JPWO2010058649A1 - 太陽電池評価装置および太陽電池評価方法 - Google Patents

太陽電池評価装置および太陽電池評価方法 Download PDF

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Abstract

太陽電池評価装置1では、測定対象の太陽電池2における分光応答度P(λ)が予め測定され、太陽電池2の評価の際には、照明光の分光放射照度L(λ)が測定され、その照明光での太陽電池2の発電電力ELが測定され、そして、この測定された太陽電池2の発電電力ELが基準太陽光による分光放射照度S(λ)の照射光を照射した場合に太陽電池2で発電される発電電力ESに変換される。このため、太陽電池評価装置1は、ソフトウェア的に校正を行うので、太陽電池の種類が変わっても、簡単にかつ費用をかけずに校正することができる。

Description

本発明は、太陽電池を評価するための装置および方法に関する。
太陽電池は、近年広く普及し、メーカ間、製品間の競争が激しくなっている。また、その組成も、単結晶シリコンだけでなく、アモルファスシリコン、薄膜シリコン、有機化合物などの多くの種類が開発されている。そのため、この太陽電池の光電変換効率を公正に評価するために、その評価方法が、IEC60794やJIS規格(C8905〜C8991)で定義されている。この規格を要約すると、Air Mass1.5の太陽光(以下、「基準太陽光」と呼称する)と同じ分光スペクトルおよび放射照度を模した光を照明する照明装置(以下、「ソーラシミュレータ」と呼称する)を用いて太陽電池の発電量を測定することで、太陽電池の性能が評価される。図6には、前記基準太陽光の分光スペクトルおよび放射照度(以下、「分光放射照度S(λ)」と呼称する)が示されている。
前記Air Mass1.5の太陽光とは、図7に示すように、大気圏外からの光(AM0)が、地表面に対して42度の角度で入射する場合の太陽光である。このAM0の光が大気を通過することで、散乱や吸収が起り、後述の図4に示すように、分光スペクトル、波長分布および放射照度が変化する。
そして、発電量は、直流で出力される電流および電圧の値を測定すれば測定することができるので、所定の測定精度を得ることができる。しかしながら、発電量の測定に必要な擬似の太陽光を生成することが難しく、前記ソーラシミュレータに要求される仕様は、前記JIS規格の中でも、C8912で定義されている。それによる主な要求事項は、以下の通りである。
・放射照度を所定の値(1,000±50W/m)にすること
・照度ムラを所定の値内にすること
・分光放射照度を所定の値内にすること
・放射照度の時間変動を所定の値内にすること
・照明光は平行光であること
そこで、特許文献1には、相互に異なる波長範囲の光を発する複数の光源(キセノン光源とハロゲン光源)に、各光源からの光を選択的に波長依存性を有する鏡で透過/反射させ、その透過/反射光を合成することで、紫外から赤外まで、太陽光に類似のスペクトルを有する光を発生するように構成したソーラシミュレータが提案されている。
また、山下電装社製の品番YSS−50Aでは、ソーラシミュレータに相対照度センサが内蔵されており、その検知結果から、光源の変動による発電量の校正が行われる。
さらにまた、特許文献2では、ソーラシミュレータの光量変動を補正するために、光源の放射照度を測定し、かつこの照度測定センサの応答特性を太陽電池自体の応答特性に合わせることで、ソーラシミュレータの光量変動がキャンセルされている。
上述の特許文献1および特許文献2に提案されている従来技術は、いずれもソーラシミュレータ単体での校正の方法である。しかしながら、ソーラシミュレータには、メーカ間、および同じメーカでも機差が存在しており、それぞれが前述の特性を満足していても、異なるソーラシミュレータで測定すると、発電量が異なってしまう。
そこで、測定者は、たとえば産業技術総合技術研究所(=国際的に統一された基準太陽光スペクトル等を持っている国立またはそれに準じる機関)に、サンプルとなる太陽電池を送付して測定を依頼する。それに応じて該機関は、所有している限りなく基準太陽光に近い高近似のソーラシミュレータ用いて前記サンプルの発電量を測定し、測定値(=A)を記載して依頼者に返送する。これを受けて測定者は、返送されて来た前記サンプルを、以降、自社の基準セルとして、ソーラシミュレータの校正に用いている。すなわち、測定者は、前記基準セルを用いて、発電量が前記測定値Aとなるように、ソーラシミュレータの光量を調整した後に、実際に測定すべき太陽電池の発電量を測定している。これは、基準太陽光の分光スペクトルを厳密に再現することが困難ではあるが、可能な限り、各社のソーラシミュレータをそれに合せ込むための方法である。
ところが、上述の方法では、基準セルによる校正が完了するまでに、測定者がサンプルを作成して郵送し、公的機関がサンプルを測定して返送することが必要であり、時間および費用が掛かってしまう。しかも、校正は、一度だけ行えばよいのでなく、測定すべき太陽電池の分光感度が変わる都度、新たに基準セルを作成して校正をやり直す必要があり、前記時間および費用は、膨大なものになる。
特開平8−235903号公報 特開2004−134748号公報
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、太陽電池の種類(=分光感度)が変わっても、簡単にかつ費用をかけずに校正を行うことができる太陽電池評価装置および方法を提供することである。
本発明にかかる太陽電池評価装置および測定方法では、測定対象の太陽電池における分光応答度P(λ)が予め測定され、太陽電池の評価の際には、照明光の分光放射照度L(λ)が測定され、その照明光での前記太陽電池の発電電力ELが測定され、そして、この測定された前記太陽電池の発電電力ELが基準太陽光による分光放射照度S(λ)の照射光を照射した場合に前記太陽電池で発電される発電電力ESに変換される。このため、本発明にかかる太陽電池評価装置および測定方法は、ソフトウェア的に校正を行うので、太陽電池の種類が変わっても、簡単にかつ費用をかけずに校正を行うことができる。
上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
本発明の実施の一形態に係る太陽電池評価装置の構成を示すブロック図である。 基準太陽光下での太陽電池の本実施の形態による発電量の推定動作を説明するためのフローチャートである。 太陽電池を前記基準太陽光とD65光源とで照射した場合の発電量の違いを示すグラフである。 温帯地域の地表(AM1.5)と、宇宙(AM0)とでの分光放射照度の違いを説明するためのグラフである。 本発明の実施の他の形態に係る太陽電池評価装置の構成を示すブロック図である。 基準太陽光による分光放射照度を示すグラフである。 場所の違いによる太陽光の分光放射照度の違いのメカニズムを説明するための図である。
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の一形態に係る太陽電池評価装置1の構成を示すブロック図である。この太陽電池評価装置1では、前記JIS規格(C8912)で定義されている基準太陽光を模した光を発生し、測定対象の太陽電池2に照射する従来からのソーラシミュレータ(照明光源)3と、前記ソーラシミュレータ3による照射光を取込むことができ、その分光スペクトルおよび放射照度をモニタする分光放射計4と、前記ソーラシミュレータ3からの照射光による前記太陽電池2の発電電力を測定する電力計5と、演算手段である制御部6とを備えて構成される。すなわち、本実施の形態の太陽電池評価装置1で注目すべきは、従来のようにソーラシミュレータ(照明光源)3の分光放射照度L(λ)を、前記JIS規格(C8912)で定義された基準太陽光の1000W/mの放射照度下での分光放射照度S(λ)に、誤差0でハードウェア的に一致させようとするのではなく、その誤差やソーラシミュレータ3の光量変動を分光放射計4で逐次モニタし、制御部6でソフトウェア的に校正するものである。なお、照明光源単体をソーラシミュレータとする場合と、太陽電池の発電量の測定系までを含めたシステム全体をソーラシミュレータとする場合とする場合とがあるが、本実施の形態では、前者とする。
このため、ソーラシミュレータ(照明光源)3から太陽電池2への光路にはミラー7が介在され、そのミラー7によって、前記ソーラシミュレータ3による照射光の一部の光を反射(たとえば99%を通過、1%を反射)させて分光放射計4に入射させ、その分光スペクトルおよび放射照度、すなわち分光放射照度L(λ)をモニタするようになっている。こうして得られた分光放射照度L(λ)のデータは、制御部6に入力される。分光放射計には、前記分光放射照度L(λ)を1nmピッチで測定可能なものまであり、汎用品を用いることもできる。また、前記制御部6には、記録媒体8などを介して、前記基準太陽光による前記図6で示す分光放射照度S(λ)のデータも入力されている。一方、前記測定対象の太陽電池2については、事前に、分光応答度測定器9によって分光応答度P(λ)が測定されており、その測定結果は、記録媒体10などを介して、前記制御部6に入力される。
上述のように入力された各データS(λ)、L(λ)、P(λ)を用いて、制御部6は、前記分光応答度P(λ)の太陽電池2が前記ソーラシミュレータ3からの前記分光放射照度L(λ)の照明光で発電した電力量を、前記分光放射照度S(λ)、すなわち基準太陽光の1000W/mの放射照度下での発電電力に換算して出力する。その換算手順は以下の通りである。
すなわち、前述のように予め定め測定されている太陽電池2の分光応答度をP(λ)、実際に分光放射計4によって測定されたソーラシミュレータ3の照射光の分光放射照度をL(λ)、数値データとして与えられる基準太陽光の分光放射照度をS(λ)とし、太陽電池2の変換係数に基づく値をk、前記電力計5での計測結果をEL、前記基準太陽光による分光放射照度S(λ)での照射光による発電電力をESとするとき、
EL=k・{∫L(λ)・P(λ)dλ}
ES=k・{∫S(λ)・P(λ)dλ}
であるので、
k=EL/{∫L(λ)・P(λ)dλ}
から、
ES=EL・{∫S(λ)・P(λ)dλ}/{∫L(λ)・P(λ)dλ}
によって求める。
こうして、前記のように基準太陽光の1000W/mの放射照度下での発電電力を求めることができる。また、一般に太陽電池の分光感度(分光応答度P(λ))は材料によって決まるが、発電量等は、膜厚等のバラツキによる製造バラツキが生じ、上式では、変換係数に基づく値kが変化する。しかしながら、前記基準太陽光下での発電電力の換算結果には前記値kが含まれておらず、そのような製造バラツキによる影響を排除することができる。
図2は、上述のような基準太陽光下での発電量ESの推定動作を説明するためのフローチャートである。ステップS1でソーラシミュレータ(照明光源)3が点灯されて照明を開始し、ステップS2では電力計によって太陽電池2の発電量ELが計測され、また並列にステップS3で、分光放射計4によってソーラシミュレータ3の照射光の分光放射照度L(λ)が測定される。
一方、ステップS11では分光応答度測定器9によって太陽電池2の分光応答度P(λ)が測定されており、その測定結果は、前記基準太陽光の分光放射照度S(λ)と共に制御部6に入力され、ステップS4で前記照射光の分光放射照度L(λ)とによって上述の演算が行われ、ステップS5で基準太陽光下での発電量ESが求められる。
このように構成することで、従来技術で述べたような基準セルを用いたソーラシミュレータ(照明光源)3の事前校正が不要になり、太陽電池2の種類(=分光感度)が変わっても、実測値から基準太陽光下で予想される測定値に簡単に校正(前記換算)を行うことができる。また、ソーラシミュレータ(照明光源)3に、その分光放射照度L(λ)が基準太陽光源による分光放射照度S(λ)に必要以上に高い精度で一致しているような必要はなく、該ソーラシミュレータ(照明光源)3の低コスト化を図ることができる。
また、前記分光放射照度S(λ)に、任意の光源、たとえばD65光原の数値データを与えることで、前記太陽電池2を、その任意の光源で使用した場合の発電量も演算することができる。図3には、太陽電池を基準太陽光とD65光源とで照射した場合の発電量の違いを示す。参照符号α1は前記図6で示す基準太陽光のスペクトルであり、参照符号α2は前記D65光源のスペクトルである。そして、シリコン太陽電池の分光応答度P(λ)が参照符号αで示すとき、
EL=∫L(λ)・P(λ)dλ=110
ES=∫S(λ)・P(λ)dλ=120
となり、前記D65光源による発電量を120/110倍することで、前記基準太陽光で照明した場合の発電量を推定することができる。この図3では、ソーラシミュレータ(照明光源)3の長波長側の分光放射照度が、基準太陽光より少ないために、乗算する値が1より大きくなっていることが理解される。
同様に、前記基準太陽光の分光放射照度S(λ)は、地表(AM1.5)でのものであるが、その分光放射照度S(λ)のデータを変更することで、制御部6は、宇宙(AM0)や、任意の地域での発電量も演算することができる。すなわち、JIS/IECでは、前記基準太陽光での測定を要求しているけれども、太陽電池2の設置場所によって太陽光の分光放射照度は変化する。この点、従来のソーラシミュレータでは、前記地表とは異なる分光放射照度下での発電量を求める場合、各々の地域、時間に合った分光放射照度のソーラシミュレータを用いて測定する必要があった。これに対して本実施の形態では、前記のように基準太陽光の分光放射照度S(λ)のデータを変更するだけで、自由に照明光を変更したのに等しい効果を得ることができる。たとえば、温帯地域の前記地表(AM1.5)での分光放射照度と、前記宇宙(AM0)での分光放射照度とでは、図4で示すように大きく異なる。これに本実施の形態の太陽電池評価装置1では、前記基準太陽光の分光放射照度S(λ)のデータを変更するだけで、ソフトウェア処理によって対応することができる。
[実施の形態2]
図5は、本発明の実施の他の形態に係る太陽電池評価装置21の構成を示すブロック図である。この太陽電池評価装置21は、前述の太陽電池評価装置1に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この太陽電池評価装置21では、前記測定対象の太陽電池2に対して輝線照射を行うことができる分光光源23が内蔵されている。そして、演算手段である制御部26は、前記分光光源23からの前記輝線照射による電力計5の計測結果を、太陽電池2の前記分光応答度P(λ)として取込んで行く。
前記輝線照射による太陽電池2の分光応答度P(λ)の測定方法は、JIS規格(C8915)に2つ定義されている。先ず第1の測定方法は、単色光照射(半値幅が5nm以下の単色光であって、各単色光の波長ピッチが25nmの光を順次に照射)を行い、それによる太陽電池2の発電量を逐次求めるものである。第2の測定方法は、照明光源(ソーラシミュレータ)3からの前記基準太陽光(白色バイアス)の照射を行いつつ、前記単色光照射を行い、太陽電池2の発電量を求めるものである。すなわち、第2の測定方法は、前記白色バイアスによって、太陽電池2を動作状態に維持するものである。
そして、前記輝線照射による電力計5の計測結果を前記分光応答度P(λ)として前記制御部26が取込んで行くことで、前述の太陽電池評価装置1のように、事前に、太陽電池2の前記分光応答度P(λ)を測定しておく必要を無くすことができる。
本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
一態様では、太陽電池を評価するための太陽電池評価装置は、予め定められた基準太陽光を模した光を照明光として測定対象の太陽電池に照射する照明部と、前記照明光の分光スペクトルおよび放射照度をモニタすることによって分光放射照度L(λ)を測定する分光放射照度測定部と、前記照明光による前記太陽電池の発電電力を測定する電力測定部と、予め測定されている分光応答度P(λ)を有する前記太陽電池に前記照明光を照射することで、前記電力測定部で測定された前記太陽電池の発電電力ELを、前記基準太陽光による分光放射照度S(λ)の照射光を照射した場合に前記太陽電池で発電される発電電力ESに変換する演算部とを含む。
また、他の一態様では、太陽電池を評価するための太陽電池評価方法は、前記太陽電池の分光応答度P(λ)を取得するステップと、予め定められた基準太陽光を模した光であって照明光として発生された光の分光スペクトルおよび放射照度から分光放射照度L(λ)を測定するステップと、前記照明光を前記太陽電池に照射し、前記太陽電池の発電電力ELを測定するステップと、この得られた前記発電電力ELを、前記太陽電池の分光応答度P(λ)および前記照明光の分光放射照度L(λ)から、前記基準太陽光による分光放射照度S(λ)の照射光を照射した場合に前記太陽電池で発電される発電電力ESに変換するステップとを含む。
上記の構成によれば、従来のようにソーラシミュレータ(照明光源)の分光放射照度L(λ)が、JIS規格で定義された基準太陽光の1000W/mの放射照度下での分光放射照度S(λ)に、誤差0でハードウェア的に一致させようとされるのではなく、その誤差やソーラシミュレータの光量変動が逐次モニタされ、ソフトウェア的に校正される。すなわち、例えば分光応答度を測定する分光応答度測定器などによって太陽電池の分光応答度P(λ)が予め測定され、その太陽電池が前記分光放射照度L(λ)の照明光で照射され、前記太陽電池で発電した電力が測定され、そして、その測定結果が、前記分光放射照度S(λ)、すなわち基準太陽光の1000W/mの放射照度下での発電電力に換算される。
したがって、前述のような基準セルを用いたソーラシミュレータ(照明光源)の事前校正が不要になり、太陽電池の種類(=分光感度)が変わっても、実測値から基準太陽光下で予想される測定値に簡単に校正を行うことができる。また、ソーラシミュレータ(照明光源)に、その分光放射照度L(λ)が基準太陽光源による分光放射照度S(λ)に必要以上に高い精度で一致しているような必要はなく、該ソーラシミュレータ(照明光源)の低コスト化を図ることができる。また、前記分光放射照度S(λ)に、任意の光源、たとえばD65光源の数値データを与えることで、前記太陽電池を、その任意の光源で使用した場合の発電量も演算することができる。同様に、前記基準太陽光の分光放射照度S(λ)は、地表(AM1.5)でのものであるが、宇宙(AM0)や、任意の地域での発電量も演算することができる。
なお、JIS規格(C8910)に対して、前記分光放射照度L(λ)、分光放射照度S(λ)および分光応答度P(λ)は、それぞれφm(λ)、φs(λ)およびQ(λ)に読替えるものとする。
また、他の一態様では、上述の太陽電池評価装置において、好ましくは、前記演算部は、
ES=EL・{∫S(λ)・P(λ)dλ}/{∫L(λ)・P(λ)dλ}
を用いて、前記太陽電池の発電電量ELを前記太陽電池の発電電力ESに変換する。
上記の構成によれば、上式によって、基準太陽光の1000W/mの放射照度下での発電電力を求めることができる。また、一般に太陽電池の分光感度(分光応答度P(λ))は、材料によって決まるが、発電量等は、膜厚等のバラツキによる製造バラツキが生じ、上式では、変換係数kに基づく値が変化する。しかしながら、前記基準太陽光下での発電電力の換算結果には前記変換係数kが含まれておらず、そのような製造バラツキによる影響を排除することができる。
また、他の一態様では、上述の太陽電池評価装置において、好ましくは、前記測定対象の太陽電池に対して輝線照射を行うことができる分光光源をさらに備え、前記演算部は、前記太陽電池に前記分光光源による前記輝線照射を行うことで、前記電力測定部で測定された測定結果を前記太陽電池の分光応答度P(λ)とする。
上記の構成によれば、測定対象の太陽電池に対して輝線照射を行うことができる分光光源を設け、その分光光源から、例えばJIS規格(C8915)で規定された通り、半値幅が5nm以下の単色光であって、各単色光の波長ピッチが25nmの光を順次に照射し、それによって電力測定部で測定された発電電力の測定結果を前記太陽電池の分光応答度P(λ)として前記演算部が取込んで行くことで、事前に前記分光応答度P(λ)を測定しておく必要を無くすことができる。なお、上記輝線照射にあたって、前記ソーラシミュレータから照射光(白色光)を与えることで、太陽電池を動作状態に維持するようにしてもよい。
この出願は、2008年11月19日に出願された日本国特許出願特願2008−295499を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および/または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
本発明によれば、太陽電池を評価する太陽電池評価装置および太陽電池評価方法を提供することができる。

Claims (5)

  1. 予め定められた基準太陽光を模した光を照明光として測定対象の太陽電池に照射する照明部と、
    前記照明光の分光スペクトルおよび放射照度をモニタすることによって分光放射照度L(λ)を測定する分光放射照度測定部と、
    前記照明光による前記太陽電池の発電電力を測定する電力測定部と、
    予め測定されている分光応答度P(λ)を有する前記太陽電池に前記照明光を照射することで、前記電力測定部で測定された前記太陽電池の発電電力ELを、前記基準太陽光による分光放射照度S(λ)の照射光を照射した場合に前記太陽電池で発電される発電電力ESに変換する演算部とを含むこと
    を特徴とする太陽電池評価装置。
  2. 前記演算部は、
    ES=EL・{∫S(λ)・P(λ)dλ}/{∫L(λ)・P(λ)dλ}
    を用いて、前記太陽電池の発電電量ELを前記太陽電池の発電電力ESに変換すること
    を特徴とする請求項1に記載の太陽電池評価装置。
  3. 前記測定対象の太陽電池に対して輝線照射を行うことができる分光光源をさらに備え、
    前記演算部は、前記太陽電池に前記分光光源による前記輝線照射を行うことで、前記電力測定部で測定された測定結果を前記太陽電池の分光応答度P(λ)とすること
    を特徴とする請求項1に記載の太陽電池評価装置。
  4. 前記太陽電池の前記分光応答度P(λ)は、分光応答度を測定する分光応答度測定器によって予め測定され、前記演算部に設定されること
    を特徴とする請求項1に記載の太陽電池評価装置。
  5. 太陽電池を評価するための方法において、
    前記太陽電池の分光応答度P(λ)を取得するステップと、
    予め定められた基準太陽光を模した光であって照明光として発生された光の分光スペクトルおよび放射照度から分光放射照度L(λ)を測定するステップと、
    前記照明光を前記太陽電池に照射し、前記太陽電池の発電電力ELを測定するステップと、
    この得られた前記発電電力ELを、前記太陽電池の分光応答度P(λ)および前記照明光の分光放射照度L(λ)から、前記基準太陽光による分光放射照度S(λ)の照射光を照射した場合に前記太陽電池で発電される発電電力ESに変換するステップとを含むこと
    を特徴とする太陽電池評価方法。
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