各種太陽電池モジュールの屋外曝露による経年劣化
崔誠佑1・佐藤梨都子1 ・石井徹之2・千葉恭男1・増田淳1
1産業技術総合研究所 太陽光発電研究センター モジュール信頼性チーム
2電力中央研究所 材料科学研究所
研究の目的

評価対象モジュールと評価方法
表1. 太陽電池モジュールの公称出力及び曝露開始年月

産総研九州センターでは、発電コストに影響を与える太陽光発電システムの長期信頼性の研究を通じて劣化要因を抽出するとともに経年劣化を反映させた高精度な発電量評価技術を開発するため、10種22型式の太陽電池モジュールを屋外に曝露し、マルチストリング型パワーコンディショナを用いて系統連系している。
本研究では、屋外に設置した各種太陽電池モジュールを定期的に取り外し、ソーラーシミュレータを用いた標準試験条件での室内測定により経年劣化の振る舞いを検証した。

K
ソーラーシミュレータによる測定概要
パルス式ソーラーシミュレータ：日清紡メカトロニクス社製 PVS1222i-L
スイープ時間、方向：100 ms, 短絡から開放
標準試験条件：
STC （1 kW/m2, AM1.5G, 25 ℃）

図1. 太陽電池モジュール屋外曝露サイトの全景*系統連系しているすべてのアレイにおいて、モジュールの直流電路は非接地で、高周波絶縁トランス方式を採用しているパワーコンディショナに接続

1.06
1.04
1.02
1.00
0.98
0.96
0.94
0.920.9010/2012

2013<多結晶Si>1.10(b)1.08

室内測定出力／初期出力
PMAX Max Min
01/2014 0.978 0.986 0.970
12/2014 0.986 0.989 0.979
12/2015 0.979 0.987 0.972
12/2016 0.973 0.980 0.967

1.06
1.04
1.02
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.9001/2014 12/2014 12/2015 12/2016

08/2012201301/2014 12/2014 12/2015 12/2016

1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
0.55
07/2011 20122013 12/2014 12/2015 08/2016 12/2016

1.15
1.10
1.05
1.000.95<多接合薄膜Si>(f)

室内測定出力／初期出力
PMAX Max Min
12/2014 0.817 0.832 0.790
12/2015 0.816 0.830 0.790
08/2016 0.846 0.862 0.820
12/2016 0.815 0.828 0.789

0.90
0.85
0.80
0.75
0.70
0.65
0.60
0.5507/2011 20122013 12/2014 12/2015 08/2016 12/2016

室内測定出力／初期出力
PMAX Max Min
01/2014 0.993 0.997 0.990
12/2014 0.986 0.991 0.981
12/2015 0.979 0.983 0.975
12/2016 0.969 0.972 0.963

1.06
1.04
1.02
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.9001/201412/2014

12/2015

1.10
1.08<バックコンタクト単結晶Si>(d)

室内測定出力／初期出力
PMAX Max Min
01/2014 0.992 1.009 0.969
12/2014 0.985 1.009 0.942
12/2015 0.983 1.007 0.946
12/2016 0.973 1.003 0.930

1.06
1.04
1.02
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90

12/2016

10/201201/2014

12/2014

12/2015

12/2016

曝露開始から出力が徐々に低下している。出力 曝露開始から出力が徐々に低下している。
低下の原因は主にVocの低下に起因する。
高電位設置のモジュールではPotential
Induced Degradation（PID）を生じるためばらつきが大きくなっている。
Measured Power (W) / Initial Power (W)1.05

室内測定出力／初期出力
PMAX Max Min
12/2014 0.646 0.659 0.61412/2015 0.645 0.658 0.616
08/2016 0.675 0.688 0.646
12/2016 0.630 0.643 0.602

Measured Power (W )/ Initial Power (W )M eas ured P ow er (W ) / In itia l P ow er (W )<アモルファスSi>(e)

1.10(c)1.08

11/2012

屋外曝露1年以内に開放電圧（Voc)と短絡電 屋外曝露1年以内にIscは1%程度の低下が流（Isc)の双方に1%程度の低下がみられる みられる。Iscの低下がVocとFFの低下よりものの、その後は安定し、曲線因子（FF）はもやや大きい。
曝露初期からほとんど変化していない。
1.15<ヘテロ接合単結晶Si>

1.10

Measured Power (W) / Initial Power (W )1.08

室内測定出力／初期出力
PMAX Max Min
01/2014 0.975 0.983 0.966
12/2014 0.979 0.999 0.972
12/2015 0.984 0.994 0.974
12/2016 0.983 0.995 0.971

1.15<CIGS>
(g)

1.10
1.05
1.00
室内測定出力／初期出力
PMAX Max Min
12/2014 1.088 1.108 1.070
12/2015 1.092 1.115 1.077
12/2016 1.084 1.113 1.066

0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
02/2014

12/2014

12/2015

12/2016

Measured Pow er (W ) / Initial Pow er (W)(a)

Measured Power (W) / Initial Power (W)<単結晶Si>

1.10

Measured Pow er (W) / Initial Pow er (W)Measured Pow er (W ) / Initial Pow er (W )

結果と考察

1.15

<CdTe>(h)

室内測定出力／初期出力

1.10

PMAX Max Min
12/2015 0.864 0.903 0.821
12/2016 0.865 0.892 0.832

1.05
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
0.75
02/2012201312/2014

12/2015

12/2016

屋外曝露によりアモルファスSiと多接合薄膜Siの出力が低下しているが、2014年と曝露開始から半年経過時点で初期値よりも1割程概ね3年間の屋外曝露により出力が2015年の室内測定値にほとんど差はなく性能低下は飽和している。光劣化による性能度増加し、さらに1年後の室内測定でも出力はほ初期値よりも1割以上低下している。
低下は、長くとも3年半程度で飽和するといえる。
とんど変化していない。
図2. 単結晶Si(a), 多結晶薄膜Si(b), ヘテロ接合単結晶Si(c), バックコンタクト単結晶Si(d), アモルファスSi(e), 多接合Si(f), CIGS(g), CdTe(h)太陽電池モジュールにおける屋外曝露に伴う規格化出力の経時変化* 箱ひげ図定義－箱の上端は第3四分位点、下端は1四分位点、箱内のラインは中央値、箱の上下ラインは最大値と最小値をそれぞれを示す。

結論
産総研九州センターにて屋外曝露されている各種太陽電池において、室内測定により経年劣化を調べた。
単結晶Si、多結晶Siの年劣化率は0.47～0.75％/年であった。高効率n型結晶シリコン太陽電池のヘテロ接合単結晶Siとバックコンタクト単結晶Siでは、年劣化率は0.87%/年と0.75%/年であった。結果として、4年間の実使用下での発電性能劣化率について、従来型のp型結晶シリコン太陽電池と高効率n型結晶シリコン太陽電池の間で大きな差は見られなかった。
薄膜シリコン系太陽電池モジュールの屋外曝露において、アモルファスSiと多接合薄膜Si太陽電池固有の光劣化が見られた。この光劣化は熱アニールによって夏期（2016年8月）には性能回復するため、季節によって出力が変動する。
化合物薄膜系太陽電池モジュールは光照射効果・熱アニール効果によりデバイス自体の性能が変化する。CIGS太陽電池は曝露開始から半年経過後に初期値よりも出力が1割程度増加し、その後は安定している。3年間曝露したCdTe太陽電池では出力が初期値よりも1割以上低下している。今後、室内測定で得ら
図3. 各種太陽電池モジュールにおける規格化出力の平均値の曝露年数依存性れた劣化率と屋外発電量で得られる劣化率との相関を検討する必要がある。
*曝露年数は取り外し期間を除いて算出

謝辞
本研究は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発」の委託により実施された。