになる。更にはモジュール全体の直列抵抗も定量的に求まることから容易に計測できる物理量との比較が可能となり、ＩＲ像の濃淡を定量的に扱う従来の方法に比べ、配線の劣化を物理的な妥当性をもって議論できるようになる。また、モジュールの配線抵抗が求められると、例えば特許文献２や特許文献３に開示された方法に従って配線抵抗に起因したＰＶモジュールの電力損失を算出することができる。即ち、加速試験による出力劣化量を定量的に算出できるため、ＩＶ計測からモジュールの直列抵抗を求める方法とは別に、出力劣化の計算値と実測値の比較による妥当性の検討を行うこともできる。

本実施例では、ＩＲ計測時にＰＶモジュールを恒温槽から出さずに実施する方法について述べる。

図１４に恒温槽のセットアップのブロック図を示す。図７のシステムにＩＲ像を撮影するためのＩＲカメラ１４０１、カメラの向きを変えるパン・チルト台１４０２、及びパン・チルト台１４０３を制御するための制御部を追加している。パン・チルト台１４０３を制御しＩＲカメラ１４０１の視野にＰＶモジュール４０５が入るようＩＲカメラ１４０１の向きを変える。ＩＲカメラ１４０１の視野にＰＶモジュール４０５全体が入る場合はパン・チルト台やその制御部は不要である。ＰＶモジュール全体が入らない場合、カメラの向きを変えて複数枚のＩＲ像を撮影することにより、ＰＶモジュール全体のＩＲ像を得る。

図１５に温度サイクルパターンの一例を示す。温度サイクルの一部に一定温度の領域を設け、そこでＩＲ像を撮影する。本実施例では昇温時の２５℃にＩＲ像の撮影期間を設けた。温度サイクルの上限や下限の温度でＩＲ像を取得する方法もある。昇温や温度降下の間に新たに一定温度領域を設ける必要がないため、サイクル時間を延ばさなくてよいメリットがある。反面、ＩＲカメラの動作範囲によって温度サイクルの上下限温度が制限されてしまうデメリットがある。ＩＲカメラも通常の電子機器と同様に保存環境温度に比べ動作環境温度が制限されていることが一般的であり、多くの場合、動作温度は＋５℃から６０℃程度に設定されているためである。

図１５においては温度サイクル試験の全てのサイクルでＩＲ像を取得する設定となっているが、必ずしもすべてのサイクルで撮影する必要は無い。１サイクルの温度変化での劣化は極めて小さいと考えられるため、数１０サイクルから１００サイクル程度に１回の像の取得で充分である。

本実施例による方法は、ＰＶモジュールを恒温槽から取り出す必要がないため、大幅に手間が省け、かつ、容易にデータが取得できるメリットがある。また、ＩＲ像の撮影環境温度を一定に保つことができることも利点である。ただし、恒温槽の温度サイクル制御に用いるコンプレッサーは振動を発するため、この振動により長時間の試験では僅かずつＰＶモジュールの位置が移動してしまう。ＰＶモジュールの位置を固定しておかないと、取得する画像ごとに像内のＰＶモジュール、ひいてはセルの位置が異なってしまうため、比較の際のデータ処理に手間が必要となる。これを避ける為には振動によるＰＶモジュールのずれ防止に注意が必要である。

本実施例では、ＰＶモジュールの製造過程で配線の局所劣化を定量的に検査するインライン検査を行う方法について述べる。

図１６に一般的なＰＶモジュールの製造工程を示す。

まず、セル工程Ｓ１６０１で出来上がったＰＶセル同士を直列に接続する。はんだでメッキされた銅配線をセルにはんだ付けし、所定の枚数のセルを直列接続することによりセルのストリングを形成する。これを交互に並べてお互いを配線で接続する。例えば、６０セルのＰＶモジュールであれば１０枚のセルを直列に接続し、これを交互に６ストリング並べ、これらが直列になるよう配線する（配線アセンブル工程Ｓ１６０２）。

次に、強化ガラスの上にＥＶＡ（Ethylene-Vinyl Acetate：エチレン-酢酸ビニル共重合樹脂）などの封止材、接続されたセル、封止材、保護シートを配置し、真空中で加圧しながら加熱することによりセルをラミネートする（ラミネート工程Ｓ１６０３）。

加圧、加熱により封止材が架橋されセルが封止される。ラミネート工程にて周辺にはみ出した封止材を切断し除去した（切除工程Ｓ１６０４）のち、端子ボックスを取り付ける（端子ボックス取付工程Ｓ１６０５）。切除工程により露出した端部を樹脂で封止した（端部封止工程Ｓ１６０６）のち、シーリング材で端部を覆い（シーリング材取付工程Ｓ１６０７）、アルミフレームを取り付ける（フレーム取付工程（Ｓ１６０８））。

その後、検査工程Ｓ１６０９にて製造したＰＶモジュールの健全性を検査する。検査方法として最も一般的なものにＥＬを用いる方法が挙げられる（ＥＬ撮影検査Ｓ１６１０）。ＰＶモジュールのＰＶ接合に順方向接続して電流を流す際に観測されるＥＬからフィンガー電極の断線、シリコンウェーハのクラックなどを見る方法である。また、ラマン分光法により結晶性を判定する方法も知られている（ラマン分光検査Ｓ１６１１）。さらに、ＩＲカメラにより通電したＰＶモジュールの発熱を観察し、異常発熱がないかどうかを検査する方法もある（ＩＲ撮影検査Ｓ１６１２）。

本実施例においてはＩＲカメラによる像から局所的な抵抗値を定量的に求める方法を取った。これはＩＲ撮影検査Ｓ１６１２の一部として実施できる。詳細な方法は、加速試験を実施しないことを除けば先に説明した実施例１あるいは２に開示した方法と同様に行えばよい。また、装置としては加速試験を実施できるような恒温槽は不要で、必要に応じた簡便な装置を用いればよい。計測は環境温度Ｔ＝２５℃一点で行い、モジュール内の温度分布を利用し、モジュール全体から温度の低い局所領域を選定し、その温度をＴ_１に設定すればよい。この局所領域を基準にして他の各点の温度をＴ_２として局所抵抗Ｒ_ｓ２を求める。Ｒ_ｓ１はモジュール全体の特性から求めたＲｓから等価回路に基づいた値を用いればよい。モジュール全体のＲ_ｓが大きい異常なモジュールでない限り局所的に異常が含まれていたとしても、こうして求めた局所抵抗は均し効果によりほぼ正常なＲ_ｓ１を求めることができる。モジュール全体のＲ_ｓが大きい場合は、それが分かった時点で異常として除外すればよい。

局所的な抵抗値がある一定の値以下であるＰＶモジュールを合格とすれば、その値に応じた信頼性の高いＰＶモジュールを選定することができる。本実施例においてはセルを３×１５のサブセルに分解して解析した場合の局所抵抗の最大値が２×１０^−２Ω／ｍのモジュールを合格とした。これにより、合格したＰＶモジュールは温度サイクル試験を実施した場合に１０００サイクルを超えてセルの直列抵抗が１（ｍΩ）未満に留まることが期待できる。

なお、検査の方法はＩＲカメラによる方法のみに限定するわけではない。ＩＲカメラによる方法以外にＥＬやラマンによる方法、あるはそれ以外の方法による検査を組み合わせてもよい。

本実施例においては、ＰＶモジュールの温度情報から局所抵抗を求める方法を活用してＰＶシステムを構築する方法について述べる。

ＰＶモジュールの製造ラインで、実施例３に記載の方法によりＰＶモジュールの検査工程を行う。この際、製造したＰＶモジュールの局所抵抗の最大値がある一定の値（本実施例においては５×１０^−２Ω／ｍ）以下のものについて、１×１０^−２（Ω／ｍ）毎に分別する。分別したＰＶモジュール毎にストリングを構成することにより、ストリング内のＰＶモジュールの特性が揃えられ、発電時の電流の損失を抑えることができる。これは、性能の良いＰＶモジュールと性能の悪いＰＶモジュールが混在していた場合に、性能の良いＰＶモジュールの発電量が性能の悪いＰＶモジュールによって規定され、性能の差分だけ発電によって得られた電流が熱として捨てられてしまうことが避けられるためである。

性能を揃えたＰＶモジュールを用いてＰＶストリングを構成することにより損失を防ぐ方法自体は、従来のＩＶ計測などによる事前の性能把握を活用することでも可能であった。しかし、本発明で開示した方法を用いることにより、より高感度に性能毎の分別が可能になること、及び、局所抵抗値に基づいた分別を行うことにより、将来に渡り劣化量が近いＰＶモジュールを選ぶことができるため、より長期間に渡り損失を抑えたシステムを構成することができる。

局所抵抗値の最大値に応じて分別したＰＶモジュールを用いてストリングを構成する。更に、こうして構成したストリングを基にＰＶシステムを構築することにより、長期間に渡って安定して損失の少ないＰＶシステムを得ることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

４００…恒温槽、
４０１…疑似太陽光源を駆動するための電源、
４０２…疑似太陽光源、
４０３…恒温槽の温度、湿度を制御する制御装置、
４０４…日射計、
４０５…ＰＶモジュール、
４０６…熱電対、
４０７…カーブトレーサ、
４０８…データロガー、
５０１…赤外線カメラ
５０２…三脚
５０３…ＰＶモジュールのＰ側コネクタ
５０４…ＰＶモジュールのＮ側コネクタ
５０５…電源
７０１…電子負荷
７０２…制御用、及びデータ収集用コンピューター
１００１…ＰＶモジュールを構成するＰＶセル
１００２…バスバー
１２０１…ＰＶセルの各サブセルに相当する等価回路
１４０１…ＩＲカメラ
１４０２…パン・チルト台
１４０３…パン・チルト台の制御部

Claims (12)

1. 複数のセルから構成される太陽電池の検査方法であって、
   前記太陽電池に所定の電流を通電した際に、ＩＲカメラにより前記太陽電池を撮影したＩＲ像から、前記ＩＲカメラの画素に対応する前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程と、
   前記局所領域の温度Ｔ _２ から前記太陽電池の局所領域の局所抵抗Ｒ _Ｓ２ を求める工程と、
   前記局所抵抗Ｒ _Ｓ２ から前記太陽電池の各セルの抵抗を算出する工程を有し、
   前記局所抵抗Ｒ _Ｓ２ は、式
   Ｒ _Ｓ２ ＝（Ｔ _２ ／Ｔ _１ ）（１／Ｉ _ｃ ）（Ｖ _ｃ ＋Ｉ _ｃ Ｒ _ｓ１ ）−（Ｖ _ｃ ／Ｉ _ｃ ）−｛（３ｎ _ｆ ｋＴ _２ ）／ｅＩ _ｃ ｝・ｌｎ（Ｔ _２ ／Ｔ _１ ）−（Ｅ _ｇ ／Ｉ _ｃ ）（１−Ｔ _２ ／Ｔ _１ ）
   により導出され、
   Ｔ _１ は既知の温度
   Ｉ _ｃ はセル電流
   Ｖ _ｃ はセル電圧
   Ｒ _ｓ１ は温度Ｔ _１ における局所領域の局所抵抗
   ｎ _ｆ はダイオード定数
   ｋはボルツマン定数
   ｅは素電荷量
   Ｅ _ｇ はシリコンのバンドギャップ
   であり、
   前記セルは複数のサブセルを含むものとし、
   前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程が、前記ＩＲカメラの複数画素に対応する温度Ｔ _２ を求めるものであり、
   前記ＩＲカメラの複数画素は、前記セルのバスバーに垂直方向の範囲を撮像した複数画素であり、当該複数画素が撮影した前記セルの範囲を前記サブセルと定義し、
   前記ＩＲカメラの複数画素に対応する温度Ｔ _２ から各サブセルの局所抵抗Ｒ _Ｓ２ を求めることを特徴とする太陽電池の検査方法。
2. 前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程が、前記太陽電池を構成するＰＮ接合のＰ極側にプラスの、Ｎ極側にマイナスの電位を与えることにより流れる電流により前記太陽電池から発せられる赤外線を利用することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の検査方法。
3. 前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程が、前記太陽電池に負荷を接続した状態で前記太陽電池に光を照射することにより流れる電流により前記太陽電池から発せられる赤外線を利用することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の検査方法。
4. 前記温度Ｔ _１ は２９８Ｋであることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の検査方法。
5. 前記ＩＲカメラの複数画素に対応する温度Ｔ _２ は、当該複数の画素のそれぞれに対応する温度の平均値であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の検査方法。
6. 前記サブセル毎の等価回路が前記バスバーの其々に並列接続されており、さらに前記バスバー同士も並列に接続された構造をしているものとして、前記セルの抵抗を求めることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池の検査方法。
7. 複数のセルから構成される太陽電池の製造方法であって、その製造工程に検査工程を含み、前記検査工程が、
   前記太陽電池に所定の電流を通電した際に、ＩＲカメラにより前記太陽電池を撮影したＩＲ像から、前記ＩＲカメラの画素に対応する前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程と、
   前記局所領域の温度Ｔ _２ から前記太陽電池の局所領域の局所抵抗Ｒ _Ｓ２ を求める工程と、
   前記局所抵抗Ｒ _Ｓ２ から前記太陽電池の各セルの抵抗を算出する工程を有し、
   前記局所抵抗Ｒ _Ｓ２ は、式
   Ｒ _Ｓ２ ＝（Ｔ _２ ／Ｔ _１ ）（１／Ｉ _ｃ ）（Ｖ _ｃ ＋Ｉ _ｃ Ｒ _ｓ１ ）−（Ｖ _ｃ ／Ｉ _ｃ ）−｛（３ｎ _ｆ ｋＴ _２ ）／ｅＩ _ｃ ｝・ｌｎ（Ｔ _２ ／Ｔ _１ ）−（Ｅ _ｇ ／Ｉ _ｃ ）（１−Ｔ _２ ／Ｔ _１ ）
   により導出され、
   Ｔ _１ は既知の温度
   Ｉ _ｃ はセル電流
   Ｖ _ｃ はセル電圧
   Ｒ _ｓ１ は温度Ｔ _１ における局所領域の局所抵抗
   ｎ _ｆ はダイオード定数
   ｋはボルツマン定数
   ｅは素電荷量
   Ｅ _ｇ はシリコンのバンドギャップ
   であり、
   前記セルは複数のサブセルを含むものとし、
   前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程が、前記ＩＲカメラの複数画素に対応する温度Ｔ _２ を求めるものであり、
   前記ＩＲカメラの複数画素は、前記セルのバスバーに垂直方向の範囲を撮像した複数画素であり、当該複数画素が撮影したセルの範囲をサブセルと定義し、
   前記ＩＲカメラの複数画素に対応する温度Ｔ _２ から各サブセルの局所抵抗Ｒ _Ｓ２ を求めることを特徴とする太陽電池の製造方法。
8. 前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程が、前記太陽電池を構成するＰＮ接合のＰ極側にプラスの、Ｎ極側にマイナスの電位を与えることにより流れる電流により前記太陽電池から発せられる赤外線を利用することを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
9. 前記太陽電池の局所領域の温度Ｔ _２ を求める工程が、前記太陽電池に負荷を接続した状態で前記太陽電池に光を照射することにより流れる電流により前記太陽電池から発せられる赤外線を利用することを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
10. 前記温度Ｔ _１ は２９８Ｋであることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
11. 前記ＩＲカメラの複数画素に対応する温度Ｔ _２ は、当該複数の画素のそれぞれに対応する温度の平均値であることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。
12. 前記サブセル毎の等価回路が前記バスバーの其々に並列接続されており、さらに前記バスバー同士も並列に接続された構造をしているものとして、前記セルの抵抗を求めることを特徴とする請求項７に記載の太陽電池の製造方法。

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