JP6565112B2 - 太陽電池の評価方法及び評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池の発光を撮影したエレクトロルミネッセンス画像又はフォトルミネッセンス画像に基づいて取得される開放電圧値から太陽電池の特性を評価する太陽電池の評価方法及び評価装置に関する。

太陽電池の発光をカメラにより撮影した画像は、光励起によるもの、電流注入によるもの、そのいずれもが太陽電池の診断や評価に用いられてきた。発光の画像は、解析により太陽電池の割れや欠け、劣化、電極不良などを可視化したものとして、信頼性検査や抜き取り検査に用いられている。一方で、発光の強度は、太陽電池の効率を下げる要因である少数キャリアの非輻射再結合の頻度と密接に関わっているにも関わらず、定量的測定の難しさから太陽電池の診断に使われる例が少ない。

数少ない例として、太陽電池の発光強度として太陽電池のエレクトロルミネッセンス画像における輝度から太陽電池を診断する方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、この方法では、発光強度が相対強度で記録され、かつ外部発光効率の測定がないために、発光強度と動作特性の間の関係が測定装置や太陽電池の種類に依存した、複数の経験的な検量線で示されている。そのため、測定装置や太陽電池の種類に依存せず、物理的理論的に裏付けされた基準により定量的に太陽電池を評価することができない問題がある。また、検量線の作成に手間が掛かり、効率的に太陽電池を評価することができない問題がある。

また、太陽電池の発光効率と開放電圧は、相反関係式と呼ばれる式により結びつけられる。これを利用し、太陽電池の絶対発光強度から発光効率を測定（絶対光量測定）し、太陽電池の開放電圧を診断する方法が提案されている（非特許文献１参照）。
しかしながら、太陽電池の発光は、多くの場合、面内方向に空間的非一様である。前記絶対光量測定は、フォトダイオードなどの受光素子を太陽電池に対して特定の位置に配置して行う、空間分解能がない測定であり、これだけでは診断として不十分で、精度良く太陽電池を評価することができない問題がある。また、発電所に設置済みの場合など、直接のアクセスが困難な場所にある太陽電池の診断にも不適である。

特許第５２８８５５７号公報

J. F. Geiszら Applied Physics Letters, 103 (2013) 041118

本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、測定装置や太陽電池の種類に依存せず、定量的、効率的かつ高精度に太陽電池を評価可能な太陽電池の評価方法及び評価装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 太陽電池セル及び太陽電池モジュールのいずれかである被評価太陽電池の外部量子効率を測定する外部量子効率測定工程と、画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のエレクトロルミネッセンス画像及びフォトルミネッセンス画像のいずれかの発光画像を取得する発光画像取得工程と、前記外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得工程と、を含むことを特徴とする太陽電池の評価方法。
＜２＞ 被評価太陽電池が電極未形成の太陽電池用材料であり、画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のフォトルミネッセンス画像である発光画像を取得する発光画像取得工程と、前記被評価太陽電池の外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得工程と、を含むことを特徴とする太陽電池の評価方法。
＜３＞ 被評価太陽電池が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ガリウム砒素単結晶、インジウムガリウム砒素単結晶、ガリウムリン単結晶、インジウムガリウムリン単結晶、ゲルマニウム単結晶、カルコパイライト系Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ペロブスカイト結晶、カドミウムテルル、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、及びシリコンゲルマニウム単結晶の少なくともいずれかの材料で構成された太陽電池セルである前記＜１＞に記載の太陽電池の評価方法。
＜４＞ 被評価太陽電池が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ガリウム砒素単結晶、インジウムガリウム砒素単結晶、ガリウムリン単結晶、インジウムガリウムリン単結晶、ゲルマニウム単結晶、カルコパイライト系Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ペロブスカイト結晶、カドミウムテルル、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、及びシリコンゲルマニウム単結晶の少なくともいずれかの材料で構成された太陽電池セルが複数連結された太陽電池モジュールである前記＜１＞に記載の太陽電池の評価方法。
＜５＞ 発光標準を構成する発光素子の外部量子効率スペクトル情報と、前記発光素子の発光スペクトル情報とに基づいて感度が算定されたフォトダイオードにより少なくとも絶対発光強度及び電流特性が定量化された前記発光標準を用いる前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の太陽電池の評価方法。
＜６＞ 撮像素子がＩｎＧａＡｓ、シリコン、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ/ＰｂＳｅ、及びＨｇＣｄＴｅの少なくともいずれかで形成される素子で構成されるカメラを用いる前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の太陽電池の評価方法。
＜７＞ 開放電圧マップ取得工程が、下記式（１）により、カメラの画素ごとにおける被評価太陽電池の開放電圧Ｖ_ｏｃを求めて開放電圧マップを取得する工程である前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の太陽電池の評価方法。
ただし、前記式（１）中、ｅは、素電荷を示し、ｋ_Ｂは、ボルツマン定数を示し、Ｔは、前記被評価太陽電池の発光画像を取得したときの温度を示し、Ｊ_ｓｃは、太陽光照射時の前記被評価太陽電池の逆電流密度のスカラー量を示し、Ｊ_ｒａｄは、外部量子効率に黒体輻射スペクトルを乗じて得られる前記被評価太陽電池の発光の放射全輝度を１光子当たりのエネルギーで減じたものを示し、ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤは、カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報から算出される前記被評価太陽電池の外部発光効率を示す。
＜８＞ 太陽電池セル及び太陽電池モジュールのいずれかである被評価太陽電池の外部量子効率を測定する外部量子効率測定部と、画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のエレクトロルミネッセンス画像及びフォトルミネッセンス画像のいずれかの発光画像を取得する発光画像取得部と、前記外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得部と、を有することを特徴とする太陽電池の評価装置。
＜９＞ 被評価太陽電池が電極未形成の太陽電池用材料であり、画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のフォトルミネッセンス画像である発光画像を取得する発光画像取得部と、前記被評価太陽電池の外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得部と、を有することを特徴とする太陽電池の評価装置。

本発明によれば、従来技術における前記諸問題を解決することができ、測定装置や太陽電池の種類に依存せず、定量的、効率的かつ高精度に太陽電池を評価可能な太陽電池の評価方法及び評価装置を提供することができる。

被評価太陽電池の外部量子効率スペクトル及び室温における絶対放射スペクトルを示す図である。 被評価太陽電池の評価試験の概要を示す説明図（１）である。 被評価太陽電池の評価試験における素子の感度スペクトルを示す図である。 被評価太陽電池の発光スペクトルを示す図である。 被評価太陽電池の評価試験の概要を示す説明図（２）である。 被評価太陽電池のＥＬイメージを示す図である。 図２（ａ）に示すＥＬイメージの黒い鎖線で囲った領域において、Ｉ_{ｃａｍｅｒａ}値（カウント数）と、特定のＩ_{ｃａｍｅｒａ}値を有する画素の出現頻度との関係を表したヒストグラムを示す図である。 被評価太陽電池のＥＬイメージをシミュレートするためのモデルを概念的に示す図である。 被評価太陽電池の電極に垂直な方向のＥＬの空間分布を計算モデルとの比較において示す図である。 屋外で３年間稼動した太陽電池モジュールの開放電圧マップを示す図である。 開放電圧の評価値と、特定の開放電圧の評価値を有する画素の出現頻度との関係を表したヒストグラムを示す図である。 屋外で３年間稼動した太陽電池モジュールのセル単位での開放電圧マップを示す図である。 屋外で３年間稼動した太陽電池モジュールの開放電圧の評価値と、特定の開放電圧の評価値を有するセルの出現頻度との関係を表したヒストグラムを示す図である。

（太陽電池の評価方法及び評価装置）
本発明の太陽電池の評価方法は、外部量子効率測定工程と、発光画像取得工程と、開放電圧マップ取得工程とを含む。また、本発明の太陽電池の評価装置は、外部量子効率測定部と、発光画像取得部と、開放電圧マップ取得部とを有する。

前記太陽電池の評価方法及び装置で評価対象となる被評価太陽電池としては、特に制限はなく、公知の太陽電池セル、太陽電池モジュールに加え、電極未形成の太陽電池用材料を含む。
例えば、前記太陽電池セル及び前記太陽電池モジュールとしては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ガリウム砒素単結晶、インジウムガリウム砒素単結晶、ガリウムリン単結晶、インジウムガリウムリン単結晶、ゲルマニウム単結晶、カルコパイライト系Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ペロブスカイト結晶、カドミウムテルル、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、及びシリコンゲルマニウム単結晶の少なくともいずれかの材料で構成された公知の太陽電池セル及び太陽電池モジュールが挙げられる。なお、前記太陽電池セルの用語は、光を受けて電流を発生させる１つの構成単位を示し、幾つかのサブセルで構成されるセルを含む。また、前記太陽電池モジュールの用語は、前記太陽電池セルが複数連結されたものを示す。
また、前記太陽電池用材料としては、公知の太陽電池用ウェハ、該ウェハに拡散層や絶縁膜が形成された状態のものを含む。

＜外部量子効率測定工程及び外部量子効率測定部＞
前記外部量子効率測定工程は、前記被評価太陽電池の外部量子効率を測定する工程である。また、前記外部量子効率測定部は、前記被評価太陽電池の前記外部量子効率を測定する部である。

前記外部量子効率測定部としては、前記外部量子効率を測定可能な装置であれば、特に制限はなく、公知の分光感度測定装置が挙げられる。
また、前記外部量子効率測定工程としては、特に制限はなく、前記外部量子効率測定部により実施することができる。

＜発光画像取得工程及び発光画像取得部＞
前記発光画像取得工程は、画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のエレクトロルミネッセンス画像及びフォトルミネッセンス画像のいずれかの発光画像を取得する工程である。また、前記発光画像取得工程は、前記画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池の前記エレクトロルミネッセンス画像及び前記フォトルミネッセンス画像のいずれかの発光画像を取得する部である。
なお、前記被評価太陽電池を発光させる手段としては、前記エレクトロルミネッセンス発光を生じさせる場合、前記被評価太陽電池に電流を注入する公知の電源装置等が挙げられる。また、前記フォトルミネッセンス発光を生じさせる場合、前記被評価太陽電池に波長が特定された単色光を励起光として前記被評価太陽電池に照射する公知の光照射装置等が挙げられる。

前記発光画像取得部としては、特に制限はなく、前記画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能な公知のカメラ及び前記カメラを固定する公知の部材等が挙げられる。また、前記フォトルミネッセンス画像を撮影する場合、これらに加えて前記励起光をカットして撮影するフィルタ機構が挙げられる。
前記カメラの撮像素子としては、特に制限はなく、目的に応じて公知の素子を選択することができ、例えば、被評価太陽電池がＳｉ（シリコン）素子である場合、Ｓｉ（シリコン）素子であると安価で高解像度のものが得られやすく、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ/ＰｂＳｅ、及びＨｇＣｄＴｅの少なくともいずれかで形成される素子であると測定速度に優れたものが得られやすい。前記太陽電池セルを前記被評価太陽電池とする場合、前記Ｓｉ素子であると１つの前記太陽電池セルの撮影に必要な露光時間が１０秒程度必要であるため生産ラインで流れているセルの全数撮影が困難となるが、前記ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ/ＰｂＳｅ、及びＨｇＣｄＴｅの少なくともいずれかで形成される素子であると、前記Ｓｉ素子の１００倍程度の感度があるため、露光時間が１ミリ秒ないし１０ミリ秒となり、前記太陽電池セルの全数評価を現実的に行うことが可能となる。
また、前記発光画像取得工程としては、特に制限はなく、前記発光画像取得部により実施することができる。

＜開放電圧マップ取得工程及び開放電圧マップ取得部＞
前記開放電圧マップ取得工程は、前記外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する工程である。また、前記開放電圧マップ取得部は、前記外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する部である。

−発光標準−
前記発光標準を構成する発光素子としては、特に制限はなく、公知の太陽電池素子、発光ダイオード等が挙げられる。
前記発光標準の決定方法について説明する。
先ず、前記発光素子を発光させ、外部量子効率スペクトル、発光スペクトル及びその絶対発光強度の電流特性を測定する。
前記発光素子を発光させる装置としては、特に制限はなく、例えば、前記被評価太陽電池の発光に用いる装置として説明した、公知の電源装置、公知の光照射装置等をそのまま用いることができる。
また、前記外部量子効率スペクトルの測定装置としては、特に制限はなく、例えば、前記外部量子効率測定部で用いた装置をそのまま用いることができる。
また、前記発光スペクトルの測定装置としては、特に制限はなく、例えば、公知のグレーティング式分光測定装置を用いることができる。
また、前記絶対発光強度の電流特性の測定装置としては、特に制限はなく、例えば、公知のフォトダイオードが挙げられる。
前記発光素子の外部量子効率スペクトル及び発光スペクトルが得られれば、前記フォトダイオードの感度が得られ、前記フォトダイオードの信号強度（光電流値）と前記発光素子の絶対発光強度との関係を定量化することができる。また、このように決定された前記発光標準の発光を前記カメラで撮影することで、前記カメラの感度を校正することができる。

−開放電圧マップ−
前記開放電圧マップ取得部としては、特に制限はなく、ＰＣ等の公知の演算処理装置で構成され、前記外部量子効率から得られる情報と発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される前記発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報とに基づいて前記カメラの画素及び被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた前記開放電圧マップを算出して取得する演算処理がプログラムされたものが挙げられる。
前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報としては、前記発光標準を撮影して得られる前記カメラの感度で、前記発光標準撮影前のカメラの感度を校正する形で取得される。
前記開放電圧マップとしては、熱力学の詳細平衡原理にならって前記被評価太陽電池の動作特性を表現した相反関係式により、前記発光画像の発光情報を開放電圧に変換してマップ化させて取得される。例えば、前記相反関係式を変形して 得られる下記式（１）による演算処理を行って取得することができる。

ただし、前記式（１）中、ｅは、素電荷を示し、ｋ_Ｂは、ボルツマン定数を示し、Ｔは、太陽電池として動作する前記被評価太陽電池に対する発光画像の取得温度を示し、Ｊ_ｓｃは、太陽光照射時の前記被評価太陽電池の逆電流密度のスカラー量を示し、Ｊ_ｒａｄは、外部量子効率に黒体輻射スペクトルを乗じて得られる前記被評価太陽電池の発光の放射全輝度を１光子当たりのエネルギーで減じたものを示し、ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤは、カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報から算出される前記被評価太陽電池の外部発光効率を示す。
なお、前記開放電圧マップ取得工程としては、特に制限はなく、前記開放電圧マップ取得部により実施することができる。

本発明の実施例を、主に図１（ｂ）、（ｄ）を参照しつつ説明する。なお、図１（ｂ）は、被評価太陽電池の評価試験の概要を示す説明図（１）であり、図１（ｄ）は、被評価太陽電池の評価試験の概要を示す説明図（２）である。

（被評価太陽電池）
被評価太陽電池１としては、縦横２ｃｍ×２ｃｍ、厚み１８０μｍの自作太陽電池セルを用いた。この太陽電池セルは、ｐ型Ｓｉ結晶の表層にリンを拡散させ、ｐ型半導体層上にｎ型半導体層を形成して作製されたものであり、表面積の７．２％が電極で覆われるように、表面上に短冊状の電極が配されている。

（外部量子効率スペクトル測定）
先ず、被評価太陽電池１の外部量子効率の測定を以下の通り行った。
即ち、被評価太陽電池１を外部量子効率測定装置（分光計器社製、ＭＳＲ−３分光感度測定装置、不図示）内に設置して被評価太陽電池１の外部量子効率スペクトルの測定を行った。具体的な測定としては、前記外部量子効率測定装置の光源から被評価太陽電池１に照射する光のスポットサイズを直径０．８ｍｍに設定し、スポットを被評価太陽電池１の中心部に合わせつつ電極を避けるようにして行った。
図１（ａ）に被評価太陽電池の外部量子効率スペクトル及び室温における絶対放射スペクトルを示す。

（発光標準の決定）
＜ＥＬ発光の発光スペクトル測定＞
次に、図１（ｂ）に示すように、被評価太陽電池１を支持基板２上に設置し、支持基板２上に配された配線を介して被評価太陽電池１と定電流電源３（Ａｄｖａｎｔｅｓｔ社製、Ｒ６２４０Ａ）とを接続し、定電流電源３から被評価太陽電池１に電流を注入して、被評価太陽電池１をエレクトロルミネッセンス発光（以下、「ＥＬ発光」）させた。
次いで、前記ＥＬ発光を光ファイバーバンドル２０（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製、ＬＧ−４５６−０２０−１）で、焦点距離が３２ｃｍの分光器２１（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製、３２０ＰＩ）に導入し、前記ＥＬ発光を１，０２４画素のＩｎＧａＡｓ製のフォトダイオードセンサ２２（リニアＩｎＧａＡｓフォトダイオードセンサ、Ａｃｔｏｎ社製、７４９８−０００１）で受光して、前記ＥＬ発光の発光スペクトル測定を行った。

＜ＥＬ発光の絶対強度測定＞
また、図１（ｂ）に示すように、受光面が直径３ｍｍの円板型のＩｎＧａＡｓ製のフォトダイオード１０（浜松フォトニクス社製、Ｇ１２１８２−０３０Ｋ）を被評価太陽電池１の表面の中心位置上１ｍｍの位置で、かつ、受光面が被評価太陽電池１の表面と平行となるように固定し、被評価太陽電池１からの前記ＥＬ発光をフォトダイオード１０で受光させ、受光に伴い発生する光電流をフォトダイオード１０に接続された微弱電流計１１（Ａｄｖａｎｔｅｓｔ社製、Ｒ８２５２）で測定した。

＜発光標準＞
先ず、前記外部量子効率スペクトルと前記ＥＬ発光の発光スペクトルとに基づいてフォトダイオード１０の感度η_ＰＤを次のように算定した。

ここで、Ｅは、光子エネルギーを示し、η_{ＩｎＧａＡｓ}は、フォトダイオード１０の感度スペクトルを示し、Ｉ_ｒａｄは、前記外部量子効率に黒体放射スペクトルを乗じて得られる被評価太陽電池１の発光の放射全輝度を１光子当たりのエネルギーで減じたものを示し、前記ＥＬ発光の発光強度スペクトルを指標するものである。図１（ｃ−１）に被評価太陽電池１の評価試験における素子（フォトダイオード１０）の感度スペクトルを示す。また、図１（ｃ−２）に被評価太陽電池の発光スペクトルを示す。
以上により、フォトダイオード１０の感度η_ＰＤは、０．４５Ａ／Ｗと得られた。
得られた前記感度に基づき、フォトダイオード１０が検出する前記光電流信号を被評価太陽電池１の絶対発光強度に変換して定量化させることができる。このように前記ＥＬ発光時の電流特性に基づいて前記絶対発光強度が定量化された被評価太陽電池１を発光標準とする。
即ち、本実施例では、評価対象の太陽電池をそのまま発光標準とする。別の装置で別の被評価太陽電池の特性を評価する場合には、この発光基準に基づいて感度を校正することができる。また、前記発光基準としては、太陽電池に限らず、前記ＥＬ発光と発光原理が共通する発光ダイオードを用いることができる。この場合、被評価太陽電池１に代えて前記発光ダイオードを用い、これを本実施例と同様の方法で発光標準と定めることができる。

前記発光標準としての被評価太陽電池１の前記ＥＬ発光時の電流特性に基づく前記絶対発光強度をより具体的に説明をする。
被評価太陽電池１の前記絶対発光強度として、ここでは、単位面積当たりの発光レートＲ_ｅｘｔを、フォトダイオード１０の検出電流値Ｉ_ＰＤから、次式（Ａ）、Ｒ_ｅｘｔ＝（Ｉ_ＰＤ）／（Ｓ_ＰＤη_ＰＤＥ_{ｐｈｏｔｏｎ}）・・・（Ａ）により求めた。ここで、前記式（Ａ）中のＳ_ＰＤは、フォトダイオード１０の面積を示し、ここでは、７．０７×１０^−２ｃｍ^２である。また、Ｅ_{ｐｈｏｔｏｎ}は、前記ＥＬ発光の発光スペクトルより得られる光子の平均エネルギーを示し、ここでは、１．７７×１０^−１９Ｊである。その結果、Ｒ_ｅｘｔ＝７．０１×１０^１２ｃｍ^−２ｓ^−１が得られた。
また、被評価太陽電池１のＥＬ発光を測定するにあたり、その逆電流密度を、太陽光が照射され回路が開放されている場合のキャリア生成レートと等しくするため、Ｊ_ｃｅｌｌ＝−Ｊ_ｓｃ＝−３３．５ｍＡ／ｃｍ^２となるよう、逆電流値をＪ_ｃｅｌｌ×Ｓ_ｃｅｌｌ＝１３４ｍＡとした。ここで、Ｊ_ｃｅｌｌは、予めソーラーシミュレーターで測定した短絡電流であるが、被評価太陽電池１の前記外部量子収率スペクトルを前記外部効率測定装置で測定し、これに標準太陽光スペクトルを乗じ、表面電極の被覆率の分を補正してもほぼ同じ値が得られる。また、Ｓ_ｃｅｌｌ＝４ｃｍ^２は、被評価太陽電池１の面積である。

（発光画像の取得）
次に、図１（ｄ）に示すように、被評価太陽電池１の表面上に３２ｃｍの間隔を開けた状態で、ＩｎＧａＡｓ製素子を撮像素子とするカメラ３０（Ｘｅｎｉｃｓ社製、Ｘｅｖａ−３２０−１．７）を設置し、被評価太陽電池１からの前記ＥＬ発光の発光画像をカメラ３０で撮影した。ここで、カメラ３０の性能としては、画素数が３２０×２５６であり、画素サイズが３０μｍであり、撮影条件としては、レンズの焦点距離が３５ｍｍであり、絞り値（ｆ値）が１．４であり、露光時間が１０．８ｍｓｅｃである。また、前記ＥＬイメージは、バックグラウンドを減じた前記ＥＬ発光の画素（ｐｉｘｅｌ）ごとの検出回数値（ｃｏｕｎｔｓ）をＩ_{ｃａｍｅｒａ}値とし、このＩ_{ｃａｍｅｒａ}値に応じて各画素領域を色分け表示したものである。
カメラ３０で取得された被評価太陽電池１の前記ＥＬイメージを図２（ａ）に示す。また、フォトダイオード１０による校正のため、フォトダイオード１０により見た試料中心付近にあたる、図２（ａ）に示す前記ＥＬイメージの黒い鎖線で囲った領域において、Ｉ_{ｃａｍｅｒａ}値（ｃｏｕｎｔｓ）と、特定のＩ_{ｃａｍｅｒａ}値を有する画素の出現頻度との関係を表したヒストグラムを図２（ｂ）に示す。
黒い鎖線で囲った領域におけるＩ_{ｃａｍｅｒａ}値の平均は１，０５５であり、標準偏差は８１である。前記ＥＬ発光の絶対強度測定では、被評価太陽電池１の中心位置上にフォトダイオード１０を固定して測定を行っており、黒い鎖線で囲った領域の一部からの前記ＥＬ発光を測定していたといえる。なお、図２（ａ）中の白い鎖線で囲った領域は、フォトダイオード１０の前記受光面の大きさを示している。
ＥＬイメージは全体に電極部分の直上で暗く、それ以外の部分では電極に近いほど明るい様子を呈している。これは太陽電池の内部抵抗による電流の不均一に起因するものと考えられる。これが真であれば、試料中央部の、８つ並んだくし型電極の部分は、図２（ｃ）に示すような１次元のモデルでその強度分布が計算可能と考えられる。なお、図２（ｃ）は、被評価太陽電池１のＥＬイメージをシミュレートするためのモデルを概念的に示す図である。
ここで、図２（ｃ）中、符号１０１は、被評価太陽電池１のｎ型半導体層の面内抵抗を表しており、抵抗率は、Ｒ_ｈ［オーム毎センチメートル］である。符号１０２と１０３は、被評価太陽電池１の垂直方向の電流電圧特性の等価回路を示し、符号１０２は、垂直方向の抵抗で、抵抗率としてＲ_ｖ［オーム×センチメートル］であり、また、符号１０３は、閾値があるが理想的なダイオードであるとする。符号１０４は、電源を示し、符号１０５は、コンタクト抵抗を示す。ｄｘは、計算のための微小長さである。ＥＬの強さは、各位置のダイオード１０３に流れる電流に比例するとする。図の一番左の抵抗１０２及びダイオード１０３の位置は、電極端に対応し、ここを０とした図の右方向（ｘ方向）に向かう座標ｘを設定する。右方向に流れる電流の密度をｊ_ｈ、垂直に流れる電流の密度をｊ_ｖ、電圧をＶ_ｖ、電極間距離をＬとして、下記式（２）〜（５）の連立微分方程式が成り立つ。

これをｊ_ｖについてまとめると、下記（６）が得られる。

また、対称性を考慮すると、ＥＬ強度分布は、下記式（７）となり、電極からの距離に比例して指数減衰する成分の足し合せとなる。
現に図２（ａ）の７．７９ｍｍ＜ｘ＜２２．０７ｍｍの領域について電極に沿って積分したＩ_{ｃａｍｅｒａ}は、図２（ｄ）に示すように電極付近を除いて、前記式（７）を良く再現する。なお、図２（ｄ）は、被評価太陽電池１の電極に垂直な方向のＥＬの空間分布を計算モデルとの比較において示す図である。この一致は、ＥＬのパターンが内部抵抗による電流の不均一に起因するものであることの有力な証拠である。

（開放電圧マップの取得）
＜カメラの絶対感度＞
前記発光標準としての被評価太陽電池１の前記ＥＬ発光時（ＬＥＤ動作時）における外部発光効率ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤを、次式（Ｂ）、ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤ＝（Ｒ_ｅｘｔｅ）／（−Ｊ_ｃｅｌｌ）・・・（Ｂ）により求めた。なお、前記式（Ｂ）中のｅは、素電荷を示す。
また、前記発光標準としての被評価太陽電池１の特性である、前記発光レート（Ｒｅｘｔ＝７．０１×１０^１２ｃｍ^−２ｓ^−１）と、Ｉ_{ｃａｍｅｒａ}の平均値１，０５５とに基づき、カメラ３０の絶対感度η_{ｃａｍｅｒａ}値を、次のように算定した。

以上により、カメラ３０の絶対感度η_{ｃａｍｅｒａ}値は、（１．５０±０．１２）×１０^−１０ｃｍ^２ｓと得られた。

＜開放電圧の取得＞
次に、得られたカメラ３０の絶対感度η_{ｃａｍｅｒａ}値で初期の感度を指標するＩ_{ｃａｍｅｒａ}値を校正する態様で、カメラ３０の全画素のＩ_{ｃａｍｅｒａ}値の合計から被評価太陽電池１の発光レートＲ_ｅｘｔを６．３５×１０^１２ｃｍ^−２ｓ^−１と求め、注入電流１３４ｍＡからＪ_ｃｅｌｌを２．０９×１０^１７ｃｍ^−２ｓ^−１と求め、これらから外部発光効率を、式（Ｂ）でｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤ＝３．０４×１０^−５と求めた。即ち、ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤは、カメラ３０の感度情報が校正された前記発光画像の情報から算出される被評価太陽電池１の前記外部発光効率を示す。
なお、前記式（Ｂ）では、特性評価の対象となる被評価太陽電池の外部発光効率を得ることとし、前記式（Ｂ）中のＪ_ｃｅｌｌは、前記特性評価の対象となる被評価太陽電池の逆電流密度を示す。即ち、本実施例では、発光標準を兼ねた被評価太陽電池１の逆電流密度が該当するが、他の被評価太陽電池を用いる場合には、被評価太陽電池１と同様に測定した、前記他の被評価太陽電池の逆電流密度が該当する。

次に、前記外部量子効率測定装置（分光計器社製、ＭＳＲ−３分光感度測定装置、不図示）で測定した被評価太陽電池１の外部量子効率スペクトルから、室温における前記ＥＬ発光の放射レートを算出し、この放射レートに基づき、光を入射しない時の被評価太陽電池１の放射レートを電流密度で表したもの、即ち、前記外部量子効率に黒体輻射スペクトルを乗じて得られる被評価太陽電池１の発光の放射全輝度を１光子当たりのエネルギーで減じたＪ_ｒａｄを求めた。具体的には、以下の方法で電流密度Ｊ_ｒａｄを求めた。
被評価太陽電池１の外部量子効率（図１（ａ）実線）に、動作時の温度における黒体輻射スペクトルを乗じることにより、放射スペクトル（上図破線）が得られる。これを全波長で積分することで、放射レートＲ_ｒａｄ＝５．９７×１０^２（ｓ^−１ｃｍ^−２）が得られる。Ｊ_ｒａｄ＝ｅＲ_ｒａｄ＝９．６×１０^−１７Ａｃｍ^−２＝９．６×１０^−１４ｍＡｃｍ^−２である。ここで、ｅは、素電荷である。
以上から、電流密度Ｊ_ｒａｄは、９．６×１０^−１４ｍＡｃｍ^−２として得られた。なお、この電流密度Ｊ_ｒａｄは、特性評価の対象となる被評価太陽電池１の発光レートを電流の次元で表したものを示し、被評価太陽電池１に代えて他の被評価太陽電池を用いる場合には、前記他の被評価太陽電池の電流密度が該当する。

前記式（Ｂ）で求めた外部発光効率ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤ及び放射レートを電流密度として表したＪ_ｒａｄに基づき、被評価太陽電池１の開放電圧Ｖ_ＯＣを下記式（１）で求め、室温（Ｔ＝３００Ｋ）における被評価太陽電池１の開放電圧を０．５９７Ｖと取得した。

被評価太陽電池１の開放電圧（Ｖ_ＯＣ）についての前記式（１）は、相反関係式を変形して得られる式であり、前記式（１）中、ｋ_Ｂは、ボルツマン定数を示し、Ｊ_ｓｃは、被評価太陽電池１の太陽光照射時の逆電流密度（短絡電流密度）のスカラー量を示す。
被評価太陽電池１については、室温で前記式（１）は、Ｖ_ｏｃ＝０．８６６１＋０．０２５８５×ｌｎ（ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤ）と算出され、これが開放電圧評価値となる。

＜取得開放電圧の特性＞
被評価太陽電池１のＩＶ特性をＷａｃｏｍ社のソーラーシミュレーターによる１−ｓｕｎ（１００ｍＷ／ｃｍ^２）の疑似太陽光照射下で測定した。この測定は、被評価太陽電池１の内部抵抗等を考慮した測定に係る。
測定の結果、被評価太陽電池１の短絡電流密度は、３３．５ｍＡ／ｃｍ^２であり、実施例で測定された前記外部量子効率スペクトルから計算される短絡電流密度の値（３３．４ｍＡ／ｃｍ^２）と略一致した。また開放電圧は０．５９８Ｖであり、上記式（１）で求めた値０．５９７Ｖと略一致した。

本実施例では、前記開放電圧マップ作成の際、測定機器ごと、太陽電池の種類ごとに経験的に得られる検量線を用いたフィッティング等を行う必要が無い。そのため、あらゆる太陽電池に対して物理的理論的な裏付けの元に開放電圧を取得することができる。

＜開放電圧マップの取得＞
内部抵抗により現れる、電極間距離の長さのＥＬ発光パターンよりも十分大きな被評価太陽電池の特性の空間分布を本発明の方法で評価するため、例えば、多数のセル間の電圧比較を行うため、開放電圧マップの取得を行う。カメラ３０の絶対感度η_{ｃａｍｅｒａ}値で初期の感度を指標するＩ_{ｃａｍｅｒａ}値を校正する態様で、カメラ３０の各画素におけるＩ_{ｃａｍｅｒａ}値からＥＬ発光レートを取得し、電流注入密度が一様であると見なして各画素におけるｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤを前記式（Ｂ）により求め、前記式（１）により各画素における前記開放電圧値を算出し、前記ＥＬイメージに対して、前記開放電圧値を値ごとに色調変化させて表示することで可視化させた開放電圧マップを取得する。例えば、図２（ｅ）は、被評価太陽電池として、屋外で３年間稼動したＳｏｌａｒＣｅｎｔｅｒ社製、ＳＣＭ１２０太陽電池モジュールを用いた場合の開放電圧マップを示すものである。カメラと被評価太陽電池の距離を５２０ｃｍとした点以外は、被評価太陽電池１についての実施例と同一の測定機器、条件及び方法で評価した。図中各所に各辺が斜め４５度の方向を向いた長方形型をした暗い箇所が見られるのは、太陽電池の割れに起因するものと推定される。割れのないセル同士では開放電圧の比較ができる。例えば、最も左の列の上から４番目のセルは、開放電圧がおよそ０．６１６ないし０．６２２Ｖと評価されるのに対して、右から２列目、下から５番目のセルは、０．６１２ないし０．６１７Ｖと評価される。本モジュール（屋外で３年間稼動した太陽電池モジュール）の開放電圧評価値と、特定の開放電圧値を有する画素の出現頻度との関係を表したヒストグラムを図２（ｆ）に示す。割れや欠けのあるセルの発光を見ている画素数は画像全体としては少数であるから、このヒストグラムはＶｏｃマップの全体を把握するのに有用である。本モジュールは、公称の開放電圧が０．６５６Ｖであるのに対し、図２（ｆ）は開放電圧評価値が０．６１２ないし０．６１３Ｖを中心とした山形分布を作っている。このことから、何らかの理由で開放電圧が略０．０４Ｖ下がっていると評価できる。

＜開放電圧マップの取得の別方法＞
先の例では、前記開放電圧マップを各画素における前記開放電圧値で表示することとしたが、画像中でどの画素がどの太陽電池セルに対応するかが分かっている場合、被評価太陽電池１に対する前記開放電圧マップ取得方法と同じ様に、セル全体の発光の合計に基づいて前記開放電圧値を算出し、このセルを被評価単位として、各セルごとに前記開放電圧値を表示して開放電圧マップを取得することができる。この開放電圧マップによれば、セル同士の比較を行うことができる。即ち、各セルに相当する範囲内で発光のカウント数を平均することで被評価太陽電池の単位面積当たりＥＬ発光レートを求め、セル面積を乗じることで前記ＥＬの総発光レートを算出する。電流注入量と前記総発光レートから前記被評価太陽電池の発光効率ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤを算出し、前記式（１）にしたがって前記開放電圧値を算出する。

＜開放電圧マップの取得の別方法の実施例＞
図２（ｇ）は、屋外で３年間稼働した前記太陽電池モジュールのセル単位での開放電圧マップを示す図である。図中の明度と開放電圧の評価値の関係は、図２(ｅ)と同じである。割れや欠けなどの影響による極端な明暗は排除され、各セルの開放電圧の状態のみを評価している。本モジュール（屋外で３年間稼動した太陽電池モジュール）の開放電圧の評価値と、特定の開放電圧の評価値を有するセルの出現頻度との関係を表したヒストグラムを図２（ｈ）に示す。開放電圧の評価値の表示範囲は、図２(ｅ)と同じである。開放電圧の評価値が０．６１２ないし０．６１４Ｖを中心とした山形分布である点は、図２(ｅ)と良く一致しているが、セル単位での平均化により割れや欠けによる極端な値が排除できたことで、開放電圧の分布の幅が小さくなっていることが見て取れる。

なお、本実施例では、エレクトロルミネッセンス画像に基づいて開放電圧マップを作成したが、電極未形成の太陽電池材料の特性評価のため、フォトルミネッセンス画像に基づいて開放電圧マップを作成する場合は、次のように実施することができる。
先ず、前記発光標準を電流計に繋いで短絡した状態でフォトルミネッセンス測定を行い、短絡電流を測定することで絶対励起強度を測定する。次いで前記発光標準に光励起を行わず、電流を流してエレクトロルミネッセンスを発生させ、受光部でそれを測定することで、前記カメラの絶対感度校正と同じ手順でフォトルミネッセンスの測定装置の受光部の校正を行うことができる。光励起せずに受光部を動作させることが不可能なフォトルミネッセンス測定装置の場合は、ＬＥＤとしての発光効率ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤに前記で求めた絶対励起強度を乗じることでフォトルミネッセンス強度を求め、後は前記カメラの絶対感度校正と同じ手順で受光部の校正を行うことができる。
次いで、評価対象である前記被評価太陽電池のフォトルミネッセンスを測定する。前記被評価太陽電池の外部量子効率スペクトルが既知であれば、キャリア注入レートと発光の絶対強度が判明するため、前記エレクトロルミネッセンスを使った場合と同様に電圧のマッピングが可能となる。
なお、この際、前記外部量子効率スペクトルと太陽光スペクトルとから計算される、太陽光照射時の短絡電流と等しいレートでキャリアを注入するように励起強度を設定して、前記フォトルミネッセンスの測定を行えば、太陽光照射時の開放電圧を求めることができる。
また、本実施例では、固体撮像素子を含むカメラによって発光画像の撮影を行ったが、撮像管を含むビデオカメラによって前記発光画像の撮影を行ってもよい。

（太陽電池の特性評価）
前記開放電圧マップでは、割れや欠け等の異常を指標する閾値を電圧の次元で定量的に定めることができ、また、その異常を視覚を通じて容易に確認することができる。そのため、太陽電池の異常の有無を評価することに用いることができる。
また、前記開放電圧マップでは、ある太陽電池のものと、別の種類の太陽電池のものとを視覚を通じて容易に定量比較することができ、太陽電池の高効率化に必要な要因を探るための有効な資料とすることができる。また、このような定量比較を異なる装置から得られたもの同士で行うことができる。

１ 被評価太陽電池
２ 支持基板
３ 定電流源
１０ フォトダイオード
１１ 微弱電流計
２０ 光ファイバーバンドル
２１ 分光器
２２ フォトダイオードセンサ
３０ カメラ
１０１ 面内抵抗
１０２ 抵抗
１０３ ダイオード
１０４ 電源
１０５ コンタクト抵抗

Claims (9)

1. 太陽電池セル及び太陽電池モジュールのいずれかである被評価太陽電池の外部量子効率を測定する外部量子効率測定工程と、
   画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のエレクトロルミネッセンス画像及びフォトルミネッセンス画像のいずれかの発光画像を取得する発光画像取得工程と、
   前記外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得工程と、
   を含むことを特徴とする太陽電池の評価方法。
2. 被評価太陽電池が電極未形成の太陽電池用材料であり、画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のフォトルミネッセンス画像である発光画像を取得する発光画像取得工程と、
   前記被評価太陽電池の外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得工程と、
   を含むことを特徴とする太陽電池の評価方法。
3. 被評価太陽電池が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ガリウム砒素単結晶、インジウムガリウム砒素単結晶、ガリウムリン単結晶、インジウムガリウムリン単結晶、ゲルマニウム単結晶、カルコパイライト系Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ペロブスカイト結晶、カドミウムテルル、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、及びシリコンゲルマニウム単結晶の少なくともいずれかの材料で構成された太陽電池セルである請求項１に記載の太陽電池の評価方法。
4. 被評価太陽電池が、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ガリウム砒素単結晶、インジウムガリウム砒素単結晶、ガリウムリン単結晶、インジウムガリウムリン単結晶、ゲルマニウム単結晶、カルコパイライト系Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族化合物、ペロブスカイト結晶、カドミウムテルル、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、及びシリコンゲルマニウム単結晶の少なくともいずれかの材料で構成された太陽電池セルが複数連結された太陽電池モジュールである請求項１に記載の太陽電池の評価方法。
5. 発光標準を構成する発光素子の外部量子効率スペクトル情報と、前記発光素子の発光スペクトル情報とに基づいて感度が算定されたフォトダイオードにより少なくとも絶対発光強度及び電流特性が定量化された前記発光標準を用いる請求項１から４のいずれかに記載の太陽電池の評価方法。
6. 撮像素子がＩｎＧａＡｓ、シリコン、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ/ＰｂＳｅ、及びＨｇＣｄＴｅの少なくともいずれかで形成される素子で構成されるカメラを用いる請求項１から５のいずれかに記載の太陽電池の評価方法。
7. 開放電圧マップ取得工程が、下記式（１）により、カメラの画素ごとにおける被評価太陽電池の開放電圧Ｖ_ｏｃを求めて開放電圧マップを取得する工程である請求項１から６のいずれかに記載の太陽電池の評価方法。
   ただし、前記式（１）中、ｅは、素電荷を示し、ｋ_Ｂは、ボルツマン定数を示し、Ｔは、前記被評価太陽電池の発光画像を取得したときの温度を示し、Ｊ_ｓｃは、太陽光照射時の前記被評価太陽電池の逆電流密度のスカラー量を示し、Ｊ_ｒａｄは、外部量子効率に黒体輻射スペクトルを乗じて得られる前記被評価太陽電池の発光の放射全輝度を１光子当たりのエネルギーで減じたものを示し、ｙ_ｅｘｔ ^ＬＥＤは、カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報から算出される前記被評価太陽電池の外部発光効率を示す。
8. 太陽電池セル及び太陽電池モジュールのいずれかである被評価太陽電池の外部量子効率を測定する外部量子効率測定部と、
   画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のエレクトロルミネッセンス画像及びフォトルミネッセンス画像のいずれかの発光画像を取得する発光画像取得部と、
   前記外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得部と、
   を有することを特徴とする太陽電池の評価装置。
9. 被評価太陽電池が電極未形成の太陽電池用材料であり、画素ごとに発光強度に応じた特性を表示可能なカメラを用いて発光状態の前記被評価太陽電池のフォトルミネッセンス画像である発光画像を取得する発光画像取得部と、
   前記被評価太陽電池の外部量子効率から得られる情報並びに発光時の絶対発光強度及び電流特性が定量化された発光素子で構成される発光標準により前記カメラの感度情報が校正された前記発光画像の情報に基づいて、前記カメラの画素及び前記被評価太陽電池のセルのいずれかである被評価単位の各単位ごとにおける前記被評価太陽電池の開放電圧を可視化させた開放電圧マップを取得する開放電圧マップ取得部と、
   を有することを特徴とする太陽電池の評価装置。