TW201515381A - 光電轉換元件評價裝置 - Google Patents

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Abstract

光電轉換元件評價裝置包含：探測光源，將探測光照射至測量對象即光電轉換元件；激升光源，將脈波狀之激升光照射至探測光所照射的該光電轉換元件；及受光元件，偵測經由該光電轉換元件而獲得的該探測光之變化量的時間依存性。此評價裝置能利用非接觸方式來評價光電轉換元件之特性。所以，此評價裝置能在不損壞到元件的情況下確實地評價(判斷)移動中的光電轉換元件之特性。

Description

光電轉換元件評價裝置
本發明係關於光電轉換元件評價裝置，例如關於處於生產線步驟的光電轉換元件之評價裝置。
在光電轉換元件(例如太陽能電池)的特性評價中，係測量太陽能電池之電流電壓特性，藉以計算最大輸出(Pmax)及光電轉換效率(PCE)來作為判別參數。光電轉換效率係利用將最大輸出除以模擬太陽光照射輸出及太陽能電池面積來計算。
圖7係顯示習知的太陽能電池評價裝置的一例之方塊圖。太陽能電池1係自模擬太陽光源2照射有模擬太陽光。太陽能電池1的電極間，連接有負載3。且連接有電流計4，與負載3串聯。又連接有電壓計5，與負載3並聯。
在太陽能電池1之最大輸出Pmax及光電轉換效率PCE的計算中，係將來自模擬太陽光源2的模擬太陽光照射至太陽能電池1。在此狀態下，變更連接在太陽能電池1之電極間的負載3，並且藉由電流計4來測量電流，同時藉由電壓計5來測量電壓。根據測量結果來求出如圖8所示的電流電壓特性曲線。依據此電流電壓特性曲線計算最大輸出Pmax及光電轉換效率PCE。
在圖8中，ΔIoc係相較於電路斷開狀態而言的電流變化量。ΔVoc係相較於電路斷開狀態而言的電壓變化量。可利用下式求出太陽能電池1內部的並聯電阻成分Rsh。 Rsh＝－ΔVoc／ΔIoc
另一方面，ΔIsc係到達電路導通狀態附近的電流變化量。ΔVsc係到達電路導通狀態附近的電壓變化量。可利用下式求出太陽能電池1內部的串聯電阻成分Rs。 Rs＝－ΔVsc／ΔIsc
若將最大輸出定為Pmax，將自模擬太陽光源2照射至太陽能電池1的模擬太陽光之照射功率定為E，將太陽能電池1之面積定為A，則可利用下式求出光電轉換效率PCE。 PCE＝Pmax／(E・A)
另，將輸出為最大輸出Pmax時的電流定為最大輸出電流Imax。再者，將輸出為最大輸出Pmax時的電壓定為最大輸出電壓Vmax。
在日本特開平8－64652號公報中，記載有一種檢査方法來評價磊晶晶圓(epitaxial wafer)狀態下的光電轉換元件之發光輸出及響應速度。
此外，就太陽能電池的製造方式而言，一種稱為輥對輥(roll to roll)的連續生產方式受到矚目。在此方式中，係在輥狀的基板片上，採用印刷技術來形成多數之太陽能電池。然後，形成太陽能電池並且依序逐次捲取基板片。
但是，在習知的評價裝置中，評價時，會變更連接在太陽能電池1之電極間的負載3(圖7參照)。因此，評價時，太陽能電池與負載會受到電性連接。因此，難以將習知的評價裝置應用於輥對輥的連續生產方式。
亦即，測量評價對象，即太陽能電池，在生產製程的中途階段係於不具有電極的狀態下在生產線上進行移動。因此，事實上難以在此階段中使測量用探針棒接觸至太陽能電池且不傷及太陽能電池。
所以，在習知中，輥對輥所生產的太陽能電池之良莠，係在整個輥狀的基板片形成太陽能電池之後來判斷。
所以，可認為在習知的評價裝置中，將會獲得形成在一卷輥狀的基板片(有些情況下將會具有數百公尺的全長)的太陽能電池全部為不良之評價。所以，在習知的評價裝置中，難以抑制太陽能電池之製造成本。
本發明係著眼於此種習知的問題點。本發明之中的1個目的，係提供一種光電轉換元件評價裝置，藉由在生產線階段利用非接觸方式來進行測量(或評價)輥對輥所生產的光電轉換元件之特性，而能確實地評價(判斷)處於生產線階段的光電轉換元件之特性，且不傷及光電轉換元件。
本發明一態樣之光電轉換元件評價裝置(本評價裝置)，係包含：探測光源，將探測光照射至測量對象即光電轉換元件；激升光源，將脈波狀的激升光(pumping light)照射至探測光所照射的該光電轉換元件；及受光元件，偵測經由該光電轉換元件而獲得的該探測光之變化量的時間依存性。 本評價裝置，例如可利用非接觸方式來評價光電轉換元件之特性。
在本評價裝置中，亦可為該光電轉換元件係處於利用輥對輥來連續生產的生產線階段。
在本評價裝置中，亦可為該探測光具有比該激升光之照射期間更寬的脈波寬度。
本評價裝置亦可更包含：資料提取部，提取由該受光元件所偵測的探測光之某個時點的變化量即第1變化量與經過一定時間後之變化量即第2變化量；及資料判別部，根據該第1變化量與第2變化量之比或差，推測該光電轉換元件之光電轉換效率。
本評價裝置，能利用非接觸方式來評價光電轉換元件之特性。所以，本評價裝置能確實地評價(判斷)移動中的光電轉換元件之特性，而不傷及元件。例如，藉由將本評價裝置應用至由利用輥對輥的連續生產方式所生產的光電轉換元件之生產線，能早期發現不良元件。其結果，能將損失壓抑成最小限度，亦即，改善良率。
在以下所示的詳細描述中，為了說明，記載有多數之詳細規格，俾充分理解所揭示的實施形態。但是，顯然不使用這些詳細規格即可實施1個或多數之實施形態。另，公知的結構及元件係概略性表示，俾使圖示單純化。
以下使用圖式來說明本發明的一實施例。圖1係顯示本發明一實施例之光電轉換元件評價裝置(本評價裝置)的概念方塊圖。如圖1所示，本評價裝置包含：激升光源6、探測光源7、偵測器8及信號處理部9。 激升光源6係將脈波狀的激升光照射至太陽能電池(光電轉換元件)1。激升光源6亦可係例如奈秒脈波雷射。
探測光源7係對於太陽能電池1連續照射探測光。探測光源7亦可係例如半導體發光元件。
偵測器8即時(real time)偵測探測光自太陽能電池1的反射光(探測反射光)之變化量(光量之變化量)。亦即，偵測器8係偵測探測反射光之變化量的時間依存性。偵測器8亦可係例如光電二極體的高速光偵測器。探測反射光係一種經由太陽能電池1(光電轉換元件)而獲得的探測光。
信號處理部9具有：波形取得部9a、資料提取部9b、基準設定部9c、資料判別部9d及判別輸出部9e。
信號處理部9中的波形取得部9a係取得如圖3所示的因應於載子響應的探測反射光之變化量(光量變化)之波形。圖3將後詳述。
資料提取部9b係從取得之如圖3所示的波形中，提取如圖4所示的變化量之峰頂值a以及自峰頂值a起經過一定時間的時點之變化量b。峰頂值a及變化量b將後詳述。
基準設定部9c係設定：既定基準值，作為用來判別資料提取部9b所提取的變化量b之良莠的基準。再者，基準設定部9c亦能設定：既定基準值，作為用來判別太陽能電池1之良莠的基準。
資料判別部9d係根據基準設定部9c所設定的基準值來判別資料提取部9b所提取的變化量b之良莠。又，資料判別部9d亦能根據資料提取部9b所提取的峰頂值a及／或變化量b，及／或，波形取得部9a所取得的光量變化之波形，來取得太陽能電池1之特性(例如，載子生成消滅狀況、光電轉換效率及內部電流洩漏)。再者，資料判別部9d亦能選別出良品之太陽能電池1。
判別輸出部9e將資料判別部9d之良莠判別結果輸出至外部，作為測量對象即太陽能電池1之判別結果。
以下說明本評價裝置所進行的太陽能電池1之評價程序。 首先，對於太陽能電池1，由探測光源7連續照射探測光，並且由激升光源6照射脈波狀的激升光。藉此，源自於光電轉換反應，太陽能電池1出現如圖2所示的載子生成消滅過程。圖2係顯示對於激升光之脈波照射的載子響應之概念圖。圖2之縱軸係顯示載子量，橫軸係顯示響應時間(t)。
由偵測器8所即時偵測的探測反射光之強度(光量)，係受到因應於太陽能電池1之載子生成狀況的光吸收過程等變異之影響，所以如圖3地進行變化。圖3係顯示因應於載子響應的探測反射光之變化量(光量變化)的時間依存性之概念圖。圖3之縱軸係顯示探測反射光之變化量，橫軸係顯示響應時間(t)。波形取得部9a取得如圖3所示之波形，即因應於載子響應的探測反射光之變化量。
由此可知，利用即時偵測探測光之變化量來量測載子量之時間推移，可藉以求出載子生成消滅狀況。 具體而言，資料判別部9d根據探測反射光之變化量的波形來量測太陽能電池1中的載子量之時間推移。藉此，資料判別部9d可求出太陽能電池1之載子生成消滅狀況。
另，探測光不限於連續光，亦可係脈波光。探測光係脈波光時，此探測光具有例如足夠比激升光的脈波寬度(照射期間)更寬的脈波寬度，在激升光的照射中及其前後具有穩定的光強度。亦即，探測光亦可具有比激升光之照射期間更寬的脈波寬度。
在輥對輥等連續生產製程的生產階段中，太陽能電池1處於移動狀態下。為使本評價裝置能應付此種連續生產製程，希望將評價時間縮短化。所以，在本評價裝置中，不會使用用來評價載子之時間推移的一般性手法，即施行取得載子壽命時間的方法。在本評價裝置中，為了縮短運算時間，如圖4所示，資料提取部9b提取變化量之峰頂值(第1變化量)a，及，自峰頂值a起經過一定時間的時點之變化量(第2變化量)b，作為用於判別的參數。峰頂值a及變化量b係評價太陽能電池特性之參數。圖4係此等峰頂值a及變化量b之說明圖。
在圖4中，峰頂值a之值大且變化量b之值大的太陽能電池1，係作為太陽能電池而言效率好的良品。峰頂值a係對應於生成載子之量。峰頂值a大係表示生成的載子多。變化量b係對應於載子消滅的程度。變化量b小係表示許多載子因為洩漏等而消滅。 另，因為峰頂值a及變化量b具有因應於材料及／或製程條件等地適恰值，所以係受到適當調整。
圖5A及B係太陽能電池1之特性測量例圖。圖5A係顯示光電轉換效率與時間變化量峰頂值(峰頂值a)之關係。圖5B係顯示時間變動率與最大轉換輸出電流Imax之關係。太陽能電池1的光電轉換效率，原本係與載子生成量相關。此相關係顯示作為圖5A中的單點鏈線直線。太陽能電池1之光電轉換效率偏離此線時，太陽能電池1之中可能有某些問題。
依據圖5A之單點鏈線直線，例如，峰頂值a在4mV以上時，光電轉換效率PCE成為1％以上。但是，實際上有可能獲得如偏離單點鏈線直線的單點鏈線圓的部分般，即使峰頂值a高(具有充足的載子量)，轉換效率仍不佳的測量結果。可認為此係源自於因內部洩漏等使得載子不會成為電流，亦即Imax不佳。
若著眼於在相當於載子生成量的變化量，即峰頂值a成為5.5mV附近的圖5A中橢圓狀虛線所圍繞的樣本資料，可得知在100nsec的位置對於自峰頂值起經過一定時間時的變化量b加以評價時，Imax之值與b／a之值(時間變動率)具有如圖5B所示的高相關性。亦即，具有高的b／a的太陽能電池1即具有高的光電轉換效率。所以，將b／a取在0.35以上，藉而得以從因應於圖5A之虛線範圍的太陽能電池1中，選別出僅由圖5A之實線圓部分所含的良品。 具體而言，在本評價裝置中，資料判別部9d根據b／a來推測太陽能電池1中的光電轉換效率，並選別出具有高的光電轉換效率之太陽能電池1。 例如，基準設定部9c設定b／a係在0.35以上的基準。並且，資料判別部9d例如根據此基準來選別出具有良好之b／a的太陽能電池1(良品的太陽能電池1)。亦即，資料判別部9d選別出對應於b／a在0.35以上之樣本資料的太陽能電池1。藉此，能從對應於由圖5A之虛線範圍所含的樣本資料之太陽能電池1中選別出由圖5A之實線圓部分所含的良品。 其後，判別輸出部9e將良品的(亦即具有高的光電轉換效率)太陽能電池1之資訊，或者不良品的(亦即具有低的光電轉換效率)太陽能電池1之資訊，經由例如監視器而輸出至外部。 又，資料判別部9d根據峰頂值a及變化量b來推測太陽能電池1的內部電流洩漏量。亦即，資料判別部9d，例如將具有比既定值更大之峰頂值a，及，比既定值更小之變化量b的太陽能電池1，推測為係內部電流洩漏大的太陽能電池1。或者，資料判別部9d亦可根據變化量b來推測太陽能電池1的內部電流洩漏量。亦即，資料判別部9d亦可將例如具有比既定值更小之變化量b的太陽能電池1，推測為係內部電流洩漏大的太陽能電池1。
如上所述，在本評價裝置中，就判別手法而言，並非使用壽命時間評價，而係導入有採用峰頂值a及變化量b的點式(spot)評價(亦即，限縮在時間上2點的點式評價)。藉此，能夠大幅地縮短運算時間，並且能應付高速的測量。
又，在本評價裝置中，因為能推測內部電流洩漏之影響，所以能排除將來具有早期劣化之可能性的太陽能電池1。 又，在本評價裝置中，藉由即時偵測探測光之變化量來量測載子量之時間推移。藉此，在本評價裝置中，能求出載子生成消滅狀況。
又，在上述實施例中，資料判別部9d係根據峰頂值a與變化量b之比(b／a；時間變動率)來判別太陽能電池1之良莠。但並不限於此，資料判別部9d亦可係根據變化量之差(或者峰頂值a與變化量b之差)來判別太陽能電池1之良莠。
另，測量系統(偵測器8)不限於如實施例的測量反射光之設備。亦可係如圖6所示，使激升光源6及探測光源7與光偵測器8包夾測量對象即太陽能電池1的相向配置。此時，偵測器8測量貫穿太陽能電池1的探測光(探測貫穿光)之變化量(光量變化)。探測貫穿光係一種經由太陽能電池1(光電轉換元件)而獲得的探測光。
再者，在上述實施例中係說明測量太陽能電池1的特性之例。但並不限於此，本評價裝置亦能應用於其他光電轉換元件之特性測量。
如以上說明，本評價裝置能利用非接觸方式來評價光電轉換元件之特性。所以，本評價裝置能在不損壞到元件的情況下確實地評價(判斷)移動中的光電轉換元件之特性。例如，藉由將本評價裝置應用至由利用輥對輥的連續生產方式所生產的光電轉換元件之生產線，能早期發現不良元件。其結果，能將損失壓抑成最小限度，亦即，改善良率。 另，偵測器8亦可係即時偵測照射至太陽能電池1的探測光之變化量，例如亦可使用如光電二極體的高速光偵測器。 採用圖5A的單點鏈線直線時，就判別例而言，若將a定為在4mV以上，即可說能選別出PCE1％以上。 在本實施形態中，亦可採用變化量之峰頂值a與自峰頂值a經過一定時間之時點的變化量b來作為判別基準。 又，本發明的一實施形態之光電轉換元件評價裝置亦可係以下的第1～第4光電轉換元件評價裝置。 第1光電轉換元件評價裝置係藉由非接觸來進行光電轉換元件之評價，且藉由下述者構成：探測光源，將探測光照射至測量對象即光電轉換元件；激升光源，將脈波狀之激升光照射至探測光所照射的該光電轉換元件；及受光元件，偵測照射至該光電轉換元件的該探測光之光量變化的時間依存性。 第2光電轉換元件評價裝置在第1光電轉換元件評價裝置中，該光電轉換元件係藉由輥對輥而連續生產的生產線階段之物。 第3光電轉換元件評價裝置係在第1或第2光電轉換元件評價裝置中，該探測光具有包含該激升光之照射期間及其前後的脈波寬度。 第4光電轉換元件評價裝置係在第1～第3光電轉換元件評價裝置中，藉由將探測光連續照射至該光電轉換元件並且照射脈波狀之激升光所偵測的某個時點之變化量，以及經過一定時間後偵測的變化量之比與差之中任一者作為判別基準，來推測光電轉換效率最大值與元件內電流洩漏狀況判斷的至少任一者。 藉此，因為係非接觸測量，所以在利用輥對輥的連續生產方式之生產線階段，能進行確實的特性評價判斷而不損壞到光電轉換元件，藉由早期發現不良元件來將損失壓抑成最小限度而改善良率。 上述詳細描述記載係為了例證及說明之目的。能基於上述揭露進行多數之改善與變更。此係並非意圖束縛，或者意圖將在此描述之標的限定於所揭示的形態本身。應該理解為，即使本標的係藉由有關結構上的特徵點及/或步驟功能用語等來記載，由附加之申請專利範圍所定義之標的，也不限於上述的具體特徵點及步驟。應該說，上述具體的特徵點及步驟係揭示作為用來實施附加之申請專利範圍的例示性形態。
1‧‧‧太陽能電池
3‧‧‧負載
4‧‧‧電流計
5‧‧‧電壓計
6‧‧‧激升光源
7‧‧‧探測光源
8‧‧‧偵測器
9‧‧‧信號處理部
9a‧‧‧波形取得部
9b‧‧‧資料提取部
9c‧‧‧基準設定部
9d‧‧‧資料判別部
9e‧‧‧判別輸出部
a‧‧‧峰頂值
b‧‧‧變化量
Imax‧‧‧最大輸出電流
Pmax‧‧‧最大輸出
PCE‧‧‧光電轉換效率
Vmax‧‧‧最大輸出電壓
Rsh‧‧‧並聯電阻成分
t‧‧‧響應時間
ΔIoc、ΔIsc‧‧‧電流變化量
ΔVoc、ΔVsc‧‧‧電壓變化量
圖1係顯示本發明一實施例之光電轉換元件評價裝置的概念方塊圖。 圖2係顯示對於激升光之脈波照射的載子響應的概念圖。 圖3係顯示因應於載子響應的探測光之變化量的概念圖。 圖4係用來評價太陽能電池特性之參數的說明圖。 圖5A及5B係太陽能電池特性測量例圖。 圖6係顯示本發明其他實施例之光電轉換元件評價裝置的概念方塊圖。 圖7係顯示習知的太陽能電池評價裝置的一例之方塊圖。 圖8係習知的電流電壓特性曲線例圖。
1‧‧‧太陽能電池
6‧‧‧激升光源
7‧‧‧探測光源
8‧‧‧偵測器
9‧‧‧信號處理部
9a‧‧‧波形取得部
9b‧‧‧資料提取部
9c‧‧‧基準設定部
9d‧‧‧資料判別部
9e‧‧‧判別輸出部

Claims (6)

  1. 一種光電轉換元件評價裝置，其包含： 探測光源，將探測光照射至測量對象即光電轉換元件； 激升光源，將脈波狀的激升光照射至探測光所照射的該光電轉換元件；及 受光元件，偵測經由該光電轉換元件而獲得的該探測光之變化量的時間依存性。
  2. 如申請專利範圍第1項之光電轉換元件評價裝置，其中，該光電轉換元件係處於利用輥對輥來連續生產的生產線階段。
  3. 如申請專利範圍第1項之光電轉換元件評價裝置，其中，該探測光具有比該激升光之照射期間更寬的脈波寬度。
  4. 如申請專利範圍第2項之光電轉換元件評價裝置，其中，該探測光具有比該激升光之照射期間更寬的脈波寬度。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之光電轉換元件評價裝置，其更包含： 資料提取部，提取由該受光元件所偵測的該探測光之某個時點的變化量即第1變化量與經過一定時間後之變化量即第2變化量；及 資料判別部，根據該第1變化量與第2變化量之比或者之差，推測該光電轉換元件之光電轉換效率。
  6. 如申請專利範圍第5項之光電轉換元件評價裝置，其中，該資料判別部根據該第1及第2變化量來推測該光電轉換元件之內部電流洩漏量。
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