(57)【要約】【課題】簡単な構成でありながらも照射対象における場所むらを大幅に低減することができ、例えば最上級の規格をも満たすことができるソーラーシミュレータを提供する。【解決手段】リング状に形成されており、そのリングの貫通方向に照射対象であるワークＷが配置される発光ランプ１と、前記発光ランプ１と前記ワークＷとの間に配置されており、線材で形成されたリング状遮光体２１とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状に形成されており、そのリングの貫通方向に照射対象であるワークが配置される発光ランプと、
前記発光ランプと前記ワークとの間に配置されており、線材で形成されたリング状遮光体とを備えたことを特徴とするソーラーシミュレータ。
【請求項２】
前記発光ランプと前記リング状遮光体の中心軸が略合致するように配置されており、
前記リング状遮光部材の外形寸法が前記発光ランプの外形寸法よりも小さく形成してある請求項１記載のソーラーシミュレータ。
【請求項３】
一端側に前記発光ランプを内部に収容し、他端側に光射出口が形成されたランプハウスをさらに備え、
前記リング状遮光部材が、前記発光ランプが配置されている方向へ前記光射出口を見た場合に当該光射出口を架け渡すように設けられた複数本の線材を交差させて形成されたものである請求項１又は２記載のソーラーシミュレータ。
【請求項４】
前記リング状遮光部材が、４本の線材を交差させて概略正方形状をなしたものである請求項１乃至３いずれかに記載のソーラーシミュレータ。
【請求項５】
各線材が前記光射出口に対する位置を変更可能に構成された請求項３又は４記載のソーラーシミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は太陽電池セルの性能評価やその他の耐光環境評価に用いられるソーラーシミュレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば太陽電池セルの性能評価では、照射対象である太陽電池セルの表面に照射される光の放射照度の場所むらについては、ＪＩＳ  Ｃ８９１２やＩＥＣ６０９０４−９により規格が定められている。より具体的、放射照度の場所むらは、以下のような式に基づいて定義されている。
【０００３】
【数１】
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ここで、ΔＥ：放射照度の場所むら（％）、Ｅｍａｘ：放射照度の最大値（Ｗ／ｍ２）、Ｅｍｉｎ：放射照度の最大値（Ｗ／ｍ２）である。そして上述した規格における等級Ａでは、場所むらは２％以内に抑えることが求められる。
【０００４】
ソーラーシミュレータに用いられる発光ランプとしては、例えば一本の発光管をねじって概略リング状に形成したロングアークキセノンランプ等が挙げられる。このようなリング状に形成された発光ランプをパルス発光させる場合、前記太陽電池セルの表面上の各点における場所むらを２％以内に抑えることは難しい。また、場所むらの問題は、太陽電池セルの評価だけでなく、複数の太陽電池セルを組み合わせた太陽電池パネルの性能評価でも問題となる。
【０００５】
そこで、特許文献１に示されるソーラーシミュレータでは、発光ランプが収容されるランプハウスの光射出口と、照射対象である太陽電池パネルとの間に場所むら補正機構としてフィルタ部を設けることが示されている。このフィルタ部は、前記光射出口から射出された光の光路上において複数の矩形状の領域を形成し、前記太陽電池パネルにおいて放射照度の高い部分と対応する領域にメッシュフィルタや遮光フィルタを設けたものである。
【０００６】
しかしながら、このようなフィルタ部を構成することは理論上可能であっても太陽電池パネルにおいて放射照度の高い部分に対応する領域にメッシュフィルタを設けることは非常に手間がかかる。例えば、発光ランプが経年変化するなどしてその発行状態が変化した場合にはそれに対応してメッシュフィルタの位置を変更するなどして新たに発生した場所むらを補正することは難しい。
【０００７】
また、上述したようなフィルタ部を用いたとしても、規格に定められているＡ等級で許容されている場所むらのレベルまで低減することも難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３１１０８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、簡単な構成でありながらも照射対象における場所むらを大幅に低減することができ、例えば最上級の規格をも満たすことができるソーラーシミュレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、請求項１に記載した本発明のソーラーシミュレータは、リング状に形成されており、そのリングの貫通方向に照射対象であるワークが配置される発光ランプと、前記発光ランプと前記ワークとの間に配置されており、線材で形成されたリング状遮光体とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
ここで、「リング状」とは完全なリングとして途切れなく形成されているものだけではなく、直線のものをねじってリングを形成している形状や、構成部材が一部離間しても概略リングの形状をなしているものを含む概念である。
【００１２】
このようなものであれば、前記発光ランプはリング状に形成されているので、発光ランプの各点から射出される光は所定の立体角で広がりながら前記照射対象であるワークに照射されることになる。したがって、前記発光ランプと前記ワークとの間に何も遮光物が存在しない場合には、前記ワーク上には前記発光ランプの中心軸との交点を中心として各点から射出された光が重なり合う光重合領域が概略円形状に形成されて、この光重合領域の放射照度は他の部分よりもわずかに高くなる。
【００１３】
ところで、本発明では前記発光ランプと前記ワークとの間に線材で形成されたリング状遮光体が配置されているので、前記発光ランプから射出された光のうち前記光重合領域に到達するはずであった光の一部が遮光され、当該光重合領域における放射照度をわずかに低下させることができる。さらに、このリング状遮光体は線材で形成されたものであるので、ごく一部の光しか遮光せず、前記発光ランプから射出されて前記光重合領域以外のその他の領域に到達する光についてはほとんど遮光しない。
【００１４】
したがって、前記リング状遮光体によりワーク上における前記光重合領域における放射照度と、その他の領域における放射照度の差を小さくすることができ、ワーク上における場所むらを小さくすることができる。
【００１５】
さらに、前記リング状遮光体は非常に簡単な構成であるので、発光ランプの照射状態の変化に応じて適宜、設置位置やその大きさを変更しやすく、場所むらを低減するための調整作業も非常に簡便なものにできる。
【００１６】
前記リング状遮光体により光重合領域における放射照度を低下させて、ワーク上における場所むらを好適に低減できるようにするには、請求項２に記載の発明のように前記発光ランプと前記リング状遮光体の中心軸が略合致するように配置されており、前記リング状遮光部材の外形寸法が前記発光ランプの外形寸法よりも小さく形成してあるものであればよい。
【００１７】
前記リング状遮光体を簡単な構成で、前記発光ランプと前記ワークとの間に形成するには、請求項３に記載の発明のように一端側に前記発光ランプを内部に収容し、他端側に光射出口が形成されたランプハウスをさらに備え、前記リング状遮光部材が、前記発光ランプが配置されている方向へ前記光射出口を見た場合に当該光射出口を架け渡すように設けられた複数本の線材を交差させて形成されたものであればよい。
【００１８】
前記リング状遮光体として簡便な形状でありながらも、前記光重合領域のみに対する光の遮光効果を得ることができ、ワーク上の場所むらを大幅に低減できる具体的な構成例としては、請求項４に記載の発明のように前記リング状遮光部材が、４本の線材を交差させて概略正方形状をなしたものが挙げられる。
【００１９】
前記リング状遮光体の大きさを適宜変更することができ、前記発光ランプの特性や経年変化等に合わせて遮光態様を調節して常にワーク上での場所むらを低減できるようにするには、請求項５に記載の発明のように前記リング状遮光部材が、４本の線材を交差させて概略正方形状をなしたものであればよい。
【発明の効果】
【００２０】
このように本発明のソーラーシミュレータによれば、リング状に形成された前記発光ランプ及び前記ワークの間に線材で形成されたリング状遮光体を配置してあるので、ワーク上において前記発光ランプのリング形状に対応して形成される光重合領域に到達するはずであった光を前記リング状遮光体で遮光することができ、放射照度が高くなりやすい領域のみの放射照度を低下させ、ワーク上における場所むらを大幅に低減することができる。しかも、前記リング状遮光体は非常に簡単な構成であることから、場所むらを低減する際に当該リング状遮光体の形状や位置、大きさを簡単に調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るソーラーシミュレータを用いた太陽電池セル評価装置を示す模式的斜視図。
【図２】第１実施形態におけるソーラーシミュレータの内部構造及び照射態様を示す模式的斜視図。
【図３】第１実施形態におけるソーラーシミュレータの模式的縦断面図。
【図４】第１実施形態におけるソーラーシミュレータの場所むら補正機構の構造を示す模式図。
【図５】従来のソーラーシミュレータと本発明のソーラーシミュレータの場所むらの違いを示す測定結果。
【図６】本発明の第２実施形態に係るソーラーシミュレータの場所むら補正機構を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の第１実施形態に係るソーラーシミュレータ１００及びこのソーラーシミュレータ１００を用いた太陽電池セル評価装置２００について図１乃至５を参照しながら説明する。
【００２３】
図１に示す第１実施形態の太陽電池セル評価装置２００は、例えば製造された段階の太陽電池セルＷについて出力特性を評価し、その特性ごとに太陽電池セルＷを分類するために用いられるものである。
【００２４】
この太陽電池セル評価装置２００は、図１に示すようにパルス光を照射対象であり、ワークである太陽電池セルＷに対して照射する概略直方体形状のソーラーシミュレータ１００と、前記ソーラーシミュレータ１００の下部に配置され、太陽電池セルＷである太陽電池セルＷが載置される試料台Ｓと、前記太陽電池セルＷから出力される電圧値及び電流値を測定し、そのＩ−Ｖ特性を測定及び評価するＩ−ＶテスターＴＳと、前記ソーラーシミュレータ１００の発光タイミングや発光時間を制御する点灯電源Ｐとから構成してある。前記試料台Ｓ及びＩ−ＶテスターＴＳは載置ラックＲＡ内に載置されており、この載置ラックＲＡの天面は開口しており、その開口と対向するように２段目に前記試料台Ｓが載置しており、１段目には前記Ｉ−ＶテスターＴＳが収容してある。
【００２５】
次に本発明のソーラーシミュレータ１００の詳細について説明する。
【００２６】
図２及び３に示すように、前記ソーラーシミュレータ１００は概略中空直方体形状のランプハウス３と、前記ランプハウス３内に収容された発光ランプ１と、前記発光ランプ１により照射される太陽電池セルＷ上における場所むらを補正するための場所むら補正機構２とから構成してある。
【００２７】
前記ランプハウス３は、閉口している一端側に前記発光ランプ１を収容しており、開口している他端側を前記発光ランプ１から射出された光が外部へと射出される光射出口３１としてある。さらに、このランプハウス３内において前記光射出口３１側には、前記場所むら補正機構２が前記発光ランプ１及び前記太陽電池セルＷとの間に配置されるように設けてある。
【００２８】
前記発光ランプ１は、前記点灯電源Ｐによりそのパルス発光が制御されるものであって、概略リング状に形成されたロングアークキセノンランプである。ここで、この発光ランプ１の形状についてさらに詳述すると、図２の斜視図から分かるようにこのものは、完全なリング状ではなく、発光管の中央部をねじって一部を交差させることによりリング状に形成してある。なお、本明細書においてリング状とは完全なリング形状だけでなく、この実施形態において示すように交差させることにより端部が完全に接合されていないようなリングの形状も含む概念である。
【００２９】
そして、この発光ランプ１は、そのリングの貫通方向に前記太陽電池セルＷが配置されており、そのリングの形成面と前記太陽電池セルＷにおいて光が照射される面が略平行となるように設定してある。また、この発光ランプ１はリング状に形成してあるため、図２に示すように前記太陽電池セルＷのある仮想平面に形成される照射エリアＡには、３つの領域が形成される。具体的には、前記発光ランプ１の中心軸Ｃと前記太陽電池セルＷとの交点を中心として前記太陽電池セルＷの表面中央部に形成される概略円形状の光重合領域Ｒ１と、前記太陽電池セルＷ上において前記光重合領域Ｒ１の外側に形成され、前記光重合領域Ｒ１と比較して放射照度が低い外周領域Ｒ２と、前記外周領域Ｒ２の外側であって、前記太陽電池セルＷ外に形成され、特性評価のためには使用されない不使用領域Ｒ３が形成される。前記光重合領域Ｒ１は、リング状に形成された発光ランプ１の各点から所定の立体角で光が射出されるために、当該発光ランプ１の略すべての点から射出された光が重なり合い、その放射照度が前記外周領域Ｒ２と比較して放射照度が高くなりやすい領域である。
【００３０】
前記場所むら補正機構２は、太陽電池セルＷの特性評価のために前記太陽電池セルＷの表面上における前記光重合領域Ｒ１と前記外周領域Ｒ２との放射照度の差を小さくし、場所むらを所定の許容値内に収めるためのものである。ここで、場所むらは、例えば前記太陽電池セルＷの表面における最大放射照度と最小放射照度に基づいて定義される量であり、具体的には式２により定義される。
【００３１】
【数２】
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ここで、ΔＥ：放射照度の場所むら（％）、Ｅｍａｘ：放射照度の最大値（Ｗ／ｍ２）、Ｅｍｉｎ：放射照度の最大値（Ｗ／ｍ２）である。
【００３２】
なお、第１実施形態では、太陽電セルＷの表面におけるこの場所むらを２％以内のずれに収めて、規格における等級Ａの許容値を満たすことを目標としている。
【００３３】
そして、前記場所むら補正機構２は図２乃至４に示すように前記発光ランプ１と前記太陽電池セルＷとの間に配置されたリング状遮光体２１を４本の線材２Ｌにより形成するものである。
【００３４】
前記リング状遮光体２１は、第１実施形態では正方形状のリングをなすものであって、その中心軸Ｃは前記発光ランプ１の中心軸Ｃと略合致するように配置してあるとともに、その外形寸法は前記発光ランプ１よりも小さく形成してある。言い換えると、このリング状遮光体２１は前記発光ランプ１から射出された光のうち前記光重合領域Ｒ１へ向かって進行する光のごく一部のみを遮光するようにしてある。
【００３５】
このリング状遮光体２１の正方形形状は、図４から分かるように前記発光ランプ１が配置されている方向へ前記光射出口３１を見た場合に当該光射出口３１を架け渡すように設けられた４本の線材２Ｌを交差させて形成したものである。第１実施形態では、正方形状の光射出口３１に対して対向する２辺に対して２本ずつ線材２Ｌを架け渡してあり、２組の線材２Ｌが各々直交するように交差させて、概略正方形状の前記リング状遮光体２１を形成している。
【００３６】
各線材２Ｌはその表面に黒色の塗料を塗布してあり、光を吸収しやすくしてある。また、各線材２Ｌの一端はスプリング２２により前記ランプハウス３に取り付けられ、もう一端は巻き取り機構２３により所定のテンションを保って、直線状を保った状態で前記光射出口３１上に架け渡されるようにしてある。また、このスプリング２２及び巻き取り機構２３のランプハウス３に対して着脱可能に設けてあるので、その取付位置を適宜変更して、前記リング状遮光体２１の前記光射出口３１に対する形成位置を変更できるようにもしてある。また、第１実施形態では、この線材２Ｌは針金や糸程度の太さのものを使用しているが、この太さは発光ランプ１の照射態様等に応じて適宜変更してもよい。前記線材２Ｌの具体的な太さの上限としては、少なくとも前記発光ランプ１の管径よりも細い直径であるものが挙げられる。
【００３７】
このように構成されたソーラーシミュレータ１００が、従来のソーラーシミュレータ１００と比較して大幅に場所むらが低減できることについて図５に示した実測結果に基づいて説明する。図５（ａ）は従来のソーラーシミュレータ１００を用いた場合の太陽電池セルＷ上における場所むらの分布を示し、図５（ｂ）は第１実施形態のソーラーシミュレータ１００を用いた場合の太陽電池セルＷ上の場所むらの分布を示すものである。図５（ａ）、（ｂ）は同一の大きさの太陽電池セルＷの表面を５×５、又は、８×８マスに分割し、各マスにおける放射照度をそれぞれ測定して、平均放射照度に対する平均放射照度からのずれ量の割合を表示してある。なお、平均放射照度をＡとし、平均放射照度を基準とした最大放射照度のずれ量ｅｍａｘ、平均放射照度を基準とした最小放射照度のずれ量ｅｍｉｎとした場合、式３のように表すことができる。
【００３８】
【数３】
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【００３９】
この式３から平均放射照度Ａと、最大放射照度Ｅｍａｘ及び最小放射照度Ｅｍｉｎの和との間の大小関係は、ｅｍａｘ、ｅｍｉｎの絶対値が略等しい場合式４のように示すことができる。
【００４０】
【数４】
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したがって、式４からｅｍａｘ、ｅｍｉｎの差は以下の式５のように評価できる。
【００４１】
【数５】
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つまり、ｅｍａｘ、ｅｍｉｎの差を評価すれば、規格により定義されている場所むらの式２よりも厳しい基準で場所むらを評価することができる。以下の測定例では、この式５に基づいて場所むらを評価している。
【００４２】
図５（ａ）に示す従来例では平均放射照度を基準として最大放射照度のずれ量は１．０７１％であり、最小放射照度のずれ量は−１．７１３％である。つまり、最大放射照度と最少放射照度の差を取ると２％よりも大きいずれが存在することになり、等級Ａの許容値内に場所むらが収まっていない。
【００４３】
このような結果は図５（ａ）の場所むらの分布から分かるように、中心部の光重合領域Ｒ１において放射照度が高すぎ、外周領域Ｒ２の放射照度が低いためであるとわかる。
【００４４】
これに対して図５（ｂ）に示す第１実施形態の場合には、平均放射照度を基準として最大放射照度のずれ量は０．８５６％のずれしかなく、最小放射照度のずれ量も−０．９８５％のずれしかない。つまり、最大放射照度と最少放射照度の差を取ると２％よりも小さいずれ量しか存在せず、等級Ａの許容値内に場所むらを収めることができている。
【００４５】
図５（ｂ）の放射照度の分布を視ると中央部の光重合領域Ｒ１の放射照度が前記リング状遮光体２１により抑えられていることがわかる。また、従来と比較して外周領域Ｒ２の放射照度のずれ量の割合が小さくなっているのは、光重合領域Ｒ１の放射照度が低減されて平均放射照度が下がる一方、前記リング状遮光体２１は外周領域Ｒ２の放射照度はほとんど低減しないことにより相対的にずれ量が小さくなっているためである。このように前記リング状遮光体２１により光重合領域Ｒ１の放射照度のみを抑え、外周領域Ｒ２の放射照度は従来とほぼ同等に保つことができることにより、太陽電池セルＷの表面全体における場所むらを大幅に低減することができる。
【００４６】
また、第１実施形態のリング状遮光体２１は、４本の線材２Ｌをそれぞれ交差させて形成してあるものなので、この線材２Ｌの取付位置を適宜変更することで、リング状遮光体２１の形成位置や大きさを簡単に変更することができる。したがって、前記発光ランプ１の発光状態が経年変化等により変化したとしてもそれに合わせて遮光量を変更し、場所むらを低減することが簡単にできる。
【００４７】
次に本発明の第２実施形態について図６を参照しながら説明する。なお、第１実施形態に対応する部材には同じ符号を付すこととする。
【００４８】
前記第１実施形態ではリング状遮光体２１は、４本の線材２Ｌを交差させて概略正方形状のリングとして形成していたが、第２実施形態のリング状遮光体２１は、概略円形状のリングとして形成してあり、その円の象限切り替わり点をそれぞれ線材２Ｌでランプハウス３から支持するようにしてある。
【００４９】
このようなものであれば、前記発光ランプ１と前記リング状遮光体２１はさらによく似た形状となるため、より理想的な態様で光重合領域Ｒ１に到達するはずであった光を遮光し、場所むらを低減することができる。
【００５０】
その他の実施形態について説明する。
【００５１】
前記発光ランプ１は、各実施形態ではロングアークキセノンランプを用いていたがその他の発光原理によるランプであってもかまわない。要するにリング状に形成されているランプであれば、本発明の効果を得ることができる。また、各実施形態のように発光管をねじって交差させることによりリング状に形成された発光ランプ１だけでなく、交差点及び継ぎ目なくリング状に形成された発光ランプ１であってもよい。
【００５２】
前記リング状遮光体２１の形状は、各実施形態に示したように正方形や円に限られるものではなく、長方形、ひし形、平行四辺形、楕円、三角形等であってもよい。要するに線材２Ｌによりリング状に形成されていればその形状については特に限定されない。また、前記発光ランプ１と前記リング状遮光体２１の中心軸Ｃは必ずしも合致している必要はなく、オフセットしていてもよいし、前記リング状遮光体２１が前記発光ランプ１に対して多少傾斜して配置されていてもよい。リング状遮光体２１の大きさ、形状、配置については発光ランプ１の照射特性に合わせて適宜調節すればよい。また、複数の線材２Ｌによりリング状遮光体２１を形成する場合には、例えば光射出口３１から見た場合にリングが形成されていればよく、各線材２Ｌが接触しておらずねじれの位置等に配置されていてもよい。この場合はできるだけ各線材２Ｌを近接させたほうがよい。
【００５３】
前記各実施形態ではソーラーシミュレータ１００を太陽電池セルＷの特性評価のために用いていたが、例えば、光環境試験のために用いてもよいし、ワークとしては太陽電池セルＷだけでなく、太陽電池パネルやその他のものを照射対象としてもよい。
【００５４】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行ってもかまわない。
【符号の説明】
【００５５】
２００・・・太陽電池セル評価装置
１００・・・ソーラーシミュレータ
１    ・・・発光ランプ
２１  ・・・リング状遮光体
３    ・・・ランプハウス
３１  ・・・光射出口
Ｗ    ・・・太陽電池セル（ワーク）
Ｃ    ・・・中心軸
【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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