JP7649653B2 - Photoelectric conversion efficiency measuring method, solar cell manufacturing method, and photoelectric conversion efficiency measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換効率測定方法、太陽電池製造方法及び光電変換効率測定装置に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion efficiency measurement method, a solar cell manufacturing method, and a photoelectric conversion efficiency measurement device.
太陽電池の光電変換効率を測定する方法として、フォトルミネッセンスを利用する方法が知られている。フォトルミネッセンスは、開放状態の太陽電池に光を照射すると太陽電池の内部にキャリアが励起され、このキャリアが再結合して基底状態に戻る際に光を発生する現象である。このフォトルミネッセンスにおける発光強度を測定することによって、太陽電池の光電変換効率を算出することができる。具体的には、光を照射した後の太陽電池を撮影したフォトルミネッセンス画像の輝度から、太陽電池の発光強度ひいては光電変換効率を算出することができる（例えば特許文献１参照）。 A method that uses photoluminescence is known as a method for measuring the photoelectric conversion efficiency of a solar cell. Photoluminescence is a phenomenon in which, when light is irradiated onto an open-state solar cell, carriers are excited inside the solar cell, and light is emitted when these carriers recombine and return to the ground state. By measuring the emission intensity of this photoluminescence, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell can be calculated. Specifically, the emission intensity of the solar cell, and therefore the photoelectric conversion efficiency, can be calculated from the brightness of a photoluminescence image taken of the solar cell after it is irradiated with light (see, for example, Patent Document 1).
このような方法を用いることで、例えば１枚の半導体ウエハに複数の太陽電池セルの光電変換構造を形成する場合に、半導体ウエハ全体のフォトルミネッセンス画像を撮影することによってそれぞれの太陽電池セルの光電変換効率を算出できる。また、フォトルミネッセンス画像を用いることで、太陽電池セルの電極構造を形成する前に光電変換構造の光電変換効率を測定できるため、不良品については電極構造を形成する前に除外することができるので、生産効率の向上及び生産コストの低減が見込まれる。 By using this method, for example, when forming photoelectric conversion structures for multiple solar cells on one semiconductor wafer, the photoelectric conversion efficiency of each solar cell can be calculated by taking a photoluminescence image of the entire semiconductor wafer. In addition, by using the photoluminescence image, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion structure can be measured before the electrode structure of the solar cell is formed, so defective products can be eliminated before the electrode structure is formed, which is expected to improve production efficiency and reduce production costs.
太陽電池の中でも、例えば腕時計等の携帯機器用の太陽電池は、室内光等の屋外の直射日光に比べて低光量子束密度の光によっても高効率に光電変換できることが望まれる。フォトルミネッセンス画像を用いて低光量子束密度の光における光電変換効率を測定するには、低光量子束密度の光を照射してフォトルミネッセンス画像を撮影すればよいが、照射光の光量子束密度が低いと、環境光の影響による誤差が大きくなるとともに、フォトルミネッセンス画像を撮影する際の露光時間を長くする必要が生じる。環境光の影響を排除するために暗室を設けると設備コストが増大する。また、フォトルミネッセンス画像の撮影時の露光時間を長くすると、処理能力が小さくなるため、フォトルミネッセンス画像の撮影工程で太陽電池製造設備全体の能力を制限してしまうおそれが生じる。 For solar cells, for example, solar cells for portable devices such as wristwatches are desired to be able to perform photoelectric conversion with high efficiency even with light of low photon flux density compared to direct sunlight outdoors, such as indoor light. To measure the photoelectric conversion efficiency in light of low photon flux density using photoluminescence images, light of low photon flux density may be irradiated and a photoluminescence image may be taken. However, if the photon flux density of the irradiated light is low, errors due to the influence of ambient light will increase and the exposure time when taking the photoluminescence image will need to be extended. Providing a darkroom to eliminate the influence of ambient light will increase the equipment costs. Furthermore, if the exposure time when taking the photoluminescence image is extended, the processing capacity will be reduced, and there is a risk that the photoluminescence image taking process will limit the capacity of the entire solar cell manufacturing equipment.
そこで、本発明は、低光量子束密度における光電変換効率を正確且つ迅速に測定できる光電変換効率測定方法、太陽電池製造方法及び光電変換効率測定装置を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide a photoelectric conversion efficiency measurement method, a solar cell manufacturing method, and a photoelectric conversion efficiency measurement device that can accurately and quickly measure photoelectric conversion efficiency at low photon flux density.
本発明の一態様に係る光電変換効率測定方法は、光電変換効率を算出する所望の目的光量子束密度に対し、前記目的光量子束密度に対応する対応光量子束密度のＰＬ測定光よりも光量子束密度が高い複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光を太陽電池に順番に照射する工程と、前記複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光が照射された後の前記太陽電池のフォトルミネッセンス画像をそれぞれ撮影する工程と、前記複数の測定光量子束密度における前記フォトルミネッセンス画像から前記太陽電池の前記複数の測定光量子束密度における発光強度をそれぞれ算出する工程と、前記複数の測定光量子束密度における発光強度から前記対応光量子束密度のＰＬ測定光を照射した場合の発光強度を推定する工程と、推定した前記対応光量子束密度における発光強度を予め定めた関係式に代入することにより、前記目的光量子束密度における光電変換効率を算出する工程と、を備える。 A photoelectric conversion efficiency measurement method according to one aspect of the present invention includes the steps of: sequentially irradiating a solar cell with PL measurement light of a plurality of measurement photon flux densities having a higher photon flux density than the PL measurement light of the corresponding photon flux density corresponding to a desired target photon flux density for calculating the photoelectric conversion efficiency; capturing photoluminescence images of the solar cell after irradiation with the PL measurement light of the plurality of measurement photon flux densities; calculating the luminescence intensities of the solar cell at the plurality of measurement photon flux densities from the photoluminescence images at the plurality of measurement photon flux densities; estimating the luminescence intensity when the PL measurement light of the corresponding photon flux density is irradiated from the luminescence intensities at the plurality of measurement photon flux densities; and calculating the photoelectric conversion efficiency at the target photon flux density by substituting the estimated luminescence intensity at the corresponding photon flux density into a predetermined relational expression.
前記光電変換効率測定方法において、前記対応光量子束密度における発光強度は、発光強度の対数が光量子束密度の対数の２次関数で表されるものとして推定されてもよい。 In the photoelectric conversion efficiency measurement method, the luminous intensity at the corresponding photon flux density may be estimated as a logarithm of the luminous intensity expressed as a quadratic function of the logarithm of the photon flux density.
前記光電変換効率測定方法において、前記関係式は、ピーク関数と１次関数又は対数関数との和であってもよい。 In the photoelectric conversion efficiency measurement method, the relational expression may be the sum of a peak function and a linear function or a logarithmic function.
前記光電変換効率測定方法において、前記ピーク関数は、ガウス関数又はローレンツ関数であってもよい。 In the photoelectric conversion efficiency measurement method, the peak function may be a Gaussian function or a Lorentzian function.
前記光電変換効率測定方法において、前記関係式の係数は、予め複数の前記太陽電池について取得される、前記対応光量子束密度のＰＬ測定光を前記太陽電池に照射したときの発光強度と、前記目的光量子束密度のＩＶ測定光の照射により測定されるＩＶ特性に基づいて算出される光電変換効率と、の組み合わせに対して、最小二乗法により前記関係式を近似させるよう決定されてもよい。 In the photoelectric conversion efficiency measurement method, the coefficients of the relational expression may be determined by the least squares method to approximate the relational expression for a combination of the light emission intensity when the solar cell is irradiated with PL measurement light of the corresponding photon flux density, which is obtained in advance for a plurality of the solar cells, and the photoelectric conversion efficiency calculated based on the IV characteristics measured by irradiating the solar cell with IV measurement light of the target photon flux density.
前記光電変換効率測定方法において、前記対応光量子束密度は、前記太陽電池にＩＶ測定光を照射しながらＩＶ特性を測定した場合の開放電圧が前記目的光量子束密度のＩＶ測定光における最大動作点電圧と一致する前記ＩＶ測定光の光量子束密度であってもよい。 In the photoelectric conversion efficiency measurement method, the corresponding photon flux density may be the photon flux density of the IV measurement light such that the open circuit voltage when the IV characteristics are measured while irradiating the solar cell with the IV measurement light coincides with the maximum power point voltage of the IV measurement light of the target photon flux density.
前記光電変換効率測定方法の前記関係式の係数の決定において、前記発光強度の実測値及び前記光電変換効率の実測値の中から、前記発光強度の実測値の区分ごとに、前記発光強度の実測値に対する前記光電変換効率の実測値の比が相対的に小さいもの及び大きいものが除外されてもよい。 In determining the coefficients of the relational equation of the photoelectric conversion efficiency measurement method, the actual values of the luminous intensity and the actual values of the photoelectric conversion efficiency may be selected, and those in which the ratio of the actual value of the luminous intensity to the actual value of the photoelectric conversion efficiency is relatively small and large may be excluded for each category of the actual values of the luminous intensity.
本発明の一態様に係る太陽電池製造方法は、半導体基板に太陽電池構造を形成する工程と、前記光電変換効率測定方法により前記太陽電池構造の光電変換効率を測定する工程と、測定した前記光電変換効率に基づいて前記半導体基板を仕分けする工程と、を備える。 A solar cell manufacturing method according to one aspect of the present invention includes the steps of forming a solar cell structure on a semiconductor substrate, measuring the photoelectric conversion efficiency of the solar cell structure using the photoelectric conversion efficiency measurement method, and sorting the semiconductor substrate based on the measured photoelectric conversion efficiency.
本発明の一態様に係る光電変換効率測定装置は、光電変換効率を算出する所望の目的光量子束密度に対し、前記目的光量子束密度に対応する対応光量子束密度のＰＬ測定光よりも光量子束密度が高い複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光を太陽電池に順番に照射する光源と、前記光源から前記複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光が照射された後の前記太陽電池のフォトルミネッセンス画像をそれぞれ撮影する撮像装置と、前記複数のＰＬ測定光量子束密度における前記フォトルミネッセンス画像から前記太陽電池の前記目的光量子束密度における光電変換効率を算出する画像処理装置と、を備え、前記画像処理装置は、前記複数の測定光量子束密度における前記フォトルミネッセンス画像から前記太陽電池の前記複数の測定光量子束密度における発光強度をそれぞれ算出する発光強度算出部と、前記発光強度算出部が算出した前記複数の測定光量子束密度における発光強度から前記対応光量子束密度における発光強度を推定する発光強度推定部と、前記発光強度推定部が推定した前記対応光量子束密度における発光強度を予め定めた関係式に代入することにより、前記目的光量子束密度の光電変換効率を算出する効率算出部と、を有する。 A photoelectric conversion efficiency measuring device according to one aspect of the present invention includes a light source that sequentially irradiates a solar cell with PL measurement light of a plurality of measurement photon flux densities having a higher photon flux density than the PL measurement light of a corresponding photon flux density corresponding to a desired target photon flux density for calculating the photoelectric conversion efficiency, an imaging device that captures photoluminescence images of the solar cell after the PL measurement light of the plurality of measurement photon flux densities is irradiated from the light source, and a device that calculates the photoelectric conversion efficiency of the solar cell at the target photon flux density from the photoluminescence images at the plurality of PL measurement photon flux densities. and an image processing device for detecting the photoelectric conversion efficiency of the target photon flux density, the image processing device having an emission intensity calculation unit that calculates the emission intensities at the multiple measured photon flux densities of the solar cell from the photoluminescence images at the multiple measured photon flux densities, an emission intensity estimation unit that estimates the emission intensity at the corresponding photon flux density from the emission intensities at the multiple measured photon flux densities calculated by the emission intensity calculation unit, and an efficiency calculation unit that calculates the photoelectric conversion efficiency of the target photon flux density by substituting the emission intensity at the corresponding photon flux density estimated by the emission intensity estimation unit into a predetermined relational expression.
本発明によれば、低光量子束密度における光電変換効率を正確且つ迅速に測定できる。 The present invention makes it possible to accurately and quickly measure photoelectric conversion efficiency at low photon flux densities.
以下、添付の図面を参照して本発明の各実施形態について説明する。図１は、発明の一実施形態に係る光電変換効率測定装置１の構成を示す模式図である。
Hereinafter, each embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a photoelectric conversion efficiency measuring
光電変換効率測定装置１は、太陽電池Ｃの所望の目的光量子束密度における光電変換効率を測定する装置である。光電変換効率測定装置１が光電変換効率を測定する目的光量子束密度は、例えばＬＥＤ等の室内光等を想定した低い光量子束密度であり、太陽電池Ｃの光電変換効率が屋外の直射日光等による光電変換効率と比べて低くなりうる領域である。具体的には、ソーラーシミュレーター等で形成した光をＮＤフィルタやバンドパスフィルタ等の光学フィルタを用いて減衰・カットすることで光量子束密度をコントロールできる。
The photoelectric conversion efficiency measuring
光電変換効率測定装置１は、所望の目的光量子束密度に対応する対応光量子束密度よりも光量子束密度が高い複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光を太陽電池Ｃに順番に照射する光源１０と、光源１０により複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光が照射された後の太陽電池Ｃのフォトルミネッセンス画像をそれぞれ撮影する撮像装置２０と、複数の測定光量子束密度におけるフォトルミネッセンス画像から太陽電池Ｃの目的光量子束密度における光電変換効率を算出する画像処理装置３０と、を備える。なお、複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光を「順番に照射する」とは、それぞれの測定光量子束密度のＰＬ測定光を他の測定光量子束密度のＰＬ測定光の照射と重複しないよう間隔を空けて逐次照射することを企図するものであり、複数のＰＬ測定光を照射する順番を測定光の光量子束密度によって定めることを意図するものではない。
The photoelectric conversion efficiency measuring
光源１０は、回路を開放した状態（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の太陽電池ＣにＰＬ測定光を照射することによって、太陽電池Ｃの内部にキャリアを励起する。ＰＬ測定光を照射された太陽電池Ｃは、励起されたキャリアが再結合して基底状態に戻る際にエネルギーを光として放出する。このような発光現象は、フォトルミネッセンスと呼ばれている。
The
光源１０は、任意の光量子束密度で太陽電池ＣにＰＬ測定光を照射できるよう、出力調整可能に構成される。光源１０は、太陽電池Ｃの全体に一定の光量子束密度でＰＬ測定光を照射できる面光源であることが好ましい。
The
ＰＬ測定光の測定光量子束密度の数としては、後述するように目的光量子束密度に対応する対応光量子束密度のＰＬ測定光を照射した場合の太陽電池Ｃの発光強度を２次関数により算出する場合には３以上が必要であり、測定のサイクルタイムを短縮するために最小の３とすることが好ましい。 The number of measured photon flux densities of the PL measurement light must be 3 or more when calculating the luminescence intensity of the solar cell C using a quadratic function when irradiated with PL measurement light of a corresponding photon flux density corresponding to the target photon flux density, as described below. It is preferable to set the number to the minimum of 3 in order to shorten the measurement cycle time.
例えば、太陽電池Ｃに入射されるＰＬ測定光の光量子束密度の下限としては、５．０×１０１４ｃｍ－２ｓ－１が好ましく、７．０×１０１４ｃｍ－２ｓ－１がより好ましい。一方、ＰＬ測定光の光量子束密度の上限としては、１．６×１０１６ｃｍ－２ｓ－１が好ましく、５．６×１０１５ｃｍ－２ｓ－１がより好ましい。ＰＬ測定光の最低光量子束密度を前記下限以上とすることによって、フォトルミネッセンス画像における環境起因の光の影響を小さくすることができる。また、ＰＬ測定光の最大光量子束密度を前記上限以下とすることによって、光量子束密度のバラツキが小さい光源１０を比較的簡単に用意することができる。
For example, the lower limit of the photon flux density of the PL measurement light incident on the solar cell C is preferably 5.0×10 14 cm -2 s -1 , more preferably 7.0×10 14 cm -2 s -1 . On the other hand, the upper limit of the photon flux density of the PL measurement light is preferably 1.6×10 16 cm -2 s -1 , more preferably 5.6×10 15 cm -2 s -1 . By setting the minimum photon flux density of the PL measurement light to be equal to or higher than the lower limit, the influence of light caused by the environment on the photoluminescence image can be reduced. In addition, by setting the maximum photon flux density of the PL measurement light to be equal to or lower than the upper limit, a
撮像装置２０は、ＰＬ測定光が照射された後に発光する太陽電池Ｃの画像（フォトルミネッセンス画像）を撮影する。撮像装置２０としては、２次元撮像素子を有するカメラを使用することができる。撮像装置２０は、光学フィルタを有していてもよい。撮像装置２０に測定する太陽電池のバンドギャップに応じたバンドパスフィルタを取り付けることで、太陽電池内のバンド間のフォトルミネッセンスのみを検出することができるため、ＰＬ測定精度を向上させることができる。また、撮像装置２０にＮＤフィルタを取り付けることで、ＰＬ測定光が照射された後の太陽電池Ｃのフォトルミネッセンスが大きすぎて（飽和して）、異なる太陽電池Ｃにおけるフォトルミネッセンスの発光強度差を得ることができない場合に、前記発光強度差を得ることができるため、測定精度を向上させることができる。
The
画像処理装置３０は、撮像装置２０が同一の太陽電池Ｃについて異なる光量子束密度のＰＬ測定光を照射して撮影した複数のフォトルミネッセンス画像を解析することによって、その太陽電池Ｃの目的光量子束密度における光電変換効率を算出する。
The
画像処理装置３０は、複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光におけるフォトルミネッセンス画像から太陽電池Ｃの前記複数の測定光量子束密度における発光強度をそれぞれ算出する発光強度算出部３１と、発光強度算出部３１が算出した前記複数の測定光量子束密度における発光強度から、太陽電池Ｃの目的光量子束密度に対応する対応光量子束密度のＰＬ測定光を照射した場合の発光強度を推定する発光強度推定部３２と、発光強度推定部３２が推定した対応光量子束密度における発光強度から、太陽電池Ｃの目的光量子束密度における光電変換効率を算出する効率算出部３３と、を有する。
The
画像処理装置３０は、例えばＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータ装置に適切なプログラムを実行させることにより実現できる。画像処理装置３０において、発光強度算出部３１、発光強度推定部３２及び効率算出部３３は、画像処理装置３０の機能を類別したものであって、物理構造及びプログラム構造において明確に区分できるものでなくてもよい。また、画像処理装置３０は、さらに別の機能を実現する構成要素を有してもよい。
The
発光強度算出部３１は、それぞれのフォトルミネッセンス画像における太陽電池Ｃの画素の輝度を集計することにより、太陽電池Ｃの各測定光量子束密度のＰＬ測定光における発光強度を算出する。発光強度算出部３１が算出する値は、発光強度を特定できる値であればよく、例えば放射輝度（Ｗ／ｓｒ・ｍ２）の対数値等の値であってもよい。また、放射輝度を集計する領域は、フォトルミネッセンス画像全体であってもよく、太陽電池Ｃの構造に対応して設定される部分的な領域であってもよい。
The
発光強度推定部３２は、発光強度算出部３１が同一の太陽電池Ｃについて算出した異なる光量子束密度のＰＬ測定光における発光強度に基づいて、太陽電池Ｃの対応光量子束密度における発光強度を推定する。この対応光量子束密度における発光強度の推定は、それぞれのＰＬ測定光における光量子束密度の対数と発光強度の対数とが所定の相関関係にあるものとして算出することができる。推定に必要なフォトルミネッセンス画像の数（異なる光量子束密度のＰＬ測定光と発光強度との組み合わせの数）を低減しつつ、推定される対応光量子束密度における発光強度の精度を向上するために、発光強度推定部３２は、対応光量子束密度における発光強度を、発光強度の対数が光量子束密度の対数の２次関数で表されるものとして推定することが好ましい。この場合、対応光量子束密度における発光強度の推定に必要とされるフォトルミネッセンス画像の数は３である。
The emission
対応光量子束密度は、目的光量子束密度における太陽電池Ｃの光電変換効率とフォトルミネッセンスの発光強度との相関が高くなるようなＰＬ測定光の光量子束密度である。光電変換効率は、太陽電池Ｃに目的光量子束密度のＩＶ測定光を照射しながら、バイアス電圧を印加した際の電流を測定し（ＩＶ測定）、それらの積である出力電力が最大となる条件（最大動作点電力＝最大動作点電流×最大動作点電圧）における効率である。光電変換効率とフォトルミネッセンスの発光強度について高い相関を得るためには、ＩＶ測定およびフォトルミネッセンス測定それぞれの測定での光照射時において、太陽電池Ｃの光電変換層内で発生している過剰少数キャリア量を可能な限り近くすることが好ましい（太陽電池Ｃのキャリアライフタイムは過剰少数キャリア量によって変動するため）。具体的には、対応光量子束密度は、太陽電池ＣにＩＶ測定光を照射しながらＩＶ測定し、その際の開放電圧が前記目的光量子束密度のＩＶ測定光における最大動作点電圧と概ね一致するような光量子束密度とすることができる（フォトルミネッセンス測定が開放状態で測定されるため）。なお、誤差が許容できる場合は、対応光量子束密度をこれらの近傍の適当な光量子束密度としてもよい。また、今回はフォトルミネッセンス測定が開放状態で行われる例を記載したが、バイアスを印加しながらフォトルミネッセンス測定を行ってもよい。 The corresponding photon flux density is the photon flux density of the PL measurement light that provides a high correlation between the photoelectric conversion efficiency of the solar cell C at the target photon flux density and the photoluminescence emission intensity. The photoelectric conversion efficiency is the efficiency under the condition that the product of the current measured when a bias voltage is applied while irradiating the solar cell C with IV measurement light of the target photon flux density (IV measurement) and the output power is maximized (maximum power point power = maximum power point current x maximum power point voltage). In order to obtain a high correlation between the photoelectric conversion efficiency and the photoluminescence emission intensity, it is preferable to make the amount of excess minority carriers generated in the photoelectric conversion layer of the solar cell C as close as possible during light irradiation in each of the IV measurement and the photoluminescence measurement (because the carrier lifetime of the solar cell C varies depending on the amount of excess minority carriers). Specifically, the corresponding photon flux density can be determined by performing an IV measurement while irradiating the solar cell C with IV measurement light, and determining the photon flux density such that the open circuit voltage during the measurement roughly coincides with the maximum power point voltage in the IV measurement light for the target photon flux density (because the photoluminescence measurement is performed in an open state). If an error is acceptable, the corresponding photon flux density may be determined to be an appropriate photon flux density in the vicinity of these values. In addition, although an example in which the photoluminescence measurement is performed in an open state has been described above, the photoluminescence measurement may also be performed while applying a bias.
効率算出部３３は、発光強度推定部３２が推定した対応光量子束密度における発光強度を予め定めた関係式に代入することにより、太陽電池Ｃの目的光量子束密度における光電変換効率を算出する。
The
光電変換効率を算出する関係式は、ピーク関数と１次関数又は対数関数との和であることが好ましい。前記ピーク関数としては、ガウス関数又はローレンツ関数が好適である。このような関係式を用いることによって、正確な光電変換効率を導出でき関係式を比較的容易に設定することができる。なお、前記光電変換効率の算出は、屋外の直射日光に比べて光量子束密度が低いＬＥＤ等の室内光等を想定した低光量子束密度に限り、高い精度で算出することができる（前記低光量子束密度では、太陽電池Ｃへの光照射時に発生する電流が小さく、通常の直列抵抗値であればその影響を無視することができるため）。 The relational expression for calculating the photoelectric conversion efficiency is preferably the sum of a peak function and a linear function or a logarithmic function. The peak function is preferably a Gaussian function or a Lorentz function. By using such a relational expression, an accurate photoelectric conversion efficiency can be derived and the relational expression can be set relatively easily. The photoelectric conversion efficiency can be calculated with high accuracy only for a low photon flux density assuming indoor light such as an LED, which has a lower photon flux density than direct sunlight outdoors (because at the low photon flux density, the current generated when the solar cell C is irradiated with light is small and the effect of this can be ignored for normal series resistance values).
例として、対応光量子束密度における発光強度をＸとすると、目的光量子束密度における光電変換効率Ｅは、Ｅ＝ｋ１＊ｋ２／｛（Ｘ－ｋ３）＾２＋ｋ２＾２｝＋ｋ４＊ＬＮ（Ｘ）＋ｋ５として表すことができる。なお、ｋ１～ｋ５は予め定められる係数である。 For example, if the emission intensity at the corresponding photon flux density is X, the photoelectric conversion efficiency E at the target photon flux density can be expressed as E = k1 * k2 / {(X - k3)^2 + k2^2} + k4 * LN(X) + k5. Note that k1 to k5 are coefficients that are determined in advance.
前記関係式におけるｋ１～ｋ５等、光電変換効率を算出する関係式の係数は、予め複数の太陽電池Ｃについて取得される、対応光量子束密度のＰＬ測定光を太陽電池Ｃに照射したときの発光強度と、目的光量子束密度のＩＶ測定光（定常光）の照射により測定されるＩＶ特性に基づいて算出される光電変換効率と、の組み合わせに対して最小二乗法により関係式を近似させるよう決定され得る。対応光量子束密度のＰＬ測定光の照射による発光強度の測定、及び目的光量子束密度のＩＶ測定光の照射によるＩＶ特性の測定は、いずれも時間がかかり、容易に行うことができないが、予め一定数の太陽電池Ｃのサンプルについて対応光量子束密度における発光強度と目的光量子束密度における光電変換効率とを測定し、対応光量子束密度における発光強度と目的光量子束密度における光電変換効率との関係を予め特定しておくことで、簡単に撮影できる光量子束密度のＰＬ測定光におけるフォトルミネッセンス画像から太陽電池Ｃの目的光量子束密度における光電変換効率を迅速かつ正確に算出することが可能となる。 The coefficients of the relational expression for calculating the photoelectric conversion efficiency, such as k1 to k5 in the relational expression, can be determined by the least squares method to approximate the relational expression for a combination of the luminous intensity when the solar cell C is irradiated with PL measurement light of the corresponding photon flux density, which is obtained in advance for a plurality of solar cells C, and the photoelectric conversion efficiency calculated based on the IV characteristics measured by irradiating with IV measurement light (steady light) of the target photon flux density. Both the measurement of the luminous intensity by irradiation with PL measurement light of the corresponding photon flux density and the measurement of the IV characteristics by irradiating with IV measurement light of the target photon flux density take time and are not easy to perform, but by measuring the luminous intensity at the corresponding photon flux density and the photoelectric conversion efficiency at the target photon flux density for a certain number of solar cell C samples in advance and specifying the relationship between the luminous intensity at the corresponding photon flux density and the photoelectric conversion efficiency at the target photon flux density in advance, it becomes possible to quickly and accurately calculate the photoelectric conversion efficiency at the target photon flux density of the solar cell C from a photoluminescence image in the PL measurement light of the photon flux density, which can be easily captured.
関係式の係数の決定において、発光強度の実測値及び光電変換効率の実測値の中から、発光強度の実測値の区分ごとに、発光強度の実測値に対する光電変換効率の実測値の比が相対的に小さいもの及び大きいもの、例えば上下１０％を除外してもよい。このように、極端な実測値を除外することによって、関係式を設定するためのデータの測定誤差の影響を低減して、比較的正確な関係式を設定することができる。 In determining the coefficients of the relational equation, from among the actual measured values of luminous intensity and the actual measured values of photoelectric conversion efficiency, for each category of the actual measured values of luminous intensity, values with relatively small and large ratios of the actual measured values of photoelectric conversion efficiency to the actual measured values of luminous intensity, for example, values above and below 10%, may be excluded. In this way, by excluding extreme measured values, the influence of measurement errors in the data used to set the relational equation can be reduced, and a relatively accurate relational equation can be set.
光電変換効率測定装置１は、図２に示す本発明に係る光電変換効率測定方法の一実施形態を実施する。図２の光電変換効率測定方法は、１つの太陽電池Ｃに対して、所定回数だけ（図示する例では１ループパラメータｎを用いて３回）繰り返される照射工程（ステップＳ１１）、撮影工程（ステップＳ１２）及び発光強度算出工程（ステップＳ１３）と、１つの太陽電池Ｃに対して１回だけ行われる発光強度推定工程（ステップＳ１４）及び効率算出工程（ステップＳ１５）と、を備える。
The photoelectric conversion
ステップＳ１１の照射工程では、光源１０により、ループパラメータｎの値に応じて特定される光量子束密度のＰＬ測定光を太陽電池Ｃに照射する。
In the irradiation process of step S11, the
ステップＳ１２の撮影工程では、撮像装置２０により、照射工程でＰＬ測定光が照射された後の太陽電池Ｃのフォトルミネッセンス画像を撮影する。
In the photographing process of step S12, the
ステップＳ１３の発光強度算出工程では、撮影工程で撮影されたフォトルミネッセンス画像から太陽電池Ｃの前記光量子束密度における発光強度を算出する。 In the emission intensity calculation process of step S13, the emission intensity at the photon flux density of the solar cell C is calculated from the photoluminescence image captured in the imaging process.
ステップＳ１４の発光強度推定工程では、同一の太陽電池Ｃについて異なる光量子束密度のＰＬ測定光で撮影された複数のフォトルミネッセンス画像からそれぞれ算出された複数の発光強度に基づいて、対応光量子束密度における発光強度を推定する。 In the emission intensity estimation process of step S14, the emission intensity at the corresponding photon flux density is estimated based on multiple emission intensities calculated from multiple photoluminescence images taken of the same solar cell C using PL measurement light with different photon flux densities.
ステップＳ１５の効率算出工程では、発光強度推定工程で推定した対応光量子束密度における発光強度を関係式に代入することにより、目的光量子束密度における光電変換効率を算出する。 In the efficiency calculation process of step S15, the photoelectric conversion efficiency at the target photon flux density is calculated by substituting the emission intensity at the corresponding photon flux density estimated in the emission intensity estimation process into the relational equation.
さらに、図３に、本発明に係る太陽電池製造方法の一実施形態の手順を示す。図３の太陽電池製造方法は、太陽電池構造形成工程（ステップＳ２１）と、光電変換効率測定工程（ステップＳ２２）と、仕分け工程（ステップＳ２３）とを備える。 Furthermore, FIG. 3 shows the steps of one embodiment of the solar cell manufacturing method according to the present invention. The solar cell manufacturing method of FIG. 3 includes a solar cell structure forming step (step S21), a photoelectric conversion efficiency measuring step (step S22), and a sorting step (step S23).
ステップＳ２１の太陽電池構造形成工程では、周知の方法により、半導体基板に１又は複数の太陽電池構造を形成する。具体的には、互いに異なる導電型を有する半導体層をそれぞれ所定のパターンで半導体基板に積層することにより、半導体基板に光が入射したときに形成されるキャリアを集めて得られる電荷を外部に出力することが可能になる。 In the solar cell structure formation process in step S21, one or more solar cell structures are formed on a semiconductor substrate by a known method. Specifically, by stacking semiconductor layers having different conductivity types on the semiconductor substrate in a predetermined pattern, it becomes possible to collect carriers formed when light is incident on the semiconductor substrate and output the resulting charge to the outside.
ステップＳ２２の光電変換効率測定工程では、図２の光電変換効率測定方法により半導体基板の太陽電池構造の光電変換効率を測定する。 In the photoelectric conversion efficiency measurement process of step S22, the photoelectric conversion efficiency of the solar cell structure of the semiconductor substrate is measured using the photoelectric conversion efficiency measurement method shown in Figure 2.
ステップＳ２３の仕分け工程では、光電変換効率測定工程で測定した光電変換効率に基づいてそれぞれ１又は複数の太陽電池を含む半導体基板を仕分けする。具体的には、仕分け工程では、光電変換効率順に半導体基板を並べたり、光電変換効率を基準に半導体基板をグループ分けしたりすることが考えられる。これによって、太陽電池構造を形成した半導体基板のその後の取り扱いを効率化することができる。 In the sorting process of step S23, the semiconductor substrates each including one or more solar cells are sorted based on the photoelectric conversion efficiency measured in the photoelectric conversion efficiency measurement process. Specifically, in the sorting process, the semiconductor substrates may be arranged in order of photoelectric conversion efficiency, or the semiconductor substrates may be grouped based on the photoelectric conversion efficiency. This can make the subsequent handling of the semiconductor substrates on which the solar cell structure is formed more efficient.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations are possible.
１０ 光源
２０ 撮像装置
３０ 画像処理装置
３１ 発光強度算出部
３２ 発光強度推定部
３３ 効率算出部
Ｃ 太陽電池
REFERENCE SIGNS
Claims (8)
前記複数の測定光量子束密度のＰＬ測定光が照射された後の前記太陽電池のフォトルミネッセンス画像をそれぞれ撮影する工程と、
前記複数の測定光量子束密度における前記フォトルミネッセンス画像から前記太陽電池の前記複数の測定光量子束密度における発光強度をそれぞれ算出する工程と、
前記複数の測定光量子束密度における発光強度から前記対応光量子束密度のＰＬ測定光を照射した場合の発光強度を推定する工程と、
推定した前記対応光量子束密度における発光強度を予め定めた関係式に代入することにより、前記目的光量子束密度における光電変換効率を算出する工程と、
を備え、
前記対応光量子束密度は、前記目的光量子束密度における前記太陽電池の光電変換効率とフォトルミネッセンスの発光強度との相関が高くなるようなＰＬ測定光の光量子束密度であって、前記太陽電池にＩＶ測定光を照射しながらＩＶ特性を測定した場合の開放電圧が前記目的光量子束密度のＩＶ測定光における最大動作点電圧と一致する前記ＩＶ測定光の光量子束密度である、光電変換効率測定方法。 Sequentially irradiating a solar cell with PL measurement light having a plurality of measurement photon flux densities higher than a corresponding photon flux density corresponding to a desired target photon flux density;
taking photoluminescence images of the solar cell after being irradiated with the PL measurement light having the plurality of measurement photon flux densities;
calculating luminescence intensities of the solar cell at the plurality of measured photon flux densities from the photoluminescence images at the plurality of measured photon flux densities;
estimating an emission intensity when irradiated with PL measurement light of the corresponding photon flux density from the emission intensities at the plurality of measured photon flux densities;
calculating a photoelectric conversion efficiency at the target photon flux density by substituting the estimated luminous intensity at the corresponding photon flux density into a predetermined relational expression;
Equipped with
a photon flux density of the IV measurement light such that an open circuit voltage when IV characteristics are measured while irradiating the solar cell with IV measurement light coincides with a maximum power point voltage of the IV measurement light at the target photon flux density, the photon flux density being a photon flux density of the PL measurement light such that a correlation between the photoelectric conversion efficiency of the solar cell and the photoluminescence emission intensity at the target photon flux density is high, the photon flux density being a photon flux density of the IV measurement light such that an open circuit voltage when IV characteristics are measured while irradiating the solar cell with IV measurement light coincides with a maximum power point voltage of the IV measurement light at the target photon flux density .
請求項１から６のいずれかに記載の光電変換効率測定方法により前記太陽電池構造の光電変換効率を測定する工程と、
測定した前記光電変換効率に基づいて前記半導体基板を仕分けする工程と、
を備える太陽電池製造方法。 forming a solar cell structure on a semiconductor substrate;
measuring the photoelectric conversion efficiency of the solar cell structure by the photoelectric conversion efficiency measurement method according to any one of claims 1 to 6 ;
sorting the semiconductor substrates based on the measured photoelectric conversion efficiency;
A solar cell manufacturing method comprising:
前記光源から前記複数のＰＬ測定光が照射された後の前記太陽電池のフォトルミネッセンス画像をそれぞれ撮影する撮像装置と、
前記複数の測定光量子束密度における前記フォトルミネッセンス画像から前記太陽電池の前記目的光量子束密度における光電変換効率を算出する画像処理装置と、
を備え、
前記画像処理装置は、
前記複数の測定光量子束密度における前記フォトルミネッセンス画像から前記太陽電池の前記複数の測定光量子束密度における発光強度をそれぞれ算出する発光強度算出部と、
前記発光強度算出部が算出した前記複数の測定光量子束密度における発光強度から前記対応光量子束密度のＰＬ測定光を照射した場合の発光強度を推定する発光強度推定部と、
前記発光強度推定部が推定した前記対応光量子束密度における発光強度を予め定めた関係式に代入することにより、前記目的光量子束密度における光電変換効率を算出する効率算出部と、を有し、
前記対応光量子束密度は、前記目的光量子束密度における前記太陽電池の光電変換効率とフォトルミネッセンスの発光強度との相関が高くなるようなＰＬ測定光の光量子束密度であって、前記太陽電池にＩＶ測定光を照射しながらＩＶ特性を測定した場合の開放電圧が前記目的光量子束密度のＩＶ測定光における最大動作点電圧と一致する前記ＩＶ測定光の光量子束密度である、光電変換効率測定装置。 a light source that sequentially irradiates a solar cell with PL measurement light having a plurality of measurement photon flux densities higher than a corresponding photon flux density corresponding to a desired target photon flux density;
an imaging device that captures photoluminescence images of the solar cell after the plurality of PL measurement light beams are irradiated from the light source;
an image processing device that calculates a photoelectric conversion efficiency of the solar cell at the target photon flux density from the photoluminescence images at the plurality of measured photon flux densities;
Equipped with
The image processing device includes:
a light emission intensity calculation unit that calculates light emission intensities at the plurality of measured photon flux densities of the solar cell from the photoluminescence images at the plurality of measured photon flux densities;
an emission intensity estimation unit that estimates an emission intensity when a PL measurement light of the corresponding photon flux density is irradiated from the emission intensities at the plurality of measurement photon flux densities calculated by the emission intensity calculation unit;
an efficiency calculation unit that calculates a photoelectric conversion efficiency at the target photon flux density by substituting the emission intensity at the corresponding photon flux density estimated by the emission intensity estimation unit into a predetermined relational expression,
The corresponding photon flux density is a photon flux density of PL measurement light that has a high correlation between the photoelectric conversion efficiency of the solar cell and the photoluminescence emission intensity at the target photon flux density , and is a photon flux density of the IV measurement light such that an open circuit voltage when IV characteristics are measured while irradiating the solar cell with IV measurement light coincides with a maximum power point voltage of the IV measurement light at the target photon flux density .
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