平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書

太陽光発電における信頼性・品質試験方法に関する国際標準化－その１：市販モジュールに対する IEC 規格に準拠した延長試験－
材料環境部
河合信次 福元 豊玉井富士夫
2012 年 7 月の再生可能エネルギー固定価格買取制度の開始に伴う大規模太陽光発電システム施設（メガソーラ）の急速な普及を背景として, 太陽電池モジュールの長期間にわたる信頼性確保に向けた試験方法の確立が急務となっている. 現行の IEC 規格による適合性認証試験
は, 20 年, 30 年といった長期間の信頼性には対応しておらず, 不十分な試験と言わざるを得ない. そこで, 市場に流通する 10 種類の市販モジュールに対して IEC 規格に準拠した高温高湿（DH）試験および温度サイクル（TC）試験の延長試験を実施し, 長期信頼性確保のためのふるい分け条件の検討を行った. DH 延長試験では, 劣化率が 5 %以上の結晶 Si モジュールの存在を確認し, DH 延長試験がふるい分け条件として有効であることを見出した. TC 延長試
験では, 1 種類の結晶 Si モジュールで, バイパスダイオードの破損と 5 %以上の劣化率を確認した.

１．はじめに太陽光発電システムの急速な市場拡大と国際価格競争の激化に伴う粗悪モジュールによる粗製乱造による利用者の経済的損失を低減するために客観的, 中立的,かつ技術的に有意義である新たな認証基準の確立が国際的に求められている. 現在, 太陽電池モジュールの信頼性に関する規格が, IEC, JIS, UL で各々規定されており, その代表的なものに IEC61215, 61646, 61730-1&2が存在する. しかしながら, これらの規格による試験は新品モジュールの初期性能スクリーニング目的であり, 製品として最低限適合すべき要求事項を定めているに過ぎない. 一般的には, これらの規格試験に適合した太陽電池モジュールは, 実使用環境下で 5～10 年の性能寿命があると言われているが, 多くの海外メーカーが 25 年の性能保証を謳っている現状からは, ほど遠い規格となっている. 太陽電池モジュールの寿命に関しては, ユーザー側からも 20 年以上, 時には 30 年以上の寿命が期待されており, このような長寿命に対応する新たな加速評価試験の確立が望まれている. 更に,一部海外メーカーでは量産モジュールが必ずしも全て規格適合品と同等でないというケースも散見されている. 併せて, 2012 年 7 月 1 日の再生可能エネルギー全量固定価格買取制度開始に伴い, 住宅用システムに加え,現在, 大規模太陽光発電システム施設（メガソーラ）が急速に普及し始めており, 市場に流通する粗悪モジュールをふるい分けすることができる新たな適合性認証制度の確立が急務となっている.
このような背景から, 佐賀県工業技術センターでは,太陽光発電技術研究組合（PVTEC, 以下 PVTEC という）, 一般財団法人電気安全環境研究所（JET, 以下 JETという）の 3 者で経済産業省のアジア基準認証推進事業の補助金交付を受け, 太陽電池モジュールの 20 年以上の寿命に対応する認証基準作成に向けた試験研究事業に着手した. 今年度は, 市場に流通している 10 種類のモジュールに対して, 分担である IEC 規格に準拠した延長試験を実施し, ふるい分け条件を検討した.
２．実験方法
2.1 供試モジュール試験に供したモジュールは, 購入の 10 種類の市販モ
ジュール, A-1, B-1, C, D, E, F, G, L, M, Oである. A-1, B-1,C, E, G, M, O は多結晶 Si モジュール, F は単結晶 Si モジ
ュールである. また, D と L はアモルファス Si（a-Si）/
微結晶 Si（µc-Si）の 2 接合型構造を有する薄膜 Si モジ
ュールである.
2.2 モジュール特性評価(1) 外観試験
各モジュールに表れる外観上の劣化を巨視的に見つけるために外観試験を試験の前後で行った. 各モジュールの受光面側ではセル割れ, セル間配線部, 気泡,剥離等の有無, 裏面側ではバックシートの変色の有無等を目視でそれぞれ観察した. 外観試験結果として,－ 55 －平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書

各モジュールの受光面側, 裏面の写真撮影を行った.
(2) 絶縁抵抗試験
モジュール通電部とフレーム部が十分に絶縁されているかを調べるために(1)と同様に試験の前後で絶縁抵抗試験を行った. 絶縁抵抗試験器は, 菊水電子工業
製 TOS7200（高温高湿試験機付属）を使用した.
(3) 電流－電圧(I-V)特性評価
擬似太陽光光源（ソーラシミュレータ）により, モジュールの I-V 測定を行った. 測定時の条件は標準測定条件（Standard Test Conditions: STC）である入射光放射照度 1000 W/m2, スペクトル Air Mass（AM）1.5G, デバイス温度 25 °C で行った. ソーラシミュレータはパルス光型で（測定時のパルス幅は 25 msec）, シャープ
製 SHSS-01（平成 22 年度経済産業省アジア基準認証推進事業補助金物件, JET 所属）を使用した. 光源は Xe
ランプ 2 灯, Ha ランプ 16 灯で構成されている. SHSS-01のスペクトル合致度, 放射照度場所むら, 放射照度時間変動率はいずれもIEC60904-9 の等級で最上位のAである. I-V 測定は初期状態および各試験実施後に行い,モジュールの短絡電流（Isc）, 開放電圧（Voc）, 最大出力（Pmax）, フィルファクタ（FF）を求め, 性能を評価した.
(4) 分光感度特性評価
モジュールの分光感度は分光計器（株）製CEP-M1000（平成 22 年度経済産業省アジア基準認証推進事業補助金物件, JET 所属）を用いて評価した. 分光感度特性は, 太陽電池の吸収帯を表している. 本研究では, モ
ジュールの一部に単色光を照射する部分照射法を用いて評価した 1)-3).
2.3 加速劣化試験(1) 高温高湿試験
85 °C, 85 %RH 状態での連続運転により高温高湿（DH）試験を行った. DH 試験機はエスペック（株）製
TBR-2H20A6PAXS（平成 22 年度経済産業省アジア基準認証推進事業補助金物件）を使用した. 図 1 に装置の外観を示す. 本研究では試験は 3000 時間まで実施し,1000 時間毎に評価を行った 4).
(2) 温度サイクル試験-40 °C ~ 85 °C の温度の繰返し試験（TC 試験）を 600回行い, 200 回毎に評価を行った. また, 結晶 Si モジュールに対してサイクル中にモジュール温度が 25 °C 以上ではSTC ピーク出力電流7.8 ~ 7.9 A を注入した 4). 一方, 薄膜 Si モジュールに対しては規格に基づき電流は注入しなかった 5). TC 試験機はエスペック（株）製
MS-4050（平成 22 年度経済産業省アジア基準認証推進事業補助金物件）を使用した. 図 2(a), (b)に TC 試験機と直流電源装置の外観をそれぞれ示す.

－ 56 －

図 1 高温高湿試験機の外観

(a)

(b)

図 2 温度サイクル試験機(a)と直流電源装置(b)の外観

平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書

表 1 DH 試験後の外観試験結果
外観試験結果（○：変化を認めず、△：一部変化あり、×：重大な変化あり）

モジュール種類_
記号

DH1000時間後

DH2000時間後△
バックシート（BS)に軽度の黄変（10/10枚）
A-1（多結晶Si）
受光面側に軽度の黄変部発生（10/10枚）
セル間配線部が軽度に黒化（10/10枚）

DH3000時間後

×
BSの黄変（10/10枚）
受光面側に黄変部（10/10枚）
セル間配線部の黒化（10/10枚）

×
BSの黄変（10/10枚）と割れ発生（10/10枚）
受光面側に黄変部（10/10枚）
セル間配線部の黒化（10/10枚）○×
セル割れ発生（2/10枚）
受光面側に軽度の黄変部（10/10枚）
セル間配線部が軽度に黒化（10/10枚）

×セル割れ（2/10枚）
受光面側に軽度の黄変部（10/10枚）
セル間配線部が軽度に黒化（10/10枚）○△
受光面側に軽度の黄変部（10/10枚）
セル間配線部が軽度に黒化（10/10枚）△
受光面側に軽度の黄変部（10/10枚）
セル間配線部が軽度に黒化（10/10枚）

B-1(多結晶Si)

C（多結晶Si）
D（薄膜Si）○

×
端子箱より液体滴れ（10/10枚）

×
端子箱より液体滴れ（10/10枚）

E（多結晶Si）○○○

F(単結晶Si）

○

○

○

○

△
受光面側に軽度の黄変部（5/5枚）
セル間配線部が軽度に黒化（5/5枚）△
受光面側に軽度の黄変部（5/5枚）
セル間配線部が軽度に黒化（5/5枚）

L（薄膜Si）○○○

M(多結晶Si)

○

○

○

○

×
端子箱より液体滴れ（5/5枚）

×
端子箱より液体滴れ（5/5枚）

G（多結晶Si）

O(多結晶Si）(a)(b)

図 4 DH1000 時間後に A-1 で発生したセル間配線部の黒色部(c)図 3 A-1 の DH 試験前(a), DH3000 後の裏面(b)とDH3000 後に発生した BS 割れ(c) , (c)は(b)の拡大－ 57 －

図 5 DH2000 時間後に B-1 で発生したセル割れ

平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書

３．結果および考察
3.1 高温高湿試験(1) 外観試験
DH 試験後の外観試験結果を表 1 に示す. 3000 時間後の大きな外観変化として, BS（バックシート）の変色と割れ, セル間配線部の黒色化および裏面の端子箱からの液体漏れ（シール材）が挙げられる. 図 3(a) ~ (c)に外観試験で認められた代表的変化として, モジュール A-1 の試験実施前, 3000 時間後および BS の割れの外観をそれぞれ示す. A-1 は 10 枚全てについて 1000 時間後に BS と受光面側に軽微な黄変を確認し, 2000 時間後に BS の黄変が進み, 3000 時間後には BS に割れが発生した. また, 10 枚全てについて 1000 時間後にセル間配線部の黒色化を確認した（図 4）. 同様に外観試験で認められた代表的変化の例としてセル割れを示す. モジ
ュール B-1 では, 2000 時間後にセル割れが 10 枚中 2 枚で認められ, 3000 時間後には割れが拡大した. セル割れの写真を図 5 に示す. また, モジュール D と O では
2000 時間終了後, 裏面の端子箱から液体の漏れを全数で確認した.
(2) 乾式絶縁抵抗試験
全モジュールの乾式絶縁抵抗試験の結果を表 2 に示す. 絶縁抵抗試験器の最大可能測定値は 5 GΩ である.
試験実施前の絶縁抵抗値は全て 5 GΩ 以上であった.
A-1 では 1000 時間後, C では 2000 時間後, B-1 では 3000時間後にそれぞれ抵抗値の減少を確認したが, 他のモジュールでは変化は確認されなかった.

(3) 分光感度評価
著しい劣化を確認したモジュールでもモジュール分光感度に変化は確認されなかった. 結晶 Si では 300 ~1100 nm に感度を有し, 薄膜 Si 太陽電池ではトップ層（a-Si）, ボトム層（µc-Si）を足し合わせたタンデム型の典型的なスペクトルを有していた.
(4) 試験時間に対する出力変化
表 3 に各モジュールの DH 試験後の最大出力 Pmaxの変化を示す. モジュール A-1, F, G および M では劣化は認められなかったが, C では 10 枚中 4 枚, E では 5 枚中 4 枚について, 2000 時間後に 5 %以上の劣化が認められ, 3000 時間後はいずれも 30 %以上の著しい劣化が認められた. モジュール A-1, C の Pmax 変化－試験時間の関係を図 6, 7 にそれぞれ示す. モジュール D では1000 時間後に出力の増加が認められた. この出力増加原因として薄膜 Si のアニール効果が推測された.
(5) I-V 測定および EL 測定による性能評価(4)で劣化が認められなかったモジュール A-1 と著しい劣化が認められた C の I-V 特性を図 8, 9 に示す.
A-1 では, 各試験時間においても I-V 特性は変化していない（図 8）. 一方, C では, 3000 時間後に Isc が低下し,Pmax が著しく低下していることがわかる（図 9）. 試
験時間とともに FF が減少しており, モジュール内部の直列抵抗の増加が原因であると考えられる. 図 10(a),(b)にモジュール C の試験前と 3000 時間後の EL 像をそれぞれ示す. 3000 時間後の EL 像は各結晶 Si セル周辺部から暗部が拡大していること観察された.

表 2 DH 試験後の乾式絶縁抵抗試験結果
モジュール種類_記号

乾式絶縁抵抗試験結果（測定装置の最大測定可能抵抗値：5GΩ）
DH1000時間後

DH2000時間後

DH3000時間後

A-1（多結晶Si）

1.5～5GΩ

0.75～1.5GΩ

0.75～1.5GΩB-1(多結晶Si)

5GΩ以上

5GΩ以上

0.8～1.83GΩ

C（多結晶Si）

5GΩ以上

2.1～4GΩ

0.43～0.98Ω

D（薄膜Si）

4GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

E（多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

F(単結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

G（多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

測定実施せず（ダブルガラス構造でアルミフレームなしのため）L（薄膜Si）
M(多結晶Si)

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

O(多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

－ 58 －平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書

表 3 DH 試験後の最大出力 Pmax 劣化状況
DH試験後の劣化状況まとめ○：劣化を認めず、△：劣化あり（5%未満の軽微な劣化、数字 劣化枚数/全枚数）
×：5%以上の劣化あり（数字 劣化枚数/全枚数）

モジュール種類_記号

DH1000DH2000

DH3000A-1（多結晶Si）

○

○

○

B-1（多結晶Si）○△ 3/10△ 7/10 × 3/10C（多結晶Si）○△ 3/10 × 4/10× 10/10D（薄膜Si）○○○E（多結晶Si）○△ 1/5 × 4/5× 5/5F（単結晶Si）○○○G（多結晶Si）○○○L（薄膜Si）○○△ 1/5 × 1/5M（多結晶Si）○○○O（多結晶Si）○○△ 3/5 × 2/5

10.950h
DH1000DH2000DH300010123456789108Current (A)Normalized Pmax (-)

1.05

640.920.8501000

2000
DH time (h)300004000

図 6 A-1 における Pmax 変化の DH 時間依存性

0.80.710152025Voltage (V)30350hDH1000DH2000DH300080.640

図 8 A-1 の各 DH 試験時間における I-V 特性

Current (A)Normalized Pmax (-)

0.95101234567891110640.5

20.40.301000

2000
DH time (h)300004000

図 7 C における Pmax 変化の DH 時間依存性

0510152025Voltage (V)303540

図 9 C の各 DH 試験時間における I-V 特性－ 59 －平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書

(a)

(b)

図 10C の DH 試験前(a)と 3000 時間後(b)の EL 像

これは, DH 試験後の劣化の典型的な現象である. 試験時間と共にモジュール裏面の BS より水分が浸入し,封止材 EVA が加水分解し, 酢酸を誘発した結果, セル間配線部が腐食したと考察できる. このセル間配線の腐食により, 直列抵抗が増加し, FF が低下したことが原因であると推定される.

3.2 温度サイクル試験(1) 外観試験および乾式絶縁抵抗試験
表 4 に TC 試験後の外観試験結果を示す. モジュール
E で TC400 後, 裏面の端子箱内のバイパスダイオードが 5 枚中 2 枚で破壊されたため, TC600 はモジュール 3枚で試験を継続した. また, TC600 後でも 3 枚中 1 枚でバイパスダイオードの破壊を確認した. その他のモジ
ュールでは大きな外観上の変化を認めなかった.
表 5 に乾式絶縁抵抗試験の結果を示しているが, 全モジュールで全ての TC 試験後に抵抗値の変化は認められなかった.
(2) 分光感度評価
TC 試験後でも結晶 Si および薄膜 Si モジュールの典型的なスペクトルが観察された. スペクトルの変化については, 劣化が認められたモジュールでもその変化は確認されなかった.
(3) サイクル数に対する出力変化
表 6 に TC 試験後の劣化状況を示す. A-1 モジュール
では試験前後に出力低下は確認されなかった. また,薄膜 Si モジュールである D と L では試験後に約 2 %の出力の増加が認められたが, DH 試験の結果と同様, 薄膜 Si のアニール効果に起因していると考えられる. 他のモジュールでは, その全てで TC200 後に 5 %未満の軽微な出力低下が認められた. なお, TC400 後にバイパスダイオードの破壊が認められたモジュール E では,
図 11 に示すように 30 %以上の著しい出力低下が認められた.

表 4 TC 試験後の外観試験結果
外観試験結果（○：変化を認めず、△：一部変化あり、×：重大な変化あり）

モジュール種類_記号

TC200後TC400後TC600後A-1（多結晶Si） ○△バックシート（BS)に軽度の黄変（5/5枚）△
バックシート（BS)に軽度の黄変（5/5枚）

B-1(多結晶Si)○○△
端子箱周辺部に軽度の割れ（8/10）

C（多結晶Si）○△
バックシート（BS)に軽度の黄変（5/5枚）△
バックシート（BS)に軽度の黄変（5/5枚）

D（薄膜Si）○○○

E（多結晶Si）○

×
バイパスダイオード破壊（2/5枚）

×
バイパスダイオード破壊（1/3枚）

F(単結晶Si）○○○

G（多結晶Si）○○○

L（薄膜Si）○○○

M(多結晶Si)○○○O(多結晶Si）○○○－ 60 －平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書

表 5 試験後の乾式絶縁抵抗試験結果
乾式絶縁抵抗試験結果（測定装置の最大測定可能抵抗値：5GΩ）

モジュール種類_
記号TC200後TC400後TC600後A-1（多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

B-1(多結晶Si)

5GΩ以上5GΩ以上

5GΩ以上

C（多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

D（薄膜Si）

4GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

E（多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上（3/5枚）

5GΩ以上（2/3枚）

F(単結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

G（多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

測定実施せず（ダブルガラス構造でアルミフレームなしのため）L（薄膜Si）
M(多結晶Si)

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

O(多結晶Si）

5GΩ以上

5GΩ以上

5GΩ以上

表 6 TC 試験後の劣化状況
TC試験後の劣化状況まとめ○：劣化を認めず、△：劣化あり（5%未満の軽微な劣化、数字 劣化枚数/全枚数）
×：5%以上の劣化あり（数字 劣化枚数/全枚数）

モジュール種類_記号

TC200

TC400

TC600

A-1（多結晶Si）○○○

B-1（多結晶Si）△ 10/10△ 10/10△ 10/10C（多結晶Si）△ 10/10△ 10/10△ 10/10D（薄膜Si）○○○E（多結晶Si）△ 5/5△ 3/5 × 2/5△ 2/3 × 1/3F（単結晶Si）

△ 5/5

△ 5/5

△ 5/5G（多結晶Si）

△ 5/5

△ 5/5

△ 5/5L（薄膜Si）○○○M（多結晶Si）

△ 5/5

△ 5/5

△ 5/5O（多結晶Si）

△ 5/5

△ 5/5

△ 5/5101345680.9

Current (A)Normalized Pmax (-)

10.8

0.70.6

Initial_1
TC200_1
TC400_1

6420200

400
TC cycles

6000800

図 11 E における Pmax 変化のサイクル数依存性－ 61 －05101520Voltage (V)253035

図 12 E の各 TC 試験時間における I-V 特性

平成 24 年度 佐賀県工業技術センター研究報告書(4) I-V 測定および EL 測定による性能評価
図 12 に TC400 後に著しい出力低下を確認したモジ
ュール E サンプルの I-V 特性を示す. 図より 2 ストリング分に相当している Voc が低下していることが観察された. 図 13 にその試験前(a)と TC400 後(b)の EL 像を示すが, 2 ストリング分が全て暗部となっている. また,バイパスダイオードは短絡モードで破壊されていたことがわかったが, その原因については今後の検討課題である.
４．おわりにIEC 規格に準拠した DH および TC 延長試験を実施した結果, 以下の結論を得た.
1) DH 延長試験により, 最大出力 Pmax が 5 %以上劣化したモジュールの存在を確認した. DH 延長試験は長期信頼性における性能ふるい分けが可能であることが示
唆された.
2) TC 延長試験で最大出力 Pmax が 5 %以上劣化するモ
ジュールは 10 種類中 1 種類であった.
3) 1)および 2)より TC 延長試験よりも DH 延長試験の方がふるい分けには効果的であることが示唆された.
最後に, 本研究事業は経済産業省・アジア基準認証推進事業補助金により実施されたものである.
参考文献
1) M. Meusel et al., Prog. Photovol: Res. Appl. 11 (2003),499-514.

(a)

(b)

図 13 E の TC 試験前(a)と 400 サイクル後(b)のEL 像
2) Y. Hishikawa et al., MRS Symposia Proceedings, 862(2005), 579-590.
3) Y. Tsuno, Y. Hishikawa, Proceedings of 23rd EUPVSEC,
Valencia (2008), 2723-2727.
4) IEC 61215 Edition 2.0: 2005.
5) IEC 61646 Edition 2.0: 2008.

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