(57)【要約】【課題】直列接続構造セルのモデルを自動的に生成しその解析を専門知識がなくても正確に扱うことができ、電位分布（電圧降下）から電流電圧特性の低下の度合いを実用的な時間で正確に予測することができる太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置を提供する。【解決手段】直列接続構造セルの有限要素法モデルを自動的に構築する有限要素法解析モデル構築装置10と、構築された解析モデルに対して荷重を与えて電位分布を計算する有限要素法解析演算装置20と、解析結果を受け取ると共に評価しその結果を画面表示する有限要素法解析結果評価装置30と、から構成される。【選択図】図１
2011243936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
あらかじめ実測された小面積単独セルの電流電圧特性から大面積の直列接続構造セルの特性を予測する太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置において、
集電ホールや直列ホール並びに透明電極や裏面電極などの形状パラメータ及び材料物性を定義するデータ記憶手段と、
該データ記憶手段に記憶された前記形状パラメータ及び材料物性を読込んで直列接続構造セルの電気抵抗を考慮した有限要素法モデルを自動的に構築する解析モデル構築手段と、
最初に計算する電圧での電流を、あらかじめ実測された前記小面積単独セルの電流電圧特性に基づいて求め、前記電流を電流荷重に設定して透明電極及び裏面電極の電位分布を計算し、該透明電極及び裏面電極間の電位分布の差とあらかじめ実測された前記小面積単独セルの電流電圧特性に基づいて前記電流荷重を修正した上で再設定して電位分布を再計算し、これを電位分布が収束するまで繰り返し計算する解析演算手段と、
該解析演算手段により収束した計算結果から大面積の直列接続構造セルとして所望の電流電圧特性を示すパターンであるかを評価する評価手段と、
を備えることを特徴とする太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項２】
前記解析演算手段は、最初に計算する電圧での電流を、あらかじめ実測された前記小面積単独セルの電流電圧特性に基づいて求め、前記電流を電流荷重に設定して透明電極及び裏面電極の電位分布を計算し、該透明電極及び裏面電極間の電位分布の差とあらかじめ実測された前記小面積単独セルの電流電圧特性に基づいて前記電流荷重を修正した上で再設定して電位分布を再計算し、これを総電流が収束するまで繰り返し計算することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項３】
前記解析モデル構築手段により構築される有限要素法モデルが、SCAF構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項４】
前記解析演算手段が電流荷重を設定する有限要素法モデルの電極を、透明電極と、該透明電極に直列接続される隣のユニットセルの裏面電極とし、この電極間に電流荷重を設定して１ユニットセル分の計算を行うことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項５】
前記解析モデル構築手段は、前記データ記憶手段に記憶された形状パラメータ・材料物性データを読込む形状パラメータ・材料物性データ読込部と、
読込まれた前記形状パラメータから、集電ホール及び直列ホールについての半径、仮想深さ、行数、基準位置、ピッチ、個数、および、メッシュを形成し、有限要素法解析モデルとしてのホール形状・メッシュを形成するホール形状・メッシュ形成部と、
読込まれた前記形状パラメータ・材料物性データから、透明電極、裏面電極などの物性に関する抵抗率、前記集電ホールについての方向別の抵抗率、および、透明電極、裏面電極などについてのメッシュを形成し、有限要素法解析モデルとしての電極形状・メッシュを形成する電極形状・メッシュ形成部と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項６】
前記解析演算手段は、あらかじめ実測された前記小面積セルの電流電圧特性データを読み込む電流電圧特性データ読込部と、
前記解析モデル構築手段により形成され、記憶された解析モデルデータから透明電極、裏面電極の節点番号データにおける透明電極-裏面電極間の初期値電位差を取得するとともに、前記節点番号データに対して与えるべき所定の電圧を前記電流電圧特性データ読込部により読込まれた小面積セルの電流電圧特性データから読み取って該節点に与え、該節点に対応する透明電極、裏面電極における前記節点の受け持つ面積データを基に電流密度を計算し、これを基に一様な電流密度になるように節点ごと全ての節点に電流を設定し、これに荷重を与えて初期値における電位分布を計算する電位分布FEM解析初期値計算部と、
前記解析モデル構築手段により形成され、記憶された解析モデルデータから透明電極、裏面電極上の全ての節点番号データにおける透明電極-裏面電極間の電位差を取得し、前記電流電圧特性データ読込部により読込まれた小面積セルの電流電圧特性データから求められる電流を該節点全てに与え、電位分布を再計算し、この電位分布計算を行った後で電位分布に変動が有るかをチェックして電位変動が有れば該電位変動が無くなるまで計算を繰り返す電位分布FEM解析収束計算部と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項７】
前記電位分布FEM解析収束計算部は、前記解析モデル構築手段により形成され、記憶された解析モデルデータから透明電極、裏面電極上の全ての節点番号データにおける透明電極-裏面電極間の電位差を取得し、前記電流電圧特性データ読込部により読込まれた小面積セルの電流電圧特性データから求められる電流を該節点全てに与え、電位分布を再計算し、この電位分布計算を行った後で電位分布に変動が有るかをチェックし、総電流に変化が無くなるまで計算を繰り返すことを特徴とする請求項６に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項８】
前記解析演算手段は、前記解析モデル構築手段が構築した有限要素法モデルについて、前記透明電極と前記裏面電極上の全面、または、任意の範囲で、若しくは、任意の線上、或いは任意の点で、仮想抵抗を設定し、該仮想抵抗を流れるリーク電流を電位分布FEM解析に含めて計算することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項９】
前記解析演算手段は、前記解析モデル構築手段が構築した有限要素法モデルについて、前記透明電極と前記裏面電極のホールを含む輪郭を形成する線上又はその近傍で仮想抵抗を設定し、該仮想抵抗を流れるリーク電流を電位分布FEM解析に含めて計算することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置。
【請求項１０】
前記請求項１ないし９のいずれかに記載の太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置により構築された有限要素法モデルおよび該有限要素法モデルを基に大面積の直列接続構造セルとして所望の電流電圧特性を示すパターンを用いて製作された太陽電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有限要素法を用いて作成された太陽電池セルの解析モデルを解析し評価を行って直列接続構造を有する太陽電池の製作に資する太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は、光が入射する側にインジウム酸化物（ITO）などの透明電極が存在し、反射する側に金属の裏面電極が存在する。そして透明電極側から光電変換を行う半導体膜に光を導き、光電変換して裏面電極側から電力を得るように構成している（特許文献１参照）。この場合、透明電極と裏面電極を含めた各部の配線抵抗によって、電圧降下が発生し、単独の試験片である小面積セルの測定で得られた特性より効率が低下するのが通例である。そのため、集積回路などの電子デバイスの製作と同様にパターンを形成して複数ユニットセルの直列接続を行うような構造では、その低下の度合いを事前に把握して、パターンを設計することが必要不可欠である。特に、下記非特許文献１に示される、SCAF(Series Connection through Apertures formed on Film)構造のように、前述の透明電極および裏面電極に加えさらに配線用の背面電極やスルーホールが存在すると、パターンを設計する自由度が多くなり、製品化する前に効率の低下の度合いを事前に把握することが重要となる。
【０００３】
このような場合、従来は、簡略化した回路網モデルをパターンに合わせて独自に構築し、その回路網モデルについて簡易的計算を行って最大電力、曲線因子（FF：Fill Factor）などを求めていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−９８９７５号公報（図５）
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】桜井正博、酒井俊明「アモルファスシリコン太陽電池の現状と開発動向」雑誌“富士時報”Vol.78,No.6,2005年,pp.29-33（pp.30、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の簡略化した回路網モデルでは、配線やスルーホールなどを簡単な抵抗に置き換えて計算を行うため、スルーホール形状やその配置、さらに電極形状の細部などが特性に与える影響を正確に計算することが難しいという課題があった。また、スルーホールや電極の形状が変わると、回路網モデルを作り直す必要がある上、簡略化計算を行うために多くの新しい仮定が入り込んでしまうため、特性に与える影響を正確に計算することがより難しくなってしまうという課題があった。
【０００７】
一方、集積回路などの電子デバイス設計の分野では、マスクＣＡＤなどと連携し、パターンを正確に考慮する配線抵抗自動解析ソフトなどが市販されている。しかし電子デバイス設計分野の配線抵抗自動解析ソフトは、太陽電池における発電の根幹をなす電池をモデル化したり、配線パターンそのものから電流が面で発生するようなことまでは想定しておらず、太陽電池の特性解析に応用することができなかった。
【０００８】
その一方、市販されている汎用有限要素法ソフトを用い、直列接続構造の形状モデルを作って電流解析を行えば、詳細な形状を考慮した電位分布（電圧降下）も計算できるようにはなる。しかし、（イ）前述の回路網モデルと同様、パターンが変わるごとに直列接続構造モデルを構築し直す必要がある上、パターン設計の現場などで専門技能が無い者が簡単に使えるようにはなっていない。更に、（ロ）有限要素法ソフトを使用して構築した直列接続構造の形状モデルの電極部に定電流を設定して、配線抵抗による電位分布（電圧降下）の計算結果が得られたとしても、電位分布があるということは発電している電流がそもそも一定でない（設定より少ない）ことを示し、その計算結果は所詮第1次近似に止まるものでしかない。
【０００９】
これに対して、有限要素法ソフトを使って、更に収束計算を行うことが考えられるが、たとえば図５(a)に示すように多数並んだ直列接続構造セルの全てをモデリングした上で、数十〜数百回の繰り返し計算を行わなければならず、これでは解析時間の面から現実的でない。そこで多数並んだ直列接続構造から１ユニットセルを切り出してモデル化し、それについて解析を試みることが考えられるが、その場合、切断部に境界条件を定義する必要がある。しかし、図５(a)に示すような直列接続構造セルの場合、配線自体のどこを切断しようともそこは電流が流れる場所であって、本来解析したい電流や電位を境界条件として定義することは自家撞着となる。
【００１０】
そこで本発明の課題は、直列接続構造セルのモデルを自動的に生成しその解析を専門知識がなくても正確に扱うことができ、電位分布（電圧降下）から電流電圧特性の低下の度合いを実用的な時間で正確に予測することができる太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明は、あらかじめ実測された小面積単独セルの電流電圧特性から大面積の直列接続構造セルの特性を予測する太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置において、集電ホールや直列ホール並びに透明電極や裏面電極などの形状パラメータ及び材料物性を定義するデータ記憶手段と、該データ記憶手段に記憶された前記形状パラメータ及び材料物性を読込んで直列接続構造セルの電気抵抗を考慮した有限要素法モデルを自動的に構築する解析モデル構築手段と、最初に計算する電圧での電流を、あらかじめ実測された前記小面積単独セルの電流電圧特性に基づいて求め、前記電流を電流荷重に設定して透明電極及び裏面電極の電位分布を計算し、該透明電極及び裏面電極間の電位分布の差とあらかじめ実測された前記小面積単独セルの電流電圧特性に基づいて前記電流荷重を修正した上で再設定して電位分布を再計算し、これを電位分布が収束するまで繰り返し計算する解析演算手段と、該解析演算手段により収束した計算結果から大面積の直列接続構造セルとして所望の電流電圧特性を示すパターンであるかを評価する評価手段と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記解析モデル構築手段により構築される有限要素法モデルが、SCAF構造であることを特徴とし、さらに前記解析演算手段が電流荷重を設定する有限要素法モデルの電極を、透明電極と、該透明電極に直列接続される隣のユニットセルの裏面電極とし、この電極間に電流荷重を設定して１ユニットセル分の計算を行うことを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、前記解析演算手段が、前記透明電極と前記裏面電極の間に、全面、または、任意の範囲、若しくは、任意の点、或いは、ホールを含む輪郭を形成する線上又はその近傍で、仮想抵抗を設定し、該仮想抵抗を流れるリーク電流を電位分布FEM解析に含めて計算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、形状パラメータを記述してそれを用いるだけで有限要素法モデルを自動的に構築するので、簡単に形状を変更でき、多数のモデルを作ってその中から大面積の直列接続構造セルとして所望の電流電圧特性を示すパターンであるかを評価することができる。更に、有限要素法解析に精通した技術者でなくとも簡単に扱える。
【００１５】
また本発明によれば、与えた電流電圧特性と、解析で得られた電圧降下に基づいて、発生する電流を修正しながら電位分布が収束するまで計算を繰り返すので、直列接続構造セルにする場合の電流電圧特性の低下の度合いを正確に把握できる。その場合、計算は、切り出した１ユニットセル分で良いので、有限要素法解析を導入しても、実用的な時間で解析・評価を実現することができる。
【００１６】
また本発明によれば、有限要素法モデルを基に大面積の直列接続構造セルとして所望の電流電圧特性を示すパターンであるかの評価を短時間で行えるようになり、太陽電池セルの開発スピードを大幅に向上させることができる。
【００１７】
また本発明によれば、形状に依存したリーク電流を考慮できるので、理想的な場合だけでなく、より現実に近い設計検討を行うことができるため、試作回数を削減でき、製品の開発期間も短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明にかかる形状データの定義例及び材料物性データの設定例を示す図である。
【図３】図１に示した有限要素法解析モデル構築装置で実行するモデル作成手順を示す図である。
【図４】図１に示した有限要素法解析演算装置で実行する電位分布解析手順（その１）を示す図である。
【図５】本発明にかかる直列接続構造セルの有限要素法モデルの概念（その１）を説明するための図である。
【図６】図１に示した有限要素法解析モデル構築装置で構築された有限要素法モデルの例（その１）を示す図である。
【図７】本発明にかかる直列接続構造（SCAF構造）の詳細構造を示す図である。
【図８】図１に示した有限要素法解析演算装置の電位分布解析に用いられる小面積セル実測値から得られた入力データの例を示す図である。
【図９】図１に示した有限要素法解析演算装置によって得られた収束前の電位分布の様子（コンター表示）を示す図である。
【図１０】図１に示した有限要素法解析演算装置によって得られた収束後の電位分布の様子（コンター表示）を示す図である。
【図１１】図１に示した有限要素法解析モデル構築装置で構築された有限要素法モデルの例（その２）を示す図である。
【図１２】図１に示した有限要素法解析結果評価装置によって評価されたSCAF構造セルの電流電圧特性と実際のSCAF構造セルの電流電圧特性実測値との比較例を示す図である。
【図１３】本発明にかかる直列接続構造セルの有限要素法モデルの概念（その２）を説明するための図である。
【図１４】図１に示した有限要素法解析演算装置で実行する電位分布解析手順（その２）を示す図である。
【図１５】図６に示された有限要素法モデル(その１)を用いて解析したリーク無し及びリーク有りを考慮した各IV特性の解析結果を示す図である。
【図１６】図１１に示された有限要素法モデル(その２)を用いてリーク考慮無し及びリーク考慮有りを基に計算した集電ホール数と出力（効率）の解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置の構成を示す機能ブロック図である。なお図１において実線は処理の流れを、また鎖線は情報の流れを示している。図１に示す本発明の実施形態に係る太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置は、大きく分けて、直列接続構造セルの有限要素法モデルを自動的に構築する有限要素法解析モデル構築装置10と、構築された解析モデルに対して荷重を与えて電位分布を計算する有限要素法解析演算装置20と、解析結果を受け取ると共に評価しその結果を画面表示する有限要素法解析結果評価装置30と、からなる。
【００２０】
有限要素法モデルを自動的に構築する有限要素法解析モデル構築装置10は、基本的には汎用の有限要素法ソフトなどを実装したプリプロセッサと、これを駆動するマクロプログラムとの組み合わせによって構成されるが、有限要素法解析モデルを構築する１つのオリジナルプログラムをコンピュータハードウェアのメモリに実装して構成してもよい。なおコンピュータハードウェアは、当業者に既知のものであって、例えばＣＰＵ、メモリ、入力装置、出力装置、各種インターフェースなどを備えており、上記のプログラムはメモリに格納され、モデル構築のための処理はＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを用いて実行し、その結果をメモリや出力装置に出力する。
【００２１】
すなわち有限要素法解析モデル構築装置10は、入力処理部11と、形状パラメータ・材料物性データ読込部12と、集電ホール及び直列ホールについてのホール形状・メッシュ形成部13と、透明電極、背面電極及び裏面電極についての電極形状・メッシュ形成部14と、で構成されている。集電ホール及び直列ホール、並びに透明電極、背面電極及び裏面電極、さらにメッシュ形状については図６などでくわしく説明される。
【００２２】
入力処理部11は、この装置を利用するユーザによる起動操作を受けてこの装置を立ち上げる処理を実行する。形状パラメータ・材料物性データ読込部12は、有限要素法モデルを構築するためにあらかじめ定義されてモデルデータ記憶部2に記憶された形状パラメータ・材料物性データをモデルデータ記憶部2から読込む。図２（ａ）は、モデルデータ記憶部2に記憶された本発明にかかる形状データの定義例を示すもので、集電ホール及び直列ホールについて、その半径、仮想深さ、行数、１行目の基準位置並びにピッチ、個数などが定義される。図２（ｂ）は、モデルデータ記憶部2に記憶された本発明にかかる材料物性データの設定例を示もので、透明電極、背面電極及び裏面電極などの物性に関する抵抗率や集電ホールにおけるx、y方向別の抵抗率などが設定・定義される。
【００２３】
ホール形状・メッシュ形成部13、および、電極形状・メッシュ形成部14は、例えばSCAF構造（後で詳しく説明する）に必要なホール形状、メッシュ形状などを自動的に作成して有限要素法解析モデルを形成する。これについては後述する。そして形成された有限要素法解析モデルを形成データ記憶部3に記憶する。
【００２４】
次に有限要素法解析演算装置20は、有限要素法解析モデル構築装置10と同様に、基本的には汎用の有限要素法ソフトなどを実装したソルバーと、これを駆動するマクロプログラムとの組み合わせによって構成されるが、有限要素法解析演算を実行する１つのオリジナルプログラムをコンピュータハードウェアのメモリに実装して構成してもよい。なおコンピュータハードウェアは、当業者に既知のものであって、例えばＣＰＵ、メモリ、入力装置、出力装置、各種インターフェースなどを備えており、上記のプログラムはメモリに格納され、モデル構築のための処理はＣＰＵがメモリに格納されたプログラムを用いて実行し、その結果をメモリや出力装置に出力する。
【００２５】
すなわち有限要素法解析演算装置20は、IV特性（電流電圧特性）データ読込部21と、電位分布FEM解析初期値計算部22と、電位分布FEM解析収束計算部23と、で構成されている。なおFEMは、Finite Element Modelの略で、有限要素法モデルを意味するものである。
【００２６】
IV特性データ読込部21は、実測データ記憶部4に記憶された、あらかじめ実測された小面積セルのIV特性データを読み込む。電位分布FEM解析初期値計算部22は、形成データ記憶部3に記憶された解析モデルについての形成データに対し、透明電極-裏面電極間の電位差（電圧降下）ΔVn(但しnは特定節点)=0、即ち電極配線による電圧降下無しとして、IV特性データ読込部21により読込まれた小面積セルのIV特性データから、電池に与えた電圧Vでの透明電極、裏面電極における電流密度Jを計算し、これを基に一様な電流密度Jになるように当該節点の受け持つ面積データSnを基に節点nごとに電流Inを設定し、これに荷重を与えて初期値における電位分布を計算する。電位分布FEM解析に当っては形成データ記憶部3に記憶された解析モデルのすべての形状データを参酌する。これについては後述する。なお節点とは、FEM（有限要素法）で解析対象の領域を要素に分割したとき、この各要素内の値を代表させるために定義した点のことである。
【００２７】
また電位分布FEM解析収束計算部23は、解析モデルについての形成データから透明電極、裏面電極の節点番号データにおける透明電極-裏面電極間の電位差ΔVn(但しnは特定節点)を取得し、IV特性データ読込部21により読込まれた小面積セルのIV特性データを用いて、透明電極、裏面電極の電圧V+ΔVnにおける電流密度Jnを計算し、さらに電流密度Jnになるように当該節点の受け持つ面積データSnを基に節点nごとに電流Inを設定し、電位分布を再計算する。電位分布FEM解析に当っては形成データ記憶部3に記憶された解析モデルのすべての形状データを参酌する。そして再計算された電位分布の変動有無をチェックして電位変動が無くなるまで計算を繰り返し、その変動が無くなったところで電位分布FEM解析を終了し、その時点における解析結果を解析結果データ記憶部5に記憶する。これについては後述する。なお、上記収束計算は、総電流に変化が無くなるまで計算を繰り返すようにしても良い。
【００２８】
次に有限要素法解析結果評価装置30は、有限要素法解析演算装置20が解析した結果を評価し、評価した結果を画面表示するものである。すなわち有限要素法解析結果評価装置30は、評価部31と、解析結果画面表示部32と、で構成されている。
【００２９】
評価部31は、解析結果データ記憶部5に記憶された有限要素法解析演算装置20の解析結果データを受け取り、それを評価する。評価にあたっては、同じく解析結果データ記憶部5に記憶された解析結果データを受け取り画面に表示する解析結果画面表示部32を見ながら評価する。有限要素法解析モデル構築装置10を使用して形状の異なる有限要素法モデル（パターン）を作成し、形状変更した有限要素法解析モデルについて有限要素法解析演算装置20を使用して実用的な解析時間で解析し、そうして得た多数のモデルの中から大面積の直列接続構造セルとして所望の電流電圧特性を示すパターンであるかを評価する。なお最終的な評価は評価部31で評価したパターンに基づいて実際に太陽電池が製作可能であるかを検証し、さらに実際に製作した太陽電池セルの特性を実測しその上で予測したとおりの特性かを確認することも必要となってくる。
【００３０】
なお上記の説明では図１に示した有限要素法解析モデル構築装置10、有限要素法解析演算装置20、有限要素法解析結果評価装置30は、それぞれが独立した構成体のように記述されているが、実際には一つのコンピュータ上に実現されているものである。またモデルデータ記憶部2、形成データ記憶部3、実測データ記憶部4、解析結果データ記憶部5、評価データ記憶部6についてもそれぞれが独立した構成体のように記述されているが、実際には一つのコンピュータハードウェア資源である一つのメモリ上に構成してもよい。
【００３１】
次に図３を用いて、有限要素法モデルを自動的に構築する有限要素法解析モデル構築装置10によるモデル作成手順を、SCAF構造セルを例に説明する。図３においては、ステップを“S”と略記する。モデル作成手順の開始により、まず形状パラメータを上述のモデルデータ記憶部2から読込む（ステップS11）。次に材料物性データ、例えば上述の抵抗率、を同じく上述のモデルデータ記憶部2から読込む（ステップS12）。そのあとで、まず上記形状パラメータについて定義したモデルの集電ホール形状及びメッシュ形成を行う（ステップS13）。メッシュ形成は汎用の有限要素法ソフトを用いる解析では通常に実施される手法であるのでその説明を省く。以下のステップにおいても同様である。次いで上記形状パラメータについて定義したモデルの集電ホール数にしたがって必要数をコピーする（ステップS14）。
【００３２】
同様に、直列ホール形状及びメッシュ形成（ステップS15）と、上記形状パラメータについて定義したモデルの直列ホール数にしたがって必要数コピー（ステップS16）を行う。
【００３３】
次に、透明電極形状の作成（孔あけ位置の設定）を行う（ステップS17）。そして作成された形状にしたがって透明電極のメッシュ分割を行う（ステップS18）。この場合において、透明電極上の節点nの分担面積をSnとする（図５（ｂ）参照）。同様に、背面電極形状の作成（孔あけ位置の設定）を行う（ステップS19）。そして作成された形状にしたがって背面電極のメッシュ分割を行う（ステップS20）。最後に、裏面電極形状の作成（孔あけ位置の設定）を行う（ステップS21）。さらに作成された裏面電極形状に対して透明電極のメッシュを複写する（ステップS22）。以上により、有限要素法モデルの自動作成処理を終了する。
【００３４】
このように、有限要素法解析モデル構築装置10内に予め図３に示すようなモデル作成手順を組み込んでおくことで、モデル構築を自動的に行うことができる。
図３に示すようなモデル作成手順を組み込んで有限要素法モデルを自動生成する場合には、本実施形態における解析単位としてのセル（ユニットセル）の切り出しを、図５(ａ)に示す従来手法と異なり、図５(ｂ)に示す手法により行う。すなわち、無限に続く直列接続構造を仮定すれば、１ユニットセルにおける透明電極および裏面電極のそれぞれの電位分布は、全ユニットセルでそれぞれ同じものとなる。これによって、図５(ａ)に示すような、透明電極直下の裏面電極をモデリングしなくても電池の両端の電位差が求められる。すなわち従来例のように切断部に境界条件を無理やり設定しなくても、図５(ｂ)に示すような１ユニットセル分を切り出してFEM解析を行うことが可能になる。ただし、無限に続くと仮定した直列接続の中の1つであるので、絶対的な電位が決まらないため、どこか1点に固定電位を設定する必要がある。なお、計算を簡単にするためには、透明電極のメッシュと裏面電極のメッシュを同じにしておくことが望ましい。
【００３５】
次に図４を用いて、荷重を与えて電位分布を繰り返し計算する有限要素法解析演算装置20の電位分布解析手順（その１）を説明する。図４においては、ステップを“S”と略記する。電位分布解析手順の開始により、形成データ記憶部3に記憶された解析モデルについての形成データに対し、透明電極-裏面電極間の電位差（電圧降下）ΔVn(但しnは特定節点)=0、即ち電極配線による電圧降下無しとして、IV特性データ読込部21により読込まれた小面積セルのIV特性データから、電池に与えた電圧Vでの透明電極、裏面電極における電流密度J(= f(V))を計算する（ステップS31）。そして、一様な電流密度Jになるように当該節点の受け持つ面積データSnを基に節点nごとに電流In(In= J * Sn、又は、In’= -J * Sn )を設定する（ステップS32）。そうして形状データ記憶部3に記憶された全形状データに対して電位分布FEM解析を実行する（ステップS33）。電位分布解析の際、電池から発生する電流を、荷重として有限要素法モデルの透明電極と裏面電極に与える。そして、電池は、微小面積Snごとに独立している（電池内部で隣の微小電池に電流が流れない）と仮定すれば、その微小面積Snごとに電池に流れ込む電流と流れ出す電流は同じであるので、透明電極と裏面電極は、同じ電流分布に設定することができる（ただし、符号は逆となる）。
【００３６】
次にステップS34では、節点nごとに透明電極-裏面電極間の電位差ΔVnを取得する。そうして節点nごとに小面積セルのIV特性から電圧V+ΔVnでの電流密度Jn(= f(V+ΔVn))を計算する（ステップS35）。さらにその電流密度Jnになるように当該節点の受け持つ面積データSnを基に節点nごとに電流In(In= Jn * Sn 又はIn’= -Jn * Sn )を設定する（ステップS36）。そうして形状データ記憶部3に記憶された全形状データに対して電位分布FEM解析を実行する（ステップS37）。次にステップS38では、ステップS37における電位分布FEM解析を行ったあとでさらに電位分布に変動が有るか否かをチェックする。
【００３７】
電位分布に変動が有る場合には、ステップS34に戻り、ステップS34〜ステップS37を電位分布に変動が無くなるまで繰り返す。一方、電位分布に変動が無くなった場合には、小面積セルのIV特性上の電圧Vにおける一連の計算を終了する。そしてここには図示していないが、小面積セルのIV特性上での電圧Vの位置を変えて、すなわち電圧Vを変化させながら、図４に示す一連の処理をさらに続けることとなる。このようにして有限要素法解析演算装置20では、電圧Vを変化させながら図４に示す一連の処理をループ計算によって繰り返し行って、直列接続構造セルの電流電圧特性を解析する。解析した結果の一例を図１２の黒四角でプロットした点をトレースした実線カーブにより示す。因みに図１２の黒菱形でプロットした点をトレースした実線カーブは、上述した初期値（透明電極-裏面電極間の電位差ΔVn=0)における電流電圧特性を示している。なお電流電圧特性が得られれば、最大電力や曲線因子(FF：Fill Factor)や効率などを適宜計算により求めることができる。
【００３８】
上記において図４に示す処理は、電位分布の変動が無くなったときに収束判定を行う説明であるが、電流分布、或は、特定位置の電位や電流などで収束を判定するようにしてもよい。
【００３９】
図５は、本発明にかかる直列接続構造セルの有限要素法モデルの概念を説明するための図（その１）である。そして図５(ａ)は、透明電極51上の微小面積Snと裏面電極55上の微小面積Sn’との間で光電作用により生成される電池57を多数備えるユニットセルを直列接続配線58で直列に接続した直列接続構造モデルの模式図を示すものである。この模式図に示されるユニットセルは3個であるが、実際には数十個並んでいるのであって、それを全てモデル化して数十〜数百回の繰り返し計算を行って解析することは、膨大な時間を要するので、余り現実的な手法とは云えない。
【００４０】
一方、図５(ｂ)は、図５(ａ)に示される直列接続構造モデルの模式図において、有限要素法解析を行うためのモデルとして、直列接続が無限に続くと仮定したうえであるユニットセルの透明電極51からその隣のユニットセルの裏面電極55までを解析モデルの１ユニットセルとして切り出し、これを基に１ユニットセル分の計算を行う模式図を示すものである。なお、図５(ａ)および図５(ｂ)において、透明電極(陽極側)51上の微小面積をSn、電流密度をJn、おなじく裏面電極(陰極側)55上の微小面積をSn’、電流密度を -Jn’を想定し、この部分が起電力（電池57）に寄与するものとしている。
【００４１】
図６は、図１に示した有限要素法解析モデル構築装置10で構築された有限要素法モデルの例（その１）を示す図である。図６は、左部に示した１ユニットセルモデルから一部を拡大して右部に示したものである。透明電極51と隣の裏面電極55との直列接続は、透明電極51から集電ホール52を介し背面電極53に、そして背面電極53から直列ホール54を介して隣の裏面電極55に接続される構成になっている。なおこの有限要素法モデルの例（その１）は、図２（ａ）に示された形状データの定義例により定義された、集電ホール(孔)が１列の場合の例を示しており、より具体的には、例えば、ホール径が1mm、透明電極サイズが約12mm×200mm、そして該透明電極中央に38個のホールが配置されている。なお、裏面電極における電極サイズ、ホールの配置位置及びその数は、上記透明電極のそれと同じに設定されている。
【００４２】
図７は、本発明にかかる直列接続構造（SCAF構造）が実際同様に多数並んだ詳細構造を示す図である。図７においては直列ホール(孔)54側の透明電極51の一部がその内部を見通せるように剥がされている。また電池モデル57は、透明電極51-裏面電極55の全面にあり、微小面積Sn（図５参照）ごとに独立している。そして透明電極51と背面電極53は集電ホール52を介して接続されている。
【００４３】
ここでSCAF構造について改めて説明する。SCAF構造は、上述の非特許文献１に示されるように本件出願人が開発した太陽電池直列接続構造セルの呼称であり、該SCAF構造は、隣り合う電池を直列に接続させるためにモジュールの端部に直列接続用のホール、すなわち直列ホールを形成し、このホール(孔)を介してプラスチックフィルム基板の両面に形成された背面電極および裏面電極が直列接続できるようにされている。なお透明電極と背面電極は集電ホールにより接続される。
【００４４】
図８は、図１に示した有限要素法解析演算装置20の電位分布解析に用いられる小面積セル実測値から得られた入力データの例を示す図である。あらかじめ製作した太陽電池サンプル（図示せず）の小面積（図５参照）に太陽光線を照射することで得られた電流電圧特性データ、すなわちIV特性実測データを示し、このデータを電位分布解析のための入力データに用いるものである。この実測データは図１に示した実測データ記憶部4に記憶され、電位分布解析の入力データに用いている。なお電位分布解析用に用いる入力データは、実際には、実測点の値（データ）そのものを使用するのではなく、実測値をトレースした近似曲線上のデータを使用する。
【００４５】
図９は、図１に示した有限要素法解析演算装置20によって得られた収束前の電位分布の様子（コンター表示）を示す図である。図１に示した本発明の有限要素法解析演算装置20で電位分布解析を行った場合に、電位分布FEM解析初期値計算部22による計算では解析結果が収束していないため、電位分布FEM解析初期値計算部22による計算結果をコンター表示すると、図９に示すような電位分布を示すこととなる。図９から分かるように、透明電極51の集電ホール52から遠く離れている位置（透明電極51の左端）の電位差が大きい様子（黒色に近い表示）が見て取れる。なお、コンター（contour）とは、当業者には広く知られているように、面上の等しい数値を結ぶ線（等高線）を表している。
【００４６】
図１０は、図１に示した有限要素法解析演算装置20によって得られた収束後の電位分布の様子（コンター表示）を示す図である。収束前の電位分布の様子（コンター表示）を図９で示したが、図１０は収束後の電位分布の様子（コンター表示）を示すものである。図１に示した本発明の有限要素法解析演算装置20で電位分布解析を行った場合に、電位分布FEM解析収束計算部23による計算で解析結果が収束するので、この状態を図示すると、図１０のように、収束後の電位分布の様子（コンター表示）が得られる。図１０から分かるように、透明電極51の集電ホール52から遠く離れている位置（透明電極51の左端）の電位差が大きいことに変わりは無いが収束計算により電位差が縮小されたことが理解できる。（電位差が大きいところは、発電電流が低下するので、電位差自体が下がる。）
図１１は、図１に示した有限要素法解析モデル構築装置10で構築された有限要素法モデルの例（その２）を示す図である。図１１に示す有限要素法モデルの例（その２）は、図６に示した有限要素法モデルの例（その１）より、電極サイズがより大面積のものに孔（集電ホール）4列を設けるSCAF構造の形状データを定義して有限要素法モデルを自動的に構築する例を示すものである。なお、このような有限要素法モデルを構築して解析するのは太陽電池セルを使用するユーザ側の要望、例えば大電流のものを得たいという要望など、に応える必要があるからである。この場合、大電流を得る必要から直列ホールの数も必然的に増えるが、この例では3つの直列ホールを設けている。このように本発明の有限要素法解析モデル構築装置10は、ユーザの要望などに応えられる太陽電池セルを製作できるようにするための形状データを設定だけで自動的に図６に示すような有限要素法モデルの例（その１）から図１１に示すような有限要素法モデルの例（その２）に至るまで自動的に構築することができる。
【００４７】
図１２は、図１に示した有限要素法解析結果評価装置30によって評価されたSCAF構造セルの電流電圧特性と実際のSCAF構造セルの電流電圧特性実測値との比較例を示す図である。図１２に示す例は、所定の電極サイズに集電ホール(孔)2列を持ち且つ有限要素法モデルがSCAF構造である場合であり、図１に示した有限要素法解析モデル構築装置10で構築された上記形状の有限要素法モデルに対して、同じく図１に示した有限要素法解析演算装置20で電位分布FEM解析計算を収束するまで行ったものを、同じく図１に示した有限要素法解析結果評価装置30によって評価し、評価結果を画面上に電流電圧特性（図１２の実線表示）として表示したものに対して、上記と同じ形状データで実際に製作されたSCAF構造セルの電流電圧特性実測値とを重ねて表示している。こうすることで、本発明の実施形態に係る太陽電池直列接続構造セル特性解析・評価装置1で解析・評価したものが、実際に製作されたSCAF構造セルの電流電圧特性実測値とで乖離がないことを確認しえたことを示すものである。
【００４８】
図１３は、本発明にかかる直列接続構造セルの有限要素法モデルの概念（その２）を説明するための図である。そして図１３(ａ)は、図５（ａ）と同様、透明電極51上の微小面積Snと裏面電極55上の微小面積Sn’との間で光電作用により生成される電池57を多数備えるユニットセルを直列接続配線58で直列に接続した直列接続構造モデルの模式図を示すものである。この模式図に示される直列接続構造モデルは、ユニットセルが3個であるが、実際には数十個並んでいるのであって、それを全てモデル化して数十〜数百回の繰り返し計算を行って解析することは、膨大な時間を要するので、余り現実的な手法とは云えない。
【００４９】
一方、図１３(ｂ)は、図５（ｂ）と同様、図１３(ａ)に示される直列接続構造モデルの模式図において、有限要素法解析を行うためのモデルとして、直列接続が無限に続くと仮定した上で、あるユニットセルの透明電極51からその隣のユニットセルの裏面電極55までを解析モデルの１ユニットセルとして切り出し、これを基に１ユニットセル分の計算を行う模式図を示すものである。なお、図１３(ａ)および図１３(ｂ)において、透明電極(陽極側)51上の微小面積をSn、電流密度をJn、おなじく裏面電極(陰極側)55上の微小面積をSn’、電流密度を -Jn’を想定し、この部分が起電力（電池57）に寄与するものとしている。また電池の両端には、仮想抵抗RLｎ(59)が存在し、該仮想抵抗59にリーク電流ILｎが流れるものとしている。上記において電池57には、実測などで得られた小面積セルIV特性を設定する。また直列接続配線は、実際のモデル化では具体的形状を設定する。さらに各ユニットセルの同位置の電池にかかる電圧や流れる電流、更にはリーク電流も、隣のユニットセルと同じであると仮定することで、電池の両端にモデルが無くても解析を行うことができるようになる。
【００５０】
いま、図１３(b)のモデルを用い、さらに図６に示すような電極パターン（モデル１）に対し解析を行う場合には、図１の有限要素法解析モデル構築装置における入力処理部11からリーク電流発生場所とリーク係数（A/VまたはA/mm/VまたはA/mm2/V；これらについては後述する）を設定し、図５(ｂ)に対して行ったのと同様の計算を行う。計算の内部では、設定したリーク係数と単純なオームの法則から［仮想抵抗］に換算して、モデルに組み込みこまれるようにしておく。なお、リークが、どこに発生するかは、製造方法などにより異なる。まず、簡単のため、リークを発電面全面に設定した場合の計算結果を図１５に１例として、リークが無い場合の計算結果に重ねて示す。結果は、曲線因子(FF)が更に劣化し、加えて、Voc（開放端電圧）が低下するという定性的に妥当な結果が得られることが分かる。
【００５１】
なお、[仮想抵抗]は、直接設定してもよいが、実際には、単位電圧当りのリーク電流を表す係数（ここでは「リーク係数」と呼んでいる）を入力し、[仮想抵抗]＝１V/[リーク係数]として設定する方が実測で得られたリーク電流をそのまま使えるので簡単である。このリーク係数は、単純な単位電圧当りの値（A/V）だけでなく、単位電圧と単位長さ当りの値（A/mm/V）、或いは単位電圧と単位面積当りの値（A/mm2/V）であってもよい。
【００５２】
次に、図１１に示すような電極パターン（モデル２）に対し、ホール数をパラメータ（列数も変更）として、同様の計算を行って、効率(出力)を比較した。その結果を示したのが図１６である。その際、リーク電流は、集電ホールの円周長に比例する設定を選択した。リーク電流を発生させる係数は、多数の実測結果から得られた集電ホール円周1mmあたりの平均値（A/mm/V）を使用した。図１６に示されたグラフから、リーク電流を考慮する場合と考慮しない場合とでは、最適パターンの設計値が異なってくることが分かる。
【００５３】
図１４は、図１に示した有限要素法解析演算装置で実行する電位分布解析手順（その２）を示す図である。図１４を用いて、荷重を与えて電位分布を繰り返し計算する有限要素法解析演算装置20の電位分布解析手順を図４と同様に説明する。図１４においては、ステップを“S”と略記する。電位分布解析手順の開始により、形成データ記憶部3に記憶された解析モデルについての形成データに対し、IV特性データ読込部21により読込まれた小面積セルのIV特性データから、電池に与えた電圧Vでの透明電極、裏面電極における電流密度J(= f(V))と、電池に与えた電圧Vでの仮想抵抗RLnを考慮したリーク電流ILnを計算する（ステップS51）。そして、一様な電流密度Jになるように当該節点の受け持つ面積データSnを基に、節点nごとに電流In(In= J * Sn - ILn、又は、In’= -(J * Sn - ILn))を設定する（ステップS52）。そうして形状データ記憶部3に記憶された全形状データに対して電位分布FEM解析を実行する（ステップS53）。
【００５４】
次にステップS54では、節点nごとに透明電極-裏面電極間の電位差ΔVnを取得する。そうして節点nごとに小面積セルのIV特性から電圧V+ΔVnでの電流密度Jn(= f(V+ΔVn))と、与えた電圧V+ΔVnでの仮想抵抗RLを考慮したリーク電流ILnを計算する（ステップS55）。さらにその電流密度Jnになるように、当該節点の受け持つ面積データSnを基に、節点nごとに電流In(In= Jn * Sn - ILn、又は、In’= -(Jn * Sn - ILn))を設定する（ステップS56）。そうして形状データ記憶部3に記憶された全形状データに対して電位分布FEM解析を実行する（ステップS57）。電位分布解析の際、電池から発生する電流を、荷重として有限要素法モデルの透明電極と裏面電極に与える。そして、電池は、微小面積Snごとに独立している（電池内部で隣の微小電池に電流が流れない）と仮定すれば、その微小面積Snごとに電池に流れ込む電流と流れ出す電流は同じであるので、透明電極と裏面電極は、同じ電流分布に設定することができる（ただし、符号は逆となる）。
【００５５】
次にステップS58では、ステップS57における電位分布FEM解析を行ったあとでさらに電位分布に変動が有るか否かをチェックする。
電位分布に変動が有る場合には、ステップS54に戻り、ステップS54〜ステップS57を電位分布に変動が無くなるまで繰り返す。一方、電位分布に変動が無くなった場合には、小面積セルのIV特性上の電圧Vにおける一連の計算を終了する。そしてここには図示していないが、小面積セルのIV特性上での電圧Vの位置を変えて、すなわち電圧Vを変化させながら、図１４に示す一連の処理をさらに続けることとなる。このようにして有限要素法解析演算装置20では、電圧Vを変化させながら図１４に示す一連の処理をループ計算によって繰り返し行って、直列接続構造セルの電流電圧特性を解析する。解析した結果の一例を図１５に示す。なお電流電圧特性が得られれば、最大電力や曲線因子(FF)や効率などを適宜計算により求めることができる。
【００５６】
上記において図１４に示す処理は、電位分布の変動が無くなったときに収束判定を行う説明であるが、電流分布、或は、特定位置の電位や電流などで収束を判定するようにしてもよい。
【００５７】
ここでリーク電流についてさらに説明すると、リーク電流は、透明電極と裏面電極の間に流れるものを指し、膜の欠陥や構造的特性から、実際の太陽電池においても微少量発生するものである。リークを考慮する場合、図１３(a)のような直接的なモデルを作成できる場合は、仮想抵抗として、抵抗体要素を作成して両電極上の節点を繋いでもよい。しかし、図１３(b)のように、透明電極と、透明電極に直列接続用配線で接続された隣のユニットセルの裏面電極との間でモデルを作成する場合は、リークする相手方の電極モデル自体が無いので、抵抗体要素で繋ぐことは困難である。そこで、両電極の同位置のリーク電流は同じと仮定して、両電極上の同位置の節点で、発生電流から同じリーク電流を差し引くような計算式を設定すればよい。ここで、[リーク電流]＝[外部電圧＋両電極間電位差]/[仮想抵抗]である。有限要素モデルとしての抵抗体要素を作成する場合は、図３の処理フローに当該抵抗要素を作成するステップ(図示せず)を追加することになるが、計算式を設定する場合は、図１４の処理フローに当該計算式を設定するステップ(図１４のステップS52，S56等の右部に示す計算式参照)を組み込めばよい。
【００５８】
図１５は、図６に示された有限要素法モデル(その１)を用いて解析したリーク無し及びリーク有りを考慮した各IV特性の解析結果を示す図である。この解析結果から、配線抵抗が無い（リーク無し）場合、および、配線抵抗が無い（リーク有り）場合、並びに、配線抵抗が有る（リーク有り）場合、において、電圧降下によって発生電流が減少し、リーク有りの方が、曲線因子(FF)がより劣化して、効率の低下につながる現象を確認することができる。図１５では、現象を分かりやすくするために、極端に低い仮想抵抗を設定したが、リーク無し又はリーク有りでこれほどの違いは現象として実際には出ない。
【００５９】
図１６は、図１１に示された有限要素法モデル(その２)を用いてリーク考慮無し及びリーク考慮有りを基に計算した集電ホール数と出力（効率）の解析結果を示す図である。リークを考慮しない解析では、集電ホール数160個で最大出力（効率）が得られるが、ホール数（ホール輪郭長さ）に比例して増える仮想抵抗を設定すると、ホール数が多いほどリーク電流が増えるので、最大出力（効率）は集電ホール数120個のところに変わる。リーク有りを考慮した方がより現実的な、設計値が求められることが分かる。
【００６０】
なお、ここでは、SCAF構造を例にとって説明したが、これ以外でも、太陽電池セルを多数直列接続する構造であれば同様に扱えるので、本発明思想の技術的範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００６１】
1   太陽電池直列構造セル特性解析・評価装置
2   モデルデータ記憶部
3   形状データ記憶部
4   実測データ記憶部
5   解析結果データ記憶部
6   評価データ記憶部
10  有限要素法解析モデル構築装置
11  入力処理部
12  形状パラメータ・材料物性データ読込部
13  ホール形状・メッシュ形成部
14  電極形状・メッシュ形成部
20  有限要素法解析演算装置
21  IV特性データ読込部
22  電位分布FEM解析初期値計算部
23  電位分布FEM解析収束計算部
30  有限要素法解析結果評価装置
31  評価部
32  解析結果画面表示部
【図１】
2011243936.tif 000003
【図２】
2011243936.tif 000004
【図３】
2011243936.tif 000005
【図４】
2011243936.tif 000006
【図１４】
2011243936.tif 000007
【図５】
2011243936.tif 000008
【図６】
2011243936.tif 000009
【図７】
2011243936.tif 000010
【図８】
2011243936.tif 000011
【図９】
2011243936.tif 000012
【図１０】
2011243936.tif 000013
【図１１】
2011243936.tif 000014
【図１２】
2011243936.tif 000015
【図１３】
2011243936.tif 000016
【図１５】
2011243936.tif 000017
【図１６】
2011243936.tif 000018