(57)【要約】【課題】高太陽強度及び高温（ＨＩＨＴ）環境で操作される多−接合太陽電池のスクリーニング方法を説明する。【解決手段】各太陽電池が、重なり合って積層された少なくとも２つのｐｎ−接合（２，３，６）を備え、ｐｎ−接合の１つ（６）が、均一なｐｎ−接合である。ＨＩＨＴ環境における有用性についてスクリーニングされる多数の太陽電池（１００）が提供される。所定のバイアス電流（Ｉｓｃ）で均一なｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）画像が取得される。各太陽電池において、エレクトロルミネセンス画像内の空間的強度分布が分析され、ＨＩＨＴ環境内において電力を放出する可能性がある局部的強度変化（２２）が存在するかどうかが決定される。エレクトロルミネセンス画像内に局部的強度変化（２２）を有さない太陽電池が、第１群（Ａ）に分類され、少なくとも１つの局部的強度変化（２２）を有する太陽電池が、第２群（Ｂ）に分類される。【選択図】図６
2011228702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高太陽強度及び高温（ＨＩＨＴ）環境において操作される多−接合太陽電池のスクリーニング方法であって、
前記各太陽電池が、互いに重なり合って積層された少なくとも２つのｐｎ−接合（２，３，６）を備え、
前記ｐｎ−接合の１つ（６）が、真性欠陥が存在しないとされる完全に均一なｐｎ−接合であり、
前記方法が、
ＨＩＨＴ環境における有用性についてスクリーニングされる多数の太陽電池（１００）を提供するステップと；
前記多数の太陽電池における各太陽電池において、
所定のバイアス電流（Ｉｓｃ）で前記均一なｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）画像を取得するステップ（１２０）と；
前記エレクトロルミネセンス画像内の空間的強度分布を分析するステップ（１３０）であって、ＨＩＨＴ環境内において電力を放出する可能性がある局部的強度変化（２２）が存在するかどうかを決定するステップと；
前記太陽電池を分類するステップ（１４０，１５０）であって、それらのエレクトロルミネセンス画像内に局部的強度変化（２２）を有さない太陽電池が、第１群（Ａ）の太陽電池に分類され、それらのエレクトロルミネセンス画像内に少なくとも１つの局部的強度変化（２２）を有する太陽電池が、さらなるスクリーニングのための第２群（Ｂ）の太陽電池に分類され、前記第１群（Ａ）の太陽電池が、ＨＩＨＴ環境に適しており、前記第２群（Ｂ）の太陽電池が、ＨＩＨＴ環境において危機的なものとなる可能性があるとされるステップと；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記エレクトロルミネセンス画像内の空間的強度分布を分析するステップ（１３０）が、
前記エレクトロルミネセンス画像全体またはそのサブ領域の平均強度Φａｖ及び標準偏差σを計算するステップと；
前記エレクトロルミネセンス画像の各ピクセル（ｘｙ）において、所定のピクセル内の強度Φｘｙが、しきい強度Φｔｈよりも大きいかどうかを比較するステップであって、Φｔｈ＝Φａｖ＋ｎσであり、ｎが所定の定数であるステップと；
前記強度Φｘｙが、しきい強度Φｔｈよりも大きく、互いに隣接する、局部的強度変化（２２）を形成するこれらのピクセル（ｘｙ）を指定するステップと；
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
三重接合（ＴＪ）太陽電池に対して、ｎ＝６であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エレクトロルミネセンス画像内の空間的強度分布を分析するステップ（１３０）が、画像処理システム（２０）によって実行されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記均一なｐｎ−接合（６）が、単結晶ウェハーであり、特に、ゲルマニウム（Ｇｅ）−ウェハーであり、少なくとも１つのさらなるｐｎ−接合が、前記ウェハー上に成長されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
所定の温度まで加熱されるスクリーニングプロセスの間、前記太陽電池が、温度制御板（３０）上に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記エレクトロルミネセンス画像を取得するステップ（１２０）が、約２０００ピクセル／ｃｍ２の解像度を有する及び／または約１：１００００を超える動的解像度を有する検出器（１７）を用いて実施されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記均一なｐｎ−接合（６）以外のｐｎ−接合（２，３）によって放射されたエレクトロルミネセンス放射線を遮るために、一組のフィルター（１５）が使用されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記所定のバイアス電流（Ｉｓｃ）が、前記太陽電池の短絡電流に近い順方向電流であり、前記太陽電池が、前記太陽電池の均一なｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス画像を取得するステップ（１２０）に対し十分なエレクトロルミネセンス放射線を放射し、前記バイアス電流（Ｉｓｃ）によって損傷されないことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２群（Ｂ）の太陽電池における前記太陽電池をスクリーニングするステップをさらに含み、
前記スクリーニングするステップが、
所定のバイアス電流（Ｉｓｃ）の範囲で各太陽電池の全ｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス画像を取得するステップ（３２０）と；
前記第２群（Ｂ）の太陽電池における各太陽電池において、
所定のセル操作電圧（Ｖｏｐ）で前記太陽電池が生成する電流（Ｉｏｐ）の空間的電流分布マップを形成するステップ（３３０）と；
最低値の電流（Ｉｏｐ）を有する隣接するピクセル（ｘｙ）の群またはピクセル（ｘｙ）を特定するステップ（３４０）と；
前記最低値の電流（Ｉｏｐ）に基づき、それらの前記太陽電池を、ＨＩＨＴ環境に適さない第３群（Ｃ）の太陽電池に分類するステップ（３５０，３６０，３７０）と；
を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
最低値の電流（Ｉｏｐ）を有するピクセル（ｘｙ）を特定するステップ（３４０）が、前記最低値の電流（Ｉｏｐ）が負であるか否かを決定するステップ（３４１）を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記最低値の電流（Ｉｏｐ）が、負でない場合、ＨＩＨＴ環境に適した第４群（Ｂ’）の太陽電池に、前記太陽電池を分類することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記最低値の電流（Ｉｏｐ）が、負である場合、
負のＩｏｐ値の全範囲に渡る太陽電池のサブセットを選択するステップ（３４２）と；
擬似ＨＩＨＴ環境に前記サブセットの全太陽電池を露出させるステップ（３４３）と；
電気的性能が劣化した太陽電池を決定するステップ（３４３）と；
負であるしきい電流（Ｉｔｈ）を決定するステップ（３４４）であって、前記しきい電流を上回ると電気的劣化が生じないステップと；
しきい値（Ｉｔｈ）よりも小さな操作電流（Ｉｏｐ）（Ｉｏｐ＜Ｉｔｈ）を有する太陽電池を前記第３群（Ｃ）に分類し、Ｉｏｐ＞Ｉｔｈである太陽電池を第４群（Ｂ’）に分類するステップ（３５０，３７０）を含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度及び高温環境下で操作される多−接合太陽電池のスクリーニング方法に関するものであり、各太陽電池が、互いに重なりあって積層された少なくとも２つのｐｎ−接合を備える。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、大面積デバイスであって、通常、数ｃｍの範囲にあるそれらの横方向の寸法が、数１０から１００マイクロメートルの範囲にあるそれらの厚さよりも大きな大きさ程度であることを特徴とする。高度な太陽電池の極めて多くは、多−接合配置を特徴とし、複数のｐｎ−接合が互いに重なりあって積層される。個々の接合のバンドギャップが、上端部から底部に向かって減少する。従って、各接合が、多くは、熱化損失を減少させ、結果として高効率となるスペクトルの一部のみに感応性がある。
【０００３】
典型的な実施例が、図１の断面において図示されているようなＩＩＩ−Ｖ族三重接合太陽電池である。典型的には、約１００マイクロメートルの厚さである、単結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）−ウェハー１が、成長基板として使用される。有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）によって、ＧａｌｎＰ２接合３と、トンネルダイオード，裏面電界等の複数の支持層と、が次に続くＧａＡｓ  ｐｎ−接合２が、この基板上にエピタキシャル成長する。前面金属化部４及び背面金属化部５並びに（参照符号６で示される）拡散によるＧｅ−ウェハー自体の活性化を用いることで、図１に示される構成が、電気的に３つの太陽電池の直列接続と類似する。ｐｎドーピング（上部上がｎ）の順序は関係ない。
【０００４】
太陽電池の大きな横方向の寸法のために、実際には、エピタキシャル成長が歪められた領域のない完全なＭＯＶＰＥ成長層を得ることは困難である。これらの領域は、成長欠陥と呼ばれる。多数のこれらの欠陥の電気的影響は極わずかであるが（参照符号７を参照）、参照符号８で示されたこれらのいくつかは、シャントのようなダイオードまたは抵抗として機能することが可能である。これに関連して、シャントのようなダイオードが、残りのセル領域よりも低い開回路電圧ＶＯＣを有する成長欠陥である。これらのシャントが、周囲の影響を受けないセル領域によって生成された電力を消失させる。これに対し、成長基板６は、真性欠陥を有さないと考えることが可能である。
【０００５】
所定の太陽電池内のこれらのシャントを検出するために、空間的に解像された電気特性技術（ｓｐａｔｉａｌｌｙ  ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が必要である。
【０００６】
太陽電池を局部的に特徴づけるための周知の技術が、エレクトロルミネセンスイメージングである。この方法が、図２に図示されている。太陽電池が、ある電流Ｉにおいて外部電源９で、順方向バイアスされる。例えばｐｎ−接合２である所定の接合によって放射されたエレクトロルミネセンス放射線が、例えば、適当なフィルター１１と組み合わせたＳｉまたはＩｎＧａＡｓ  ＣＣＤチップ１０である適当な検出器を用いて記録される。太陽電池上の任意の位置ｘｙ（参照符号１３を参照）において、放射されたルミネセンス強度が、局部的な接合電圧Ｖ（参照符号１２を参照）に指数関数的に依存する。この極めて感応性の高い電圧依存のために、成長欠陥の位置が、容易に特定されることが可能である。例えば、ｐｎ−接合３である、直接的には像が取得されない接合内の欠陥でさえ、電気的な直列接続により像が取得された接合内の反対のコントラストとともに現れる。直列抵抗効果が極わずかであるならばいずれにおいても、前面金属化部４と背面金属化部５との間の外部電圧Ｖが一定であるため、例えば１つの接合内の局部的な電圧の減少が、残りの接合において自動的に高い電圧を引き起こす。しかしながら、欠陥が、それらの電気的影響に従って、分類されることは不可能である。
【０００７】
それらの電気的影響に従って欠陥を分類することが可能であるＩＩＩ−Ｖ族三重接合太陽電池に対するエレクロルミネセンスイメージングに基づく測定概念が、非特許文献１に開示されている。この方法を用いて、エレクトロルミネセンス放射線が、適当なフィルターを備えた平面検出器によって空間的に解像されて記録される。これが、３つの検出器１０，１６，１７及び割り当てられたフィルター１１，１４，１５を示す図３において概略的に図示されている。全ての検出器が、太陽電池の全体の領域の像を取得する。図３におい簡易化を目的として、これらが、互いに並列に図示されている。別の方法として、１つの検出器１０，１６から、次の検出器１６，１７に太陽電池を移動させることも可能である。数個のサブセル用、すなわち、互いに重なり合って積層されたｐｎ−接合２，３，６の全体用の共通検出器を使用し、交換可能なフィルターによって１つの特定のサブセルの放出を選択することも実現可能である。
【０００８】
さらに、太陽電池が、太陽電池の短絡電流以下またはこれを上回る、異なる注入電流Ｉ１，Ｉ２，．．．，ＩＮ（参照符号１８を参照）の範囲で、順方向バイアスされる。結果として、全ての接合の結合されたエレクトロルミネセンス強度から空間的に解像された全３つのｐｎ−接合の結合電圧が、推測される。同等な単一の接合セルの局部的ダイオード特性を計算することを可能にするために、局部的電流密度もまた識別されなければならない。このため、底部セルｐｎ−接合６が、ＭＯＶＰＥによって成長されないが、単結晶Ｇｅ−ウェハーをベースとするということが利用される。そのエレクトロルミネセンス特性及びダイオード特性が、空間的に均一であると考えることが出来る。これらの状況下で、底部セルの測定されたエレクトロルミネセンス強度が、局部的電流への出力法則依存性（ｐｏｗｅｒ  ｌａｗ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ）に従い、底部セルエレクトロルミネセンス画像が、電流分布のマップとして機能する。このフレームワーク内において、セルの局部的ダイオード特性が、計算されることが可能であり、それらから、電流Ｉｏｐの量、すなわち、所定の操作条件での太陽電池上の任意の位置ｘｙ（参照符号１３を参照）において生成または放出された操作電流が、推測される。注入電流の範囲での全ての接合の高い動的解像度の画像を取得する必要があるため、データ取得時間が、数分の範囲であり、典型的には、１０から１５分の範囲である。
【０００９】
数千の太陽電池が、太陽アレイに必要とされるため、このより緻密な方法は、費用が高く、この方法で各太陽電池をスクリーニングするためには時間がかかる。他の方法として、セルを、それらの目的とする高温高強度環境に露出させ、その後、電気的性能測定が行われるセルの直接的なスクリーニングが、例えば、スクリーニングが、大気中で行われる場合に、人為的な損傷を生じさせるリスクをもたらす。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｃ．Ｇ．Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ著，「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｍａｐｐｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｕｌｔｉｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ」，ＩＥＥＥ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ  ＬＥＴＴＥＲＳ，３０巻，Ｎｏ．８，２００９年８月，８２５−８２７頁
【非特許文献２】「Ｓｏｌａｒ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  ａｎｄ  Ａｉｒ  Ｍａｓｓ  Ｚｅｒｏ  Ｓｏｌａｒ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ  Ｔａｂｌｅｓ」，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，１９９２，Ｖｏｌ．ＡＳＴＭ−Ｅ  ４９０−７３ａ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、宇宙空間で操作される多−接合太陽電池のより効果的なスクリーニング方法を提供することである。
【００１２】
この目的は、請求項１の特徴に従う方法によって解決される。好ましい実施形態が、その従属する請求項に規定されている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によると、高太陽強度及び高温（ＨＩＨＴ）環境下で操作される多−接合太陽電池のスクリーニング方法が提供され、各太陽電池が、互いに重なり合って積層された少なくとも２つのｐｎ−接合を備え、ｐｎ−接合の１つが、真性欠陥がないと考えられる均一なｐｎ−接合である。本方法が、ＨＩＨＴ環境における有用性についてスクリーニングされる多数の太陽電池にを提供するステップと；多数の太陽電池の各太陽電池に対して、所定のバイアス電流での均一なｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）画像を取得し、ＨＩＨＴ環境において電力を放出する可能性のある局部的強度変化が存在するかどうかを決定するために、エレクトロルミネセンス画像内の空間的強度分布を分析するステップと；太陽電池を分類するステップであって、それらのエレクトロルミネセンス画像内に局部的な強度変化を有さない太陽電池が、第１群の太陽電池に分類され、それらのエレクトロルミネセンス画像内に少なくとも一つの局部的な強度変化を有する太陽電池が、さらなるスクリーニングのための第２群の太陽電池に分類され、第１群の太陽電池が、ＨＩＨＴ環境に適しており、第２群の太陽電池が、ＨＩＨＴ環境内において危機的なものとなる可能性があると考えられるステップを含む。
【００１４】
本発明の方法は、約５０℃の温度であり、ＡＭ０スペクトル（非特許文献２）において詳述されているような一つの太陽の放射照度である宇宙空間内の通常の操作条件下において、局部的な成長欠陥が関連のないものであるという判断に基づいている。これに対し、高太陽強度及び高温（ＨＩＨＴ環境）を特徴とするさらに極端な環境下において、太陽電池が、局部的な過熱、すなわち、局部的ホットスポットによって電気的に破壊されうる。ＨＩＨＴ環境は、例えば、約２５０℃の温度であり、５倍のＡＭ０スペクトルであることを特徴とする。これらの環境パラメータが、例えば水星である太陽系の内惑星に対する宇宙ミッションに一般的である。破損した全ての太陽電池が、電流が放出された局部的領域を有することが発見された。上記操作条件下において、局部的に放出された電流が、局部的な温度上昇をもたらす。順に、これが、欠陥の関連パラメータを下げ、例えば、さらには大きな電流の放出とともに、開回路電圧Ｖｏｃがさらにいっそう下がる。従って、最終的には、太陽電池が、正のフィードバックループで破壊される。特に、太陽電池のサブセットが、直列に相互接続され（いわゆるセルストリング）、所望のバス電圧に達するため、太陽アレイにおいて、この方法におけるＨＩＨＴ環境下において影響を受けやすい、任意の太陽電池を除外することは必要不可欠である。従って、任意の太陽電池の損失が、全体のストリングの損失をもたらす。さらに、ホットスポットの熱的効果が、さらにいっそう深刻な結果をともなう１つの太陽アレイの絶縁不良をもたらす。
【００１５】
この知識に基づき、本発明による多−接合太陽電池のスクリーニング方法が、第１ステップにおいて、それらの太陽電池を分離するのみである単純化されたスクリーニングプロセスを使用し、均一なｐｎ−接合のそれらのエレクトロルミネセンス画像の少なくとも１つの局部的強度変化がそれらから発見され、そのような局部的強度変化が生じない。電力が局部的に放出されないため、それらのエレクトロルミネセンス画像においてそのような局部的強度変化を有さない太陽電池が、ＨＩＨＴ環境での使用に対し危機的なものとならないことが見出されている。他の太陽電池は危機的なものとなる場合があり、従って、さらに細かなスクリーニングプロセスにさらされる。結果として、大量の太陽電池のスクリーニングが、短時間で、従来技術において提示されているような擬似ＨＩＨＴ環境への露出と比較して人工的な損傷が入り込むリスクを有さずに実行されることが可能である。従って、本発明のスクリーニング方法が、費用効率が高く、時間が節約される。
【００１６】
好ましい実施形態によると、均一なｐｎ接合のエレクトロルミネセンス画像における空間的な強度分布を分析するステップが、全体のエレクトロルミネセンス画像またはそのサブ領域の平均強度Φａｖを計算し、標準偏差σを計算するステップと；エレクトロルミネセンス画像の各ピクセルｘｙに対して、このピクセルにおける強度Φｘｙが、しきい強度Φｔｈよりも大きいかどうかを比較するステップであって、Φｔｈ＝Φａｖ＋ｎσであり、ｎが、所定の定数であるステップと；及び、強度Φｘｙが、しきい強度Φｔｈよりも大きく、互いに隣接する局部的な強度変化を形成するように、それらのピクセルｘｙを指定するステップを含む。それらの高い効率のために宇宙空間において使用されることが好ましい三重接合太陽電池に対してｎ＝６が十分であることが明らかになっている。
【００１７】
さらなる好ましい実施形態によると、エレクトロルミネセンス画像内の空間的な強度分布を分析するステップが、画像処理システムによって実行される。
【００１８】
さらなる好ましい実施形態によると、均一なｐｎ−接合が、単結晶のウェハーであり、特に、ゲルマニウム（Ｇｅ）−ウェハーであり、少なくとも１つのさらなるｐｎ−接合がそれ上に成長される。少なくとも１つのさらなるｐｎ−接合の成長が、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）を用いてなされうる。
【００１９】
さらなる好ましい実施形態によると、所定温度まで加熱されるスクリーニングプロセスの間、太陽電池が、温度制御板上に配置される。原則として、スクリーニングプロセスの間に選択された温度が、関連性がない。しかしながら、スクリーニングプロセスの間においては、室温が、最も単純である。
【００２０】
さらなる好ましい実施形態によると、エレクトロルミネセンス画像の取得が、約２０００ピクセル／ｃｍ２の解像度を有し及び／または約１：１００００の動的解像度を有する検出器を用いて実施される。
【００２１】
さらなる好ましい実施形態によると、均一なｐｎ−接合以外のｐｎ−接合によって放射されたエレクトロルミネセンス放射線を遮るために、一組のフィルターが使用される。結果として、均一なｐｎ−接合によって放射されたエレクトロルミネセンス放射線のみが、検出され、処理される。これが、ある程度の局部的な電流密度である均一なｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス画像のみを取得することを可能にする。空間的な強度の局部的な強度変化を考慮した場合、少なくとも１つのさらなるｐｎ−接合におけるシャントが、検出されることが可能である。サブセルの電気的直列接続により、すなわち、ｐｎ−接合の全体により、これらが、全ての層における電流分布に影響を及ぼす。
【００２２】
さらなる好ましい実施形態によると、所定のバイアス電流が、太陽電池の短絡電流に近い順方向電流であり、太陽電池の均一なｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス画像を取得するために、太陽電池が十分なエレクトロルミネセンス放射線を放射し、これが、バイアス電流による損傷を受けない。
【００２３】
さらなる好ましい実施形態によると、スクリーニング方法が、太陽電池の第２群の太陽電池をスクリーニングするステップをさらに含む。これが、所定のバイアス電流の範囲の及び各太陽電池の全てのｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス画像を取得するステップと；第２群の太陽電池の各太陽電池に対して、太陽電池が、所定のセル操作電圧にて太陽電池が生成する電流Ｉｏｐの空間的な電流分布マップを形成し、最低値の電流を有する隣接するピクセルｘｙの群のピクセルｘｙを特定するステップと；最低値の電流に基づきＨＩＨＴ環境に適さない第３群の太陽電池にそれらの太陽電池を分類するステップをさらに含む。
【００２４】
この第２のさらなる詳細なスクリーニングステップが、スクリーニングされた太陽電池の全ｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス放射線について検討する。隣接するピクセルの群又はピクセルの電流の最低値を分析することにより、スクリーニングされた太陽電池が、ＨＩＨＴ環境に適しているか否かを決定することが可能である。
【００２５】
さらなる好ましい実施形態によると、最低値の電流を有するピクセルｘｙを特定するステップが、最低値の電流が、負であるか否かを決定するステップを含む。最低値の電流が負ではない場合、電流が放出されず、太陽電池が、ＨＩＨＴ環境に適した第４群の太陽電池に分類される。これに対し、最低値の電流が負である場合、第２スクリーニングステップが、負のｌｏｐ値の全体に渡る太陽電池のサブセットを選択し、サブセットの全太陽電池を疑似ＨＩＨＴ環境に露出させるステップと；電気的性能が劣化した太陽電池を決定するステップと；負のしきい電流であり、該しきい電流を上回る場合に電気的劣化が生じないしきい電流を決定するステップと：しきい電流ｌｔｈよりも小さな操作電流（ｌｏｐ＜ｌｔｈ）を有する太陽電池を第３群に分類し、ｌｏｐ＞ｌｔｈである太陽電池を第４群に分類するステップと、を含む。スクリーニング方法のこの最後のステップを実行した後で、各太陽電池が、ＨＩＨＴ環境に適しているか否かが確実に分類されるため、スクリーニングプロセスが終了する。
【００２６】
本発明が、添付の図面を参照することにより、さらに詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術において周知の三重−接合太陽電池を示す。
【図２】エレクトロルミネセンスイメージングによる図１に従う太陽電池を局部的に特徴付けるための測定配置を示す。
【図３】従来技術による改善された測定配置を示す。
【図４】本発明によるエレクトロルミネセンスイメージングに基づくスクリーニングプロセスを示す。
【図５】多−接合太陽電池の均一なｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス画像を示す。
【図６】高太陽強度及び高温（ＨＩＨＴ）環境に対するそれらの感応性に従う多−接合太陽電池のスクリーニングのためのさらなる測定配置を示す。
【図７】本発明によるスクリーニング方法の基礎ステップを図示した略図である。
【図８】本発明によるスクリーニングプロセスの任意的なステップを図示した略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明による多−接合太陽電池のスクリーニングプロセスが、図１を参照し既に詳細に説明された三重接合太陽電池を参照することにより説明される。しかしながら、本発明は、三重−接合太陽電池に限定されるものではないことが理解されるべきである。
【００２９】
約１００マイクロメートルの厚さの単結晶Ｇｅ−ウェハー１が、成長基板として使用される。有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）によって、ＧａｌｎＰ２  ｐｎ−接合３と、トンネルダイオード，裏面電界等の複数の支持層と、が次に続くＧａＡｓ  ｐｎ−接合２が、この基板上にエピタキシャル成長する。太陽電池の前面上において、前面金属化部４が設けられる。さらに、背面金属化部５が、太陽電池の裏面上に設けられる。Ｇｅ−ウェハー自体が、参照符号６で図示される拡散によって活性化される。この構成が、３つの太陽電池の電気的な直列接続と類似する。
【００３０】
既に説明したように、太陽電池の大きな横の寸法のために、実際上、エピタキシャル成長が歪んだ領域のないＭＯＶＰＥ成長層を完全に得ることは極めて困難である。これらの領域が、成長欠陥であり、参照符号７及び８で図示される。多くのこれらの欠陥は、電気的な影響が極わずかであるが、これらのいくつかは、シャントのようなダイオード又は抵抗として機能することが可能である。
【００３１】
スクリーニングされた三重−接合太陽電池が、例えば、約２５０℃の温度であり、５倍のＡＭ０スペクトルであることを特徴とする高太陽強度及び高温（ＨＩＨＴ）環境で操作されることが可能であるかどうかを調べるために、太陽電池の均一なｐｎ−接合６の１つのエレクトロルミネセンス画像が、所定のバイアス電流Ｉｓｃで取得される。電流Ｉｓｃが、好ましくは、太陽電池のほぼ短絡電流程度である。
【００３２】
図４が、本発明による多数の三重−接合太陽電池をスクリーニングするための基本的な配置を示す。例えばＣＣＤ−チップである検出器１７が、太陽電池の均一なｐｎ−接合６のエレクトロルミネセンス画像を取得する。検出器１７が、コンピューター２０と接続され、このコンピューター２０は、各エレクトロルミネセンス画像を分析し、さらなる試験なしに、太陽電池がＨＩＨＴ環境において使用されることが可能であるかどうか、またはさらなるスクリーニングが必要であるかを決定するためのものである。均一なｐｎ−接合６のエレクトロルミネセンス放射線のみが、検出器１７によって記録されることを確保するために、適切なフィルター１５が、その前面に設けられる。
【００３３】
実質的に局部的な電流密度のマップである、エレクトロルミネセンス画像の分析が、大きな局部的強度変化（いわゆる輝点（ｂｒｉｇｈｔ  ｓｐｏｔｓ））を示す場合、セルが、ＨＩＨＴ環境で操作された場合に、電流が放出される可能性がある。このような輝点または局部的強度変化が、図５に示されている。図５が、三重接合太陽電池の底部セル、すなわちｐｎ−接合６のサブ領域２３のエレクトロルミネセンス画像を図示する。局部的強度変化が、参照符号２２で図示されている。
【００３４】
局部的強度変化を有さない太陽電池が、典型的には大多数が、ＨＩＨＴ環境において危機的なものではない。太陽電池がＨＩＨＴに危機的であるか否かを調べるために、コンピューター２０を用いて、各エレクトロルミネセンス画像の自動的な分析が行われる。
【００３５】
局部的強度変化または輝点２２が、その最大のエレクトロルミネセンス強度があるしきい値Φｔｈを上回るという事実によって、定量的な項目で特徴付けられ、上記しきいΦｔｈが、全体の画像のまたはそのサブ領域２３の平均強度Φａｖ及び標準偏差σによって決定される：
Φｔｈ＝Φａｖ＋ｎσ
【００３６】
Ｇｅ−ウェハーをベースとした太陽電池において、ｎ＝６が適用可能である。ｎ＝６は、他の電池技術に対しても適切な値であると思われる。
【００３７】
第２の任意のスクリーニングステップにおいて、ＨＩＨＴ損傷の影響を受けやすいであろうものと特定された全ての太陽電池が、定量的な完全な特性評価を受け、放出される電流に対する所定のしきい値に基づいて分類される。少数のセルが、疑似環境負荷、すなわち、宇宙空間内のＨＩＨＴ環境に曝されるスクリーニング試験に基づいてしきい値が決定される。従って、スクリーニングプロセスが、実験的に、任意の電池技術及び任意の所定のＨＩＨＴ環境に適合されることが可能である。
【００３８】
図６が、上記の任意の第２スクリーニングステップを実施するためのスクリーニング配置を示す。図４の配置に加え、これが、さらに２つの検出器１６，１０及び適切なフィルター１４，１１を備え、付加的に、特定のｐｎ−接合２及び３の各々の放射を選択する。全ての検出器１０，１６，１７が、さらなるコンピューター５０と接続される。図示された実施例において、多−接合太陽電池のｐｎ−接合の数と対応する３つの検出器１０，１６，１７が、図示されている。検出器の数が、原則として、ｐｎ−接合の数と対応しなければならないことが理解される。これは、本発明の方法が、ｐｎ−接合の数を自由に選択する多−接合太陽電池に適用されることが可能であるためである。さらに、このスクリーニング配置が、異なる、所定のバイアス電流Ｉｓｃ１９を提供するための手段を備える。
【００３９】
スクリーニングされた太陽電池が、温度制御板３０上に配置される。測定が行われる温度に制限はない。しかしながら、室温でのスクリーニングが、最も単純である。
【００４０】
本発明のスクリーニング方法が、図７及び８を参照することによりさらに詳細に説明される。図７が、第１の基本的なスクリーニングステップに対する略図を示す。図８が、任意の第２のスクリーニングステップに対する手段を図示する。本発明によるスクリーニング方法を実施するために、太陽電池の均一なｐｎ−接合６が、真性欠陥を有さないことが必要であり、そのダイオード特性が、全体にわたって均一であると考えることが可能である。さらに、このｐｎ−接合が、順方向バイアス下で検出可能なエレクトロルミネセンス放射線を放射しなければならない。
【００４１】
最初に、（ステップ１００）ＨＩＨＴ環境における有用性についてスクリーニングされる全てのセルが、提供されなければならない。ステップ１１０において、これらが、温度制御板３０上に配置される。これらが、図６に示されるエレクトロルミネセンス測定配置において、（検出器１７の性能及びセルの大きさに応じて）連続して及び／または並列に配置されることが可能である。検出器１７の解像度に応じて、各ｐｎ−接合のエレクトロルミネセンス画像を、別々に記録するために、並列である複数のセルをスクリーニングすることが可能でありうる。典型的には、適切な検出器の解像度の値が、約２０００ピクセル／ｃｍ２である。太陽電池が、電源９に接続され、電流Ｉｓｃ（参照符号１９を参照）で順方向バイアスされる。実際上、選択された電流Ｉｓｃが、太陽電池の短絡電流に近い電流である。他の設定も可能であり、唯一の要求は、太陽電池が、一側面上で、十分なエレクトロルミネセンス放射線を放射し、過剰の電流によって損傷されないことである。
【００４２】
検出器１７、すなわち、カメラ／ＣＣＤチップによって、空間的に解像された、エレクトロルミネセンスが記録される（ステップ１２０）。カメラシステムの選択が、放射されたエレクトロルミネセンスのスペクトル範囲内において、カメラが十分な感応性を有さなければならないというという事項に基づいて決定される。図６に示された三重−接合セル内のＧｅ−サブセルに対して、ＨｇＣｄＴｅカメラが、最も適切である。さらに、理想的には１：１００００を超える高い動的解像度が有利である。他の全てのｐｎ−接合２，３によって放射されたエレクトロルミネセンス放射線を遮るために、フィルター１５又は一組のフィルターが、使用される。太陽電池内のｐｎ−接合の数に応じて、短経路の、長経路のまたはバンドパスフィルターが、必要とされる。Ｇｅ−サブセルの実施例において、１５５０ｎｍの長経路のフィルターが使用される。さらに、全体の測定配置が、全ての外部光を遮る筐体内である場合、有利でありうる。これが、図６において参照符号４０で図示されている。
【００４３】
ステップ１３０によると、コンピューター２０上の画像処理システムによって、記録された画像が自動的にまたは手動で分析される。全体の太陽電池のまたはそのサブ領域の平均画像強度Φａｖ及び標準偏差σが計算される（ステップ１３１）。画像内の各ピクセルｘｙに対して、このピクセル内の強度Φｘｙが、Φａｖ＋ｎσによって与えられるしきい値Φｔｈを上回るかどうかの比較が行われる（ステップ１３２）。一般的には、特にＧｅ−ベースの三重−接合セルの場合、ｎ＝６が、適切である。この要求を満たし、互いに隣接して配置される全てのピクセルが、局部的強度変化である、いわゆる“輝点”と呼ばれる１つのサブアセンブリを形成する（ステップ１３３）。少なくとも１つの輝点を特徴とする太陽電池が、ＨＩＨＴ環境において危機的なものとなる可能性があるＢ群のセルに分類される（ステップ１４０）。他のセルが、Ａ群に分類される。これらの太陽電池が、いずれのＨＩＨＴ環境において危機的なものではない（ステップ１５０）。
【００４４】
図８が、ＨＩＨＴ環境において危機的なものとなる可能性があるこれらの太陽電池に対する任意の第２スクリーニングステップを示す。従って、Ｂ群のこれらの太陽電池のみが、さらにスクリーニングされる（ステップ３００）。この測定配置において、全ての残りのｐｎ−接合及び適切なフィルター１１，１４に対する付加的な検出器１０，１６が使用される。検出器のスペクトル感度に応じて、任意の所定のｐｎ−接合の放射が、全ての残りの接合の放射を遮るフィルターの適切な選択によって分離される限り、同じ検出器が、異なるｐｎ−接合に対して使用されうる。太陽電池が、全ての検出器１０，１６，１７の視界内にあり、または１つの検出器から次に移動されうる。検出器１０，１６が、例えば、１：１００００を超える高い動的解像度を有していなければならない。中間のセル２としてＧａＡｓ及び上端のセル３としてのＧａＩｎＰ２を備えた三重−接合セルに対して、１６ビットＳｉ  ＣＣＤカメラを共に備えた８００ｎｍの長経路フィルター及び７００ｎｍに切断された短経路フィルターが使用される。
【００４５】
電流１８、すなわち、Ｉ１，Ｉ２，．．．，ＩＮの範囲にてセルを自動的に順方向バイアスし、所定の操作電圧で太陽電池によって生成される電流の空間的な分布マップを形成するために、コンピューター５０が使用される。詳細な手段が、参照により組み込まれる非特許文献１に概説されている。
【００４６】
ステップ３１０によると、Ｂ群の太陽電池が、測定システム内に配置され、注入電流の範囲で全てのｐｎ−接合の画像が、取得される（ステップ３２０）。ステップ３３０に従い、太陽電池の所定の操作電圧での電流Ｉｏｐのマップが、自動的にまたは手動で計算される。各太陽電池において、最低値のＩｏｐを有する隣接するピクセルまたはピクセルｘｙ（すなわち、Ｉｏｐマップの基本ユニット）が特定される（ステップ３４０）。電流が放出されず、この結果、これらのセルが、ＨＩＨＴ環境に対して感応性を示さないため、負のＩｏｐ値が存在しない太陽電池が、すぐにスクリーニングから除外される（ステップ３４１）。これらの分類は任意のステップである。
【００４７】
広い範囲の負のＩｏｐ値を特徴とする太陽電池のサブセットが選択され（ステップ３４２）、関連する特定のＨＩＨＴ環境に露出される（ステップ３４３）。これらのセルから、しきい値Ｉｔｈが決定され、しきい電流Ｉｔｈ（Ｉｔｈ＜０）より低い場合は劣化し、一方、Ｉｔｈよりも大きい場合、これらが影響を受けないことを特徴とする。このしきい値が決定された後、Ｉｏｐ＜Ｉｔｈである任意のピクセルが存在するかどうか、Ｂ群の全ての（残りの）太陽電池が検査される。このステップが、コンピューター５０によって自動的に実施される。これらのセルが、Ｃ群を形成し（ステップ３５０）、特定のＨＩＨＴ環境内で機能しなくなる（ステップ３６０）。ステップ３７０に従い、Ｂ群（Ｂ’群）の全ての他のセルが、所定のＨＩＨＴ環境内で使用されることが可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  ウェハー
２，３  ｐｎ−接合
４  前面金属化部
５  背面金属化部
６  拡散領域
７  電気的影響が極わずかである欠陥
８  電気的影響のある欠陥
９  電源
１０，１６，１７  検出器
１１，１４，１５  フィルター
１２  接合電圧
１３  ｘｙ−位置
１８  注入電流
１９  電流Ｉｓｃ
２０，５０  コンピューター
２２  局部的強度変化
２３  画像
３０  温度制御板
４０  筐体
１００，１１０，１２０，１３０，１３１，１３２，１３３，１４０，１５０，３００，３１０，３２０，３３０，３４０，３４１，３４２，３４３，３４４，３５０，３６０，３７０  ステップ
【図１】
2011228702.tif 000003
【図２】
2011228702.tif 000004
【図３】
2011228702.tif 000005
【図４】
2011228702.tif 000006
【図５】
2011228702.tif 000007
【図６】
2011228702.tif 000008
【図７】
2011228702.tif 000009
【図８】
2011228702.tif 000010
【外国語明細書】
2011228702.tif 000011
2011228702.tif 000012
2011228702.tif 000013
2011228702.tif 000014
2011228702.tif 000015
2011228702.tif 000016
2011228702.tif 000017
2011228702.tif 000018
2011228702.tif 000019
2011228702.tif 000020
2011228702.tif 000021
2011228702.tif 000022
2011228702.tif 000023
2011228702.tif 000024
2011228702.tif 000025
2011228702.tif 000026
2011228702.tif 000027
2011228702.tif 000028
2011228702.tif 000029
2011228702.tif 000030
2011228702.tif 000031
2011228702.tif 000032
2011228702.tif 000033
2011228702.tif 000034
2011228702.tif 000035
2011228702.tif 000036
2011228702.tif 000037
2011228702.tif 000038
2011228702.tif 000039
2011228702.tif 000040