説明

太陽電池の性能測定装置の製造方法

【課題】放射照度のムラを抑制可能な太陽電池の性能測定装置および性能測定方法、ならびに、太陽電池の性能測定装置の製造方法を提供する。
【解決手段】性能測定装置100は、矩体1と、2つずつの光源2a,2b、集光楕円鏡3a,3bおよび光学フィルタ4a,4bと、載置台5とを備えている。載置台5に照射される光の照度ムラが小さくなるよう反射率kを調整する。そのため、照度ムラを抑制して、載置台5に載置される太陽電池に均一に擬似太陽光を照射でき、太陽電池の性能測定の精度が向上する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、太陽電池に擬似太陽光を照射して太陽電池の性能を測定する太陽電池の性能測定装置および性能測定方法、ならびに、太陽電池の性能測定装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の環境意識の高まりとともに、ますます多くの太陽電池が市場に流通するようになってきている。太陽電池は、電流−電圧特性(IV特性)の測定結果に基づいて、性能別に分類される。
【0003】
太陽電池に実際の太陽光を照射してIV特性の測定を行うのは手間であるため、暗室内で擬似太陽光を照射して行うことが多い。例えば特許文献1には、キセノンランプから照射される光を光学フィルタを通過させて擬似太陽光を生成し、装置の底面に配置した反射板で反射させて測定を行う擬似太陽光照射装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2003−28785号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載の擬似太陽光照射装置では、キセノンランプから底面に向けて光を照射するため、キセノンランプの直上が暗くなってしまう。また、光源から直接太陽電池に光を照射した場合は、光源に近い位置ほど明るくなってしまう。このように、従来の手法では、太陽電池に照射される放射照度にムラが生じてしまうという問題がある。
【0006】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放射照度のムラを抑制可能な太陽電池の性能測定装置および性能測定方法、ならびに、太陽電池の性能測定装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様によれば、上面の少なくとも一部が開口した矩体と、前記矩体の上面の開口面に設けられ、太陽電池が載置される載置台と、前記矩体の対向する2つの側面のそれぞれに沿って設けられ、前記矩体の底面および側面に向かって光を照射する2つの光源と、を備え、前記矩体の底面および側面の少なくとも一方で反射して前記載置台に到達する光の放射照度の最大値と最小値との差が、所定値以下、または、最小となるよう、前記矩体の底面および側面の少なくとも一方の反射率が調整されていることを特徴とする太陽電池の性能測定装置が提供される。
【0008】
また、本発明の一態様によれば、上記太陽電池の性能測定装置の載置台に載置された太陽電池に、前記光源からの光が照射された状態で、前記太陽電池の性能を測定するステップを備えることを特徴とする太陽電池の性能測定方法が提供される。
【0009】
また、本発明の一態様によれば、上面の少なくとも一部が開口した矩体の、対向する2つの側面のそれぞれに沿って、前記矩体の底面および側面に向かって光が照射されるよう2つの光源を配置する工程と、前記矩体の底面および側面の少なくとも一方で反射して、前記矩体の上面の開口面に設けられ太陽電池が載置される載置台に到達する光の放射照度の最大値と最小値との差が、所定値以下、または、最小となるよう、前記矩体の底面および側面の少なくとも一方の反射率を調整する工程と、を備えることを特徴とする太陽電池の性能測定装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、矩体の反射率を調整するため、放射照度のムラを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る太陽電池の性能測定装置100の上面図。
【図2】図1のAA’断面図。
【図3】性能測定装置100の短手方向の断面(図2のAA’断面)を模式的に示す図。
【図4】正規化された放射照度P(x)を示すグラフ。
【図5】性能測定装置100の長手方向の光源2aを含む断面(図2のBB’断面)を模式的に示す図。
【図6】正規化された放射照度Q(y)を示すグラフ。
【図7】反射率kと照度ムラとの関係を示すグラフ。
【図8】k=0およびk=0.65の場合の正規化された放射照度Q(y)を示すグラフ。
【図9】本発明の第2の実施形態に係る太陽電池の性能測定装置101の断面図。
【図10】調整用ステージ6の上面図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0013】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る太陽電池の性能測定装置(以下、単に性能測定装置という)100の上面図である。また、図2は、図1のAA’断面図である。性能測定装置100は、矩体1と、2つずつの光源2a,2b、集光楕円鏡(反射部)3a,3bおよび光学フィルタ4a,4bと、載置台5とを備えている。図1に示すように、以下では矩体の短手方向に沿う方向をx軸、長手方向に沿う方向をy軸と定義する。
【0014】
矩体1は、上面の少なくとも一部が開口した直方体形状で、例えばアルミニウム製のケースであり、底面11、長手方向の側面12a,12bおよび短手方向の側面13a,13bとから構成される。長手方向および短手方向の長さはそれぞれ、例えば2,000mm,1,200〜1,600mmである。底面11および側面12a,12b,13a,13bは反射材で構成される。
【0015】
光源2a,2bは、矩体1の長手方向に沿って、側面12a,12bのそれぞれの上の角に設置される。集光楕円鏡3a,3bは光源2a,2bをそれぞれ上から覆うように設置される。集光楕円鏡3a,3bの断面形状は、底面11の中央付近に向かって開口した楕円であり、光源2a,2bから集光楕円鏡3a,3bへそれぞれ照射された光を、開口面から底面11方向へ反射させる。光源2a,2bおよび集光楕円鏡3a,3bはそれぞれ、例えば側面12a,12bに固定された保持部材(不図示)により保持される。光学フィルタ4a,4bは集光楕円鏡3a,3bの開口面、すなわち、光源2a,2bの前方に対向してそれぞれ配置される。
【0016】
載置台5は、ガラスやアクリル等、透明な光透過性の部材で構成され、矩体1の上面の開口面に配置される。載置台5の上に太陽電池10が載置される。なお、ここでの太陽電池10は太陽電池モジュールを想定しているが、太陽電池モジュールより小さい単位の太陽電池セル等であってもよく、これらを総称して太陽電池10と呼んでいる。太陽電池セルは、例えばシリコン基板にフィンガー電極およびバスバー電極が形成されたものである。太陽電池モジュールは複数の太陽電池セルを接続したものである。
【0017】
光源2a,2bから照射された光は、それぞれ、直接または集光楕円鏡3a,3bに反射されて、光学フィルタ4a,4bを透過する。これにより、スペクトルが太陽光と類似した擬似太陽光が生成される。擬似太陽光は矩体1の底面11や側面12a,12b,13a,13bで反射し、最終的には載置台5に到達する。これにより、擬似太陽光が太陽電池10に照射される。この擬似太陽光を用いて、太陽電池10の種々の性能(例えば、IV特性、起電流およびショート抵抗等)が測定される。
【0018】
本実施形態の特徴の1つは、底面11および側面12a,12b,13a,13bの反射率を調整することで、太陽電池10に照射される放射照度を均一にする点にある。以下、この点について説明する。
【0019】
まず、矩体1の短手方向の放射照度について説明する。
【0020】
図3は、性能測定装置100の短手方向の断面(図2のAA’断面)を模式的に示す図である。光源2a,2bと矩体1の上面との距離をa1とし、光源2a,2bと底面11との距離をa2とする。また、光源2a,2bと側面12a,12bとの距離をb1とし、光源2a,2b間の、太陽電池10を載置可能な距離をb2とする。同図を用いて、光源2aの位置を原点とする短手方向の位置xにおける載置台5上の放射照度P(x)を算出する。
【0021】
なお、ここでは断面上の光源2a,2bから照射され、底面11で反射して位置xに到達する光のみを考える。側面13a,13bで反射されて載置台5に到達する光、断面上にない光源2a,2bから照射される光については、長手方向の位置yにおける放射照度Q(y)を算出する際(後に詳述)に考慮する。また、底面11の反射率を1とする。また、集光楕円鏡3a,3bで反射する光もあるが、集光楕円鏡3a,3bは矩体1と比べると小さいので、光源2a,2bから直接照射されたものとして扱う。
【0022】
放射照度は、一般に、光源の位置から照射される位置までの光路長の2乗に反比例する。よって、光源2a,2bから位置xまでの光路長をそれぞれLa(x),Lb(x)とすると、放射照度P(x)(単位は任意)は下記(1)式で表される。
【数1】

【0023】
距離La(x)は、光源2aから底面11での反射点までの距離pと、底面11での反射点から載置台5の位置xまでの距離qとの和である。ここで、光源2aは底面11に対して対称の位置2a’から位置xに光を照射したと考えることができる。よって、距離La(x)は下記(2)式で表される。
【数2】

【0024】
同様に、距離Lb(x)は下記(3)式で表される。
【数3】

【0025】
図4は、正規化された放射照度P(x)を示すグラフである。同図では、上記(1)〜(3)式において、a1=100mm,a2=550mm,b2=1400mmとしている。グラフの横軸は位置xである。縦軸は、x=0〜1400における放射照度P(x)の最小値をPminとすると、(P(x)−Pmin)/(P(x)+Pmin)であり、最小値を0に正規化したものである。図示のように、短手方向では暗い部分と明るい部分との放射照度P(x)の差(以下、照度ムラと呼ぶ)は3.5%未満であり、ほとんど均一である。
【0026】
次に、矩体1の長手方向の放射照度について説明する。
【0027】
図5は、性能測定装置100の長手方向の光源2aを含む断面(図2のBB’断面)を模式的に示す図である。矩体1の長手方向の長さをcとし、光源2a,2bは側面13aから13bに渡って配置されるものとする。同図を用いて、側面13aを原点とする長手方向の位置yにおける載置台5上の放射照度Q(y)を算出する。
【0028】
光源2a,2bを、その一端から他端すなわち側面13aから13bに配置される数多くの点光源と考える。すると、放射照度Q(y)は、位置m上の点光源3mから照射されて載置台5に到達する光を、m=0〜cの範囲で積分したものと考えられる。
【0029】
載置台5に到達する光の放射照度は、主に、点光源3mから照射され底面11で反射して載置台5の位置yに到達する光(図5の実線)の放射照度Q1(y)、点光源3mから照射され側面13aで反射し、さらに、底面11で反射して載置台5の位置yに到達する光(同一点鎖線)の放射照度Q2(y)、点光源3mから照射され側面13bで反射し、さらに、底面11で反射して載置台5の位置yに到達する光(同二点鎖線)の放射照度Q3(y)の和である。他にも複数回の反射を繰り返して載置台5に到達する光もあるが、光路長が長くなるほど放射照度は弱くなるので、無視する。
【0030】
放射照度Q1(y)は、図3の短手方向と同様に、点光源3mからの光は底面11に対して対象の位置3m’から照射されると考えて、下記(4)式で表される。
【数4】

【0031】
放射照度Q2(y)は、点光源3mから側面13aでの反射点までの距離rと、側面13aでの反射点から底面11での反射点までの距離sと、底面11での反射点から載置台5の位置yまでの距離tとの和の2乗に反比例する。ここで、点光源3mは、側面13aおよび底面11に対して対称の位置、すなわち、側面13aと底面11とが交わる点に対して対象の位置3m’’から、位置yに光を照射したと考えることができる。よって、放射照度Q2(y)は下記(5)式で表される。
【数5】

【0032】
c1はcより小さい所定の定数である。理想的には、−∞から積分し、側面13bに近い点光源や、側面13bおよび底面11で反射した後に側面13aに到達する光を考慮するのが望ましい。しかしながら、光路長が長くなるほど放射照度は弱くなるので、側面13aの近傍のみを考慮して、−c1から0の範囲で積分しても、それほど誤差は生じない。
【0033】
また、kは、側面13aの反射率である。図5において、反射率kの影響を受けるのは、距離s,tのみであるが、上述のように、側面13aの近傍のみを考慮する場合、距離rに比べて距離(s+t)の方が長くなるので、上記(5)式のように、(r+s+t)全体に反射率を乗じても、それほど誤差は生じない。
【0034】
同様に、放射照度Q3(y)は下記(6)式で表される。
【数6】

【0035】
c2はcより小さい所定の定数である。以上をまとめると、放射照度Q(y)(=Q1(y)+Q2(y)+Q3(y))は下記(7)式で表される。
【数7】

【0036】
図6は、正規化された放射照度Q(y)を示すグラフである。同図では、上記(7)式において、a1=100mm,a2=550mm,c=2000mm,c1=1000,c2=3000としている。また、k=0/0.3/0.48/0.65/0.82/1の6種類とし、それぞれに対応して符号g1〜g6を付している。グラフの横軸は位置yである。縦軸は、y=0〜2000における放射照度Q(y)の最小値をQminとすると、(Q(x)−Qmin)/(Q(x)+Qmin)であり、最小値を0に正規化したものである。
【0037】
また、図7は、反射率kと照度ムラとの関係を示すグラフである。
【0038】
図6のグラフg1に示すように、反射率k=0すなわち側面13a,13bで全く反射しないと仮定した場合の放射照度Q(y)である。この場合の照度ムラは約15%である。一方、グラフg6に示すように、反射率k=1すなわち底面11と側面13a,13bの反射率を等しくすると、照度ムラは約4.5%である。これに対し、図6に示した他の4点(k=0.3/0.48/0.65/0.82)の中では、反射率k=0.65が最も照度ムラが小さく、2%以下に抑えることができる。よって、側面13a,13bの反射率kが0.65になるよう調整すればよい。
【0039】
図8は、k=0およびk=0.65の場合の正規化された放射照度Q(y)を示すグラフである。グラフの横軸は位置yである。縦軸は、k=0の場合の放射照度Q(y)の最小値を用いて正規化した値である。図示のように、反射率k=0の場合に比べ、反射率k=0.65では、放射照度が10〜25%程度向上する。このように、側面13a,13bを反射材で構成することで、光源2a,2bから照射された光を効率よく利用できる。
【0040】
本実施形態では、短手方向の放射照度P(x)については、照度ムラが小さいため、長手方向の放射照度Q(y)のみを考慮して、照度ムラが小さくなるよう反射率kを調整する例を示した。より厳密には、位置(x,y)の放射照度をR(x,y)とすると、R(x,y)=P(x)*Q(y)であるため、放射照度R(x,y)について、照度ムラが小さくなるよう反射率kを調整してもよい。
【0041】
また、図6および図7では、6つの反射率kについて放射照度Q(y)を算出し、その中で照度ムラが最小となる反射率を選択したが、より細かく放射照度Q(y)を算出して、照度ムラが最小となる反射率を選択してもよい。また、目標となる照度ムラを設定し、目標を満たす任意の反射率を選択してもよい。
【0042】
さらに、本実施形態では底面11の反射率を1(基準)として側面13a,13bの反射率kを調整したが、底面11の反射率を調整してもよいし、底面11および側面13a,13bの両方の反射率を調整してもよい。
【0043】
反射率の調整は、例えば側面13a,13bを適切に加工することで実現される。例えば、アルミニウムで鏡面加工することにより90%近い反射率を実現できる。また、表面をエッチングして曇らせる等により、反射率を低減することができる。
【0044】
実際に図1の性能測定装置100製造するためには、まず2つの光源2を配置し、矩体1の大きさや矩体1内での光源2の位置等に応じて、照度ムラが低減されるよう側面13a,13bの反射率kを調整すればよい。
【0045】
このように、第1の実施形態では、放射照度が光源からの光路長の2乗に反比例することを利用し、載置台5に照射される光の照度ムラが小さくなるよう反射率kを調整する。そのため、照射ムラを抑制して、載置台5に載置される太陽電池10に均一に擬似太陽光を照射でき、太陽電池の性能測定の精度が向上する。
【0046】
(第2の実施形態)
反射率kを調整したとしても、製造の都合上、側面13a,13bわずかに歪んだり斜めになったりして、側面13a,13bの反射率が部分的に高くなったり低くなったりすることもある。また、底面11の反射率も必ずしも一定であるとは限らない。その場合、載置台5に到達する光の放射照度にムラが生じてしまうこともある。そこで、第2の実施形態は、さらに調整用ステージを設けるものである。
【0047】
図9は、本発明の第2の実施形態に係る太陽電池の性能測定装置101の断面図である。性能測定装置101は、さらに調整用ステージ6を備えている。調整用ステージ6は、載置台5の下面、すなわち、太陽電池10が載置される面とは反対側の面に対向して設けられる。調整用ステージ6は、例えば載置台5に固定された保持部材(不図示)により保持される。
【0048】
図10は、調整用ステージ6の上面図である。調整用ステージ6は、樹脂等の透明な材料で成形された、格子状の枠で構成される。そして、格子にはフィルタ7を嵌合できる。フィルタ7の大きさは、格子1つに対応する大きさでもよいし、複数の格子に対応する大きさでもよい。フィルタ7は、例えば遮光フィルタである。
【0049】
載置台5の放射照度に応じてフィルタ7を嵌合する。より具体的には、放射照度がわずかに他より高い位置に対向して遮光率が低いフィルタ7を配置し、放射照度が他より高い位置に対向して遮光率が高いフィルタ7あるいは複数枚のフィルタ7を配置する。これにより、照度ムラをさらに抑制できる。第1の実施形態で説明した反射率の調整により載置台5の放射照度はほぼ均一になっているが、本実施形態の調整用ステージ6およびフィルタ7により、さらに細かく、局所的に、放射照度を調整できる。
【0050】
このように、第2の実施形態では、フィルタ7を嵌合可能な調整用ステージ6を設けるため、さらに、放射照度のムラを抑制できる。
【0051】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態には限定されるものではない。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【0052】
1 矩体
11 底面
12a,12b,13a,13b 側面
2a,2b 光源
3a,3b 集光楕円鏡
4a,4b 光学フィルタ
5 載置台
6 調整用ステージ
7 フィルタ
10 太陽電池
100,101 太陽電池の性能測定装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
上面の少なくとも一部が開口した矩体と、
前記矩体の上面の開口面に設けられ、太陽電池が載置される載置台と、
前記矩体の対向する2つの側面のそれぞれに沿って設けられ、前記矩体の底面および側面に向かって光を照射する2つの光源と、を備え、
前記矩体の底面および側面の少なくとも一方で反射して前記載置台に到達する光の放射照度の最大値と最小値との差が、所定値以下、または、最小となるよう、前記矩体の底面および側面の少なくとも一方の反射率が調整されていることを特徴とする太陽電池の性能測定装置。
【請求項2】
前記矩体の底面および側面の少なくとも一方の反射率は、前記矩体の大きさおよび前記矩体内での前記光源の位置に応じて、調整されていることを特徴とする請求項1に記載の太陽電池の性能測定装置。
【請求項3】
前記矩体の底面および側面の少なくとも一方の反射率は、光の放射照度が光源から照射位置までの光路長の2乗に反比例することに基づいて、調整されていることを特徴とする請求項1または2に記載の太陽電池の性能測定装置。
【請求項4】
前記底面の反射率は前記側面の反射率と異なることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の太陽電池の性能測定装置。
【請求項5】
前記載置台の、太陽電池が載置される面とは反対側の面に対向して配置される、放射照度を調整するためのフィルタを嵌合可能な調整ステージを備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の太陽電池の性能測定装置。
【請求項6】
前記光源が、前記矩体の底面および側面とは異なる方向に照射した光を、前記底面に向かって反射させる反射部を備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の太陽電池の性能測定装置。
【請求項7】
前記光源と対向して配置される、擬似太陽光を生成するための光学フィルタを備えることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の太陽電池の性能測定装置。
【請求項8】
請求項1乃至7のいずれかに記載の太陽電池の性能測定装置の載置台に載置された太陽電池に、前記光源からの光が照射された状態で、前記太陽電池の性能を測定するステップを備えることを特徴とする太陽電池の性能測定方法。
【請求項9】
上面の少なくとも一部が開口した矩体の、対向する2つの側面のそれぞれに沿って、前記矩体の底面および側面に向かって光が照射されるよう2つの光源を配置する工程と、
前記矩体の底面および側面の少なくとも一方で反射して、前記矩体の上面の開口面に設けられ太陽電池が載置される載置台に到達する光の放射照度の最大値と最小値との差が、所定値以下、または、最小となるよう、前記矩体の底面および側面の少なくとも一方の反射率を調整する工程と、を備えることを特徴とする太陽電池の性能測定装置の製造方法。
【請求項10】
前記矩体の底面および側面の少なくとも一方の反射率を調整する工程では、前記矩体の大きさおよび前記矩体内での前記光源の位置に応じて、前記反射率を調整することを特徴とする請求項9に記載の太陽電池の性能測定装置の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2013−109954(P2013−109954A)
【公開日】平成25年6月6日(2013.6.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−254040(P2011−254040)
【出願日】平成23年11月21日(2011.11.21)
【特許番号】特許第5128700号(P5128700)
【特許公報発行日】平成25年1月23日(2013.1.23)
【出願人】(595013427)株式会社エヌ・ピー・シー (54)
【Fターム(参考)】