(57)【要約】      （修正有）【課題】太陽などの光を利用して発電する光電池の開発研究や使用時において、簡便に光電池の分光感度スペクトルとともに、同時に光電池の電流電圧特性を測定する評価装置を提案する。【解決手段】一つの白色光源３の周囲に２つの集光ミラー１，２を配置し、集光された光の一方は分光器４に導入され単色光に変換されたのち出射され、もう一方の光は擬似太陽光スペクトルフィルタ５を通じて出射され、これら二つの光は二分岐ファイバ８，９を通じて重畳されて被測定光電池１０１を照射することができる光電池の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置、で分光感度測定および電流電圧特性測定を測定する。【選択図】図１
2010223771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの白色光源の周囲に２つの集光ミラーを配置し、集光された光の一方は分光器に導入され単色光に変換されたのち出射され、もう一方の光は擬似太陽光スペクトルフィルタを通じて出射され、これら二つの光は二分岐ファイバを通じて重畳されて被測定光電池を照射することができる光電池の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項２】
被測定光電池の照射用の光ファイバは、直径200μm以下のファイバを100本以上束ねた構成であることを特徴とする請求項１に記載の光電池の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項３】
被測定光電池照射用の二分岐光ファイバにおいて二つの入射口のうち一方は四角に束ねられており、もう一方は円形に束ねられており、かつ、出射口の形は円形に束ねられていることを特徴とする請求項１および２に記載の光電池の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項４】
本体に内蔵された分光器は、本体外部に接続された制御装置により300nmから1200nmの任意の波長の単色光を出射できることを特徴とする請求項１〜３に記載の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項５】
一つの白色光源から二つの集光ミラーで分岐された二つの光である白色光と単色光は、本体に接続された制御装置により外部への出射を、それぞれ独立にオンまたはオフすることができる機構をもつ請求項１〜４に記載の光電池の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項６】
前記単色光の照射手段には、被測定光電池セルに照射する単色光をチョッピングする超低周波動作機能を持つ光学チョッパを含むことを特徴とする請求項１〜５に記載の光電池の分光感度測定装置および電流−電圧測定装置。
【請求項７】
二分岐光ファイバの出射口の直径は2mm 〜10mmであり、被測定光電池に出射口を接射させることで、照射光量を規定することができる請求項１〜６に記載の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項８】
キセノンランプの点灯電源と直立型のキセノンランプは同一の本体に内蔵されており直立型のキセノンランプの上部と、水平方向に２箇所の排気用ファンを設置しており、これら二つのファンで、点灯電源とランプの両方を強制冷却する機構を有する請求項１〜７に記載の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項９】
被測定光電池への光照射は、光ファイバの先端を接射させる方式をとることを特徴とする請求項１〜８に記載の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【請求項１０】
電流電圧特性と分光感度特性は、被測定光電池の位置や配線をまったく変更することなく、連続して測定できることを特徴とする請求項１〜９に分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電池の評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽エネルギーを電力に変換する光電変換素子として、固体のｐｎ接合型太陽電池が活発に研究されている。固体接合型太陽電池は、シリコン結晶やアモルファスシリコン薄膜、非シリコン系の化合物半導体の多層薄膜を用いている。そして、固体接合型太陽電池は、高温もしくは真空下で製造する必要がある。そのため、固体接合型太陽電池の製造には、プラントのコストが高くなり、エネルギーペイバックタイムが長くなるとの欠点がある。
【０００３】
次世代の太陽電池として、低温でより低コストで製造が可能な有機系太陽電池の開発が期待されている。有機系太陽電池では、大気中で低コストの量産が可能な色素増感型太陽電池が特に注目されている。グレッチェルは、色素増感型太陽電池について、色素増感された多孔質半導体膜を用いる高効率の光電変換方法を提案している。色素増感型太陽電池は、固体接合型太陽電池における固体（半導体）−固体（半導体）接合の代りに、固体（半導体）−液体（電解液）接合を採用する湿式太陽電池である。色素増感型太陽電池は、エネルギー変換効率が１１％という高い値まで達しており、電気エネルギーの供給源として有望である。
【０００４】
色素増感型太陽電池に対する注目度がますます高まる一方で、多くの研究機関や研究者が増加している。例えば色素増感太陽電池の評価は、電流電圧特性及び分光感度測定を行うことが一般的であるが、測定者が必ずしも十分な計測に関する知識を持ち合わせているわけではない。この評価装置としては、文献（特許文献１）にて、正確な単色光の分光感度の測定が可能な色素増感型太陽電池の分光感度測定装置に関する技術が知られている。すなわち、色素増感型太陽電池の分光感度測定装置は、単色光照射装置と、バイアス光照射装置と、分光感度測定装置を備えており、それら単色光照射装置並びにバイアス光照射装置から出射される光を、被測定色素増感型太陽電池セルに照射し、その状態で分光感度測定装置にて測定するものである。    
【０００５】
単色光照射装置は、被測定セルに単色光を照射するもので単色光源、集光鏡、入射光学系（集光レンズ）、入射スリットと、モノクロメータと、出射スリットと、出射光学系（集光レンズ）とを含む。また、バイアス光源が発生する白色バイアスは、単色光ＳＢに重畳され、被測定セルに照射する。このように２光源を用いる方法は、複雑な光源経路を有しており、ランプの寿命を２種類管理しなければならないこと、そのランプ較正などの煩雑なメンテナンスを必要とするものであり問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】公開特許公報２００３−５７１１４号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらの問題は、一つの白色光源の周囲に２つの集光ミラーを配置し、集光された光の一方は分光器に導入され単色光に変換されたのち出射され、もう一方の光は擬似太陽光スペクトルフィルタを通じて出射され、これら二つの光は二分岐ファイバを通じて重畳されて被測定光電池を照射することができる光電池の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置、によって解決された。
【０００８】
まず、本発明の白色光源について記す。本発明においては、光源として一個の白色光源を２分割して分光器に導入された単色光と、擬似太陽光スペクトルフィルタを通した擬似太陽光スペクトルの白色光にすることが重要な本機器の特徴であり、その元となる白色光源は非常に重要な要素である。白色光源として、キセノンランプ、ハロゲンランプ等を使用できる。その形状や発光強度は、本発明の色素増感光電池の性能評価に支障が無い限り、特に限定されない、しかし、均一な光量を発する形状が好ましく、そのためには均一な面を持つ球状や円盤状の光源が好ましい。また、その発光強度は、強度が１０〜２０００ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましく、さらには５０〜１０００ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましく、特には７０〜５００ｍＷ／ｃｍ２であることが好ましい。
【０００９】
次に、本発明の白色光を分光する部分を記述する。本発明においては、白色光源の周囲に２つの集光ミラーを配置して、単色光と擬似太陽光スペクトルにすることも大きな特徴であり、以下に詳細に記述する。集光ミラーにより集光された光の一方を分光器に導入して単色光に変換後に出射し、もう一方の光は擬似太陽光スペクトルフィルタを通じて出射される。
【００１０】
まず集光ミラーの形態は特に限定されないが、好ましい形態としての例を以下に記す。光源としては、１５０Wキセノンランプを用いており、単色光を作る分光器の集光系はミラー型であり、分光器には二次光をカットするためのフィルタ自動切換え機構内臓しており、フィルタとしては、代表として例えばＬ３７とＲ６４の少なくとも２種類を備えており、さらに出射口には光チョッパーとして内臓型周波数可変チョッパー（０．１〜１００Ｈｚ）を組み込んだものを挙げることが出来る。さらに、擬似太陽光スペクトルの出射側は、ミラー型の集光系を備えており、さらに、擬似太陽光スペクトルフィルタを有することが好ましい。
【００１１】
次に、集光ミラーにより集光された光の一方を分光器に導入して単色光に変換する分光器について記述する。好ましい焦点距離は100mm以上300mm以下であり、口径比は、３以上５以下のものが好ましい。分光器に内蔵される回折格子は、1200line/mm以上600line/mm以下のものから選択する。ブレーズ波長は、被測定光電池の感度に適切なものを選択することが好ましく、色素増感型太陽電池においては、500nmを選択することが好ましい。出射スリットは、幅1mm以上5mm以下から選択する。出射光の強度は、480 nmにおいて、0.1 mW以上5mW以下であることが好ましく、0.1mW以上2mW以下であることがさらに好ましい。波長純度は、照射強度に依存し、1nm以上30nm以下の範囲である。特に好ましい分光器は、非対称型変形ツェルニターナマウント型であり、焦点距離は100 mm、口径比F=3.0である。分光器に内蔵される回折格子は、600 lines/mm、ブレーズ波長 500nmのものを用いる。出射スリットは幅2 mm、高さ3.5 mmであり、出射光の強度は480 nmで2 mW 以上、波長純度は約 30 nmである。照射波長は、300 nmから1100 nmまで1nmの分解能で変化させることが可能である。
【００１２】
もう一方の光である擬似太陽光を発現する擬似太陽光スペクトルフィルタについて記述する。本発明の好ましい擬似太陽光スペクトルフィルタは、１）JIS規格に定められた結晶系太陽電池セル出力測定方法 (JIS C 8913)、および２)アモルファス太陽電池セル出力測定方法 (JIS C 8934)におけるAクラスのスペクトルに合致した光を出射するものであり、その出力は基準太陽光スペクトルの照射光量1sun (100 mW cm-2)の出力に対応するものであり、かつ400 nm〜800 nmの可視部においては、約55 mW cm-2を出力できるものである。さらに、減光フィルタとの組み合わせにより、その出力を、基準太陽光スペクトルとしての強度において1 mW cm-2 から100 mW cm-2まで段階的に変更することができる。
【００１３】
次の上述の二つの光は、二分岐ファイバに導かれるが、そのファイバについて記す。本発明の二分岐ファイバは重畳されて被測定光電池を照射するものであるが、その形状は特に限定されず、分光感度測定装置に必要な光を到達すればよい。一般には、円筒状であるが四角い形状でもよい。好ましいファイバの形態の例として、ファイバ部は２分岐２２４芯石英バンドルファイバで入射側には単色光用には、直径０．５ｍｍの光ファイバを１１２本を縦型に３．５ｍｍ×２ｍｍに配置したもの、および白色バイアス光用には、１１２本を直径３ｍｍに配置して用いた。また出射側には単色光／白色バイアス光混合して、ファイバを直径４．２ｍｍにランダムに配置して用いた。さらに、フォルダは着脱可能とした。
【００１４】
次に本発明では、分光感度測定装置を使用するものであり以下に記述する。本発明の分光感度測定装置では、分光感度測定手段として、被測定セルに生じる検出信号から暗電流を除去する補正手段を含めることができる。暗電流は、色素増感型太陽電池などの光電池の電解液を流れる化学電流に起因する。これを除去することで、正確な分光感度スペクトルを得ることができる。
【００１５】
本発明の分光感度測定装置には、超低周波動作機能を持つ光学チョッパを設けることができる。この光学チョッパは、モータとしてサーボモータを使用すること、また光ブレードはサーボモータ回転軸に直結させることが好適である。こうすることにより、光学チョッパは単色光の超低周波数での安定したチョッピングを実現できる。本発明の分光感度測定装置では、光ブレードの位相が異なる位置にフォトインタラプタを２つ設け、かつ分光感度測定手段に、フォトインタラプタの一方の検出信号を、他方の検出信号でラッチするラッチ回路を設けることができる。このように構成することで、サーボモータを超低速駆動する場合にも、チャタリングが生じることはない。
【００１６】
また、本発明の分光感度測定装置が、チョピング周波数の表示機能を持つ場合には、サーボモータのシャフトに取り付けたエンコーダの出力信号の周波数に基づき、光学チョッパの周波数表示を行うことができる。たとえば、光学チョッパに設けたフォトインタラプタの検出信号に基づいて周波数表示を行うと、サーボモータを超低速で駆動させる場合に、その表示に長時間がかかる。これに対して、サーボモータのシャフトに取り付けたエンコーダの出力信号に基づいて周波数表示を行う場合には、光学チョッパの周波数を短時間で（すなわち、リアルタイムで）表示することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光電池の分光感度測定装置は一個の白色光源を使用し、ＤＣ測定モード、ＡＣ測定モードによらず、正確な単色光の分光感度の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】分光感度測定装置の光源、分光器、光ファイバの配置図
【図２】分光感度測定装置の被測定セル、電流検出装置の配置図
【図３】Ｎ７１９色素を用いた色素増感太陽電池の分光感度スペクトル
【図４】Ｎ７１９色素を用いた色素増感太陽電池のＩ−Ｖカーブ
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明に係る分光感度測定装置の好適な一実施の形態を示している。同図に示すように、基本的な構成は従来と異なり、白色光照射装置と単色光照射装置と、電流検出装置とを備えている。つまり、従来別々に仕様されている二つの光源装置が、一つの装置内に備えられており、光源部からの白色光をバイアス光として被測定セル１０１に照射し、その状態で被測定セル１０１に分光器からの単色光を照射させ、その時の被測定セル１０１の出力信号に基づいて、電流検出装置で測定するものである。
【００２０】
そして、本形態における分光感度測定装置は、光学チョッパを駆動することでＡＣ測定モードでの分光感度測定ができ、また停止することでＤＣ測定モードでの分光感度測定ができる。
電流検出装置はロックインアンプを内蔵していてもよく、当該ロックインアンプにより、被測定セルのＡＣ測定モードでの光電流を取り出すことができる。本発明の分光感度測定装置では、良好な分光感度（すなわち良好なＳ／Ｎ比）を得ることができる。また本発明の分光感度測定装置では、サーボモータは、光ブレードを超低速で回転させることができるので、光照射に対する応答が遅い被測定色素増感型太陽電池セル（被測定セル）の分光感度測定を正確に行うことができる。
【００２１】
色素増感型太陽電池において、電解液を流れる化学電流が大きく、しかも変動するため、これが光照射に依存しない暗電流となり、単色光の分光感度の測定電流に誤差が生じる。更にまた、被測定セルの分光感度測定値から暗電流分を除去するための補正装置（図示せず）を設けることができる。この補正装置により、各測定波長についての分光感度の実測値から、暗電流分を差し引き、分光感度を求めることができる。暗電流は、単色光の光路中にシャッターを挿入して、シャッター挿入前の分光感度測定値から、シャッター挿入後の分光感度測定値を差し引くことにより求めることができる。本実施の形態では、分光感度測定装置に光チョッパの周波数表示機能を持たせることができる。
【００２２】
本発明の光電池の分光感度測定装置および電流−電圧特性測定装置は、利用される場合の光電池は特に限定されず、例えば色素増感太陽電池、有機薄膜太陽電池、化合物半導体太陽電池、シリコン太陽電池などを挙げることが出来る。以下に本発明について、その具体的な例を示すがこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
（色素増感太陽電池素子の分光感度スペクトルのＡＣモードによる評価）
分光感度が規定された校正用シリコンセル（浜松ホトニクスS1337-1010BQ）を、測定機の試料ボックス（図面１２）にセットし、光照射用の光ファイバ（図面１１）の先端を接射させた。校正用シリコンセルの測定時には照射光は、単色光のみとした。単色光の照射用のチョッパー周波数を、1 Hzに設定して、単色光300 nmから900 nmを5 nmづつ波長を変えながら測定した。測定セルの出力信号はロックインアンプ（図面２２）（LI-５６３０型ロックインアンプ、ＮＦ回路社製）に接続し、各波長において５秒間の積算を行いながらデータをパソコン上に取得した。チョッパー周波数と照射波長の設定は、専用計測ソフトウェアを用いてパソコンより制御した。ここで取得したデータと、校正データをパソコン上で計算することにより、各波長の照射光量を計算し、パソコンに保存して、その後の被測定光電池の測定に用いた。
【００２４】
つづいて、Ｎ７１９色素を増感色素として用いた被測定色素増感太陽電池を測定機の試料ボックスにセットし、光照射用の光ファイバの先端を接射させた。二分岐ファイバの一方より白色バイアス光（擬似太陽光）を出射し、もう一方より単色光を出射することで、白色バイアス光（擬似太陽光）と単色光を重畳させて照射した。この状態で、校正用シリコンセルの測定時と同じ条件である、単色光の照射用のチョッパー周波数を、1 Hzに設定して、単色光300 nmから900 nmを5 nmづつ波長を変えながら測定した。測定セルの出力信号はロックインアンプに接続し、各波長において５秒間の積算を行いながらデータをパソコン上に取得した。パソコン上では、校正セルの測定データを用いて、被測定シリコン光電池の分光感度スペクトルデータを表示した。結果を図３に示す。図３の結果から判るように、色素増感型太陽電池の分光特性を測定したところ、優れた分光感度曲線が得られた。これは従来の測定方法に比べても同等以上の測定結果であり、単一の光源からなる本発明の装置がすぐれたものであることを実証するものである。
【００２５】
（色素増感太陽電池素子のI-V特性の評価）
光源として、本願発明の測定装置において、被測定光電池の分光感度スペクトルの測定に続いて、白色光（擬似太陽光）のみを照射することで、Ｉ−Ｖ特性を測定した（図４）。被測定光電池の出力は、被測定光電池の出力の出力切替機（図面１７）により、パソコンに接続されたソースメータ（図面２１）（２４００型ソースメータ、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ社製）に接続した。電流電圧特性は、１ｓｕｎの光照射下、バイアス電圧を、０Ｖから０．８Ｖまで、０．０１Ｖ単位で変化させながら出力電流を測定した。出力電流の測定は、各電圧ステップにおいて、電圧を変化後、０．０５秒後から０．１５秒後の値を積算することで行った。バイアス電圧を、逆方向に０．８Ｖから０Ｖまでステップさせる測定も行い、順方向と逆方向の測定の平均値を、光電流データとした。
【符号の説明】
【００２６】
１．    集光ミラー
２．    集光ミラー
３．    キセノンランプ
４．    分光器（二次光カットフィルタ自動切換え機及びチョッパーユニット内蔵）
５．    白色光集光系（擬似太陽光フィルタ内蔵）
６．    単色光出射用フォルダ
７．    白色光（擬似太陽光）出射用フォルダ
８．    白色光（擬似太陽光）用ファイバ
９．    単色光用ファイバ
１０．  光ファイバ分岐ユニット
１１．  照射用光ファイバ
１２．  試料ボックス
１３．  試料ボックスの扉
１４．  被測定セルからの出力プラス
１５．  被測定セルの出力マイナス
１６．  ＢＮＣケーブル（被測定セルの出力接続用）
１７．  被測定セルの出力切り替え機
１８．  ＢＮＣケーブル（ロックインアンプへの接続用（分光感度のＡＣ測定用））
１９．  ＢＮＣケーブル（ソースメーターへの接続用（Ｉ−Ｖ測定及び、分光感度のＤＣ測定用））
２０．  ロックインアンプ
２１．  ソースメーター
２２．  ＢＮＣケーブル（チョッパーの周波数信号のロックインアンプへの入力用）
１００.  測定機本体
１０１.  被測定光電池
【図１】
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【図２】
2010223771.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010223771.tif 000006