技術 フレキシブル太陽電池の損傷検査方法、及びその検査装置

0001

本発明は、フレキシブル太陽電池の損傷検査方法、及びその検査装置に関する。

0002

現在、環境問題を背景に、軽量、柔軟、省資源などの利点を有する有機薄膜や金属箔などのフィルム状基板を用いたフレキシブル太陽電池の開発が進められており、その柔軟性を生かした、折りたたみ可能な携帯用電源、非常時のテント用電源、人工衛星用電源などへの応用が広がっている。

0003

上記フレキシブル太陽電池の柔軟性を評価するには、その性能劣化の原因となる損傷のモードや発生過程を同定することが重要となる。非特許文献１には、フレキシブル太陽電池を１ｃｍ２程度の小面積の太陽電池セルを作製し、この試験片に対して曲げひずみを負荷することにより、フレキシブル太陽電池の電気的性能に対する曲げひずみの影響を調査している。しかしながら、この方法では、性能劣化の原因となる損傷モードの発生過程や同定は十分に行われていない。

0004

一方、フレキシブル太陽電池のフレキシブル化や構造最適化には、機械的負荷による損傷過程及びそれら損傷の電気的性能に対する影響の理解が必要不可欠である。

0005

R. Jones, T. Jhonson, W. Jordan, S. Wagner, J. Yang and S. Guha, Proc. 29thIEEE photovoltaic Specialists Conference, pp. 1214-1217 (2002)

0006

本発明は、フレキシブル太陽電池のフレキシブル化や構造最適化において、その電気的性能に影響を及ぼす機械的負荷による損傷の度合いを理解することが可能な、新規な検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。

0007

上記目的を達成すべく、本発明は、フレキシブル太陽電池の損傷を検査する方法であって、
前記フレキシブル太陽電池又は前記フレキシブル太陽電池のセルを試験片として準備するステップと、
前記試験片の長さ方向における中心部においてアコースティック・エミッション（ＡＥ）センサを配置するステップと、
前記試験片を引張試験機に設置して長さ方向に引張り、その際に生じた損傷に起因して発生したアコースティック・エミッション（ＡＥ）を、前記ＡＥセンサで検知してアコースティック・エミッション（ＡＥ）信号に変換するステップと、
前記試験片の損傷を調べると同時に、前記試験片に対して、ランプ光を照射して、その電気的特性の変化を調べ、損傷に基づいた電気的特性の変化を知るステップと、
を具えることを特徴とする、フレキシブル太陽電池の損傷検査方法に関する。

0008

また、本発明は、フレキシブル太陽電池の損傷を検査する装置であって、
前記フレキシブル太陽電池又は前記フレキシブル太陽電池のセルからなる試験片を長さ方向に引張って、前記試験片に損傷を生ぜしめるための引張試験機と、
前記試験片の前記損傷に起因して発生したアコースティック・エミッション（ＡＥ）を検知し、アコースティック・エミッション（ＡＥ）信号に変換するために、前記引張試験機における前記試験片の長さ方向における中心部に対応する位置に配置されたアコースティック・エミッション（ＡＥ）センサと、
前記試験片と離間した位置に設けられた、前記試験片にランプ光を照射するための照射部とを具え、
前記試験片の損傷を調べると同時に、前記試験片に対して、前記ランプ光を照射して、その電気的特性の変化を調べ、損傷に基づいた電気的特性の変化を知ることを特徴とする、フレキシブル太陽電池の損傷検査装置に関する。

0009

本発明によれば、フレキシブル太陽電池又はフレキシブル太陽電池のセルを引張試験機に取り付けるようにしている。したがって、フレキシブル太陽電池又はフレキシブル太陽電池のセルに対しては引張試験機によって大きな引張ひずみを与えることができるようになり、これによってフレキシブル太陽電池又はフレキシブル太陽電池のセルに対して損傷を与えることができるようになる。一方、上述のようにして発生した損傷からは、弾性波、すなわち、アコースティック・エミッション（ＡＥ）が発生するようになる。

0010

一方、フレキシブル太陽電池又はフレキシブル太陽電池のセルには、特にその中央部にアコースティック・エミッション（ＡＥ）センサが配置されているので、上述のＡＥはＡＥセンサによって検知され、アコースティック・エミッション（ＡＥ）信号に変換される。したがって、このＡＥ信号を調べることによって、上記試験片に生じた損傷の大きさ、度合いを大まかに知ることができる。

0011

また、上述のようにして試験片の損傷を調べると同時に、例えば試験片に対して、ランプ光、例えばＸｅランプ光などを照射することによって、試験片の電気的特性の変化を調べる。すると、上述のように、試験片には損傷が生じているので、このような損傷の発生に伴って、上記電気的特性が変化するようになる。したがって、上記試験片の損傷に基づいた電気的特性の変化を知ることができるようになる。

0012

なお、本発明の一例においては、試験片の、引張試験機の固定部材に相当する両端位置において、一対の追加のＡＥセンサを配置することができる。このような追加のＡＥセンサは、上述した試験片の中央部に配置したＡＥセンサと同様に、試験片内に生じた損傷に伴って発生したＡＥを検知するように機能させ、いわゆるＡＥセンサを多チャンネル化させて、上記損傷に伴って発生するＡＥの発生位置を検知するようにすることもできる。発生位置の検知は、発生したＡＥの各ＡＥセンサへの到達時間差を測定し、これに音速を乗じることによって、各ＡＥセンサからＡＥの発生位置までの距離を同定することができるので、これを利用することによって行うことができる。

0013

しかしながら、いわゆるガードセンサとして機能させ、フレキシブル太陽電池又はフレキシブル太陽電池のセルと引張試験機の固定部材との間に発生した摩擦に基づくＡＥを検知し、これに基づくＡＥ信号をノイズ信号として除去するように機能させることもできる。なお、固定部材において発生したＡＥの検知は、上述したＡＥの発生位置の検知方法に基づいて行うことができる。

0014

具体的には、フレキシブル太陽電池又はフレキシブル太陽電池のセルと引張試験機の固定部材との間に摩擦が生じると、これに伴うＡＥは当該箇所に設けたＡＥセンサによって直ちに検知されるが、試験片の中央部に配置したＡＥセンサでは遅延して検知されることになる。したがって、上記摩擦に伴って発生するＡＥは簡単に識別することができ、信号処理によって簡単に除去することができる。この結果、試験片に生じた損傷に基づくＡＥのみを正確に検知することができるようになる。このため、試験片の損傷に基づいた電気的特性の変化を正確に知ることができるようになる。

0015

特開２００２−３４３９９２号公報には、ＡＥ法を利用して太陽電池内の内部割れを検査する方法が開示されている。しかしながら、この方法は、既に内部欠陥が存在している太陽電池を湾曲させてその内部欠陥を顕在化させ、その際に発生するＡＥを検知し、上記太陽電池内に内部割れがあるか否かを検査するに過ぎない。また、当該公報では、太陽電池セルを対象としており、本発明のようにフレキシブルな太陽電池を対象としていない。

0016

一方、本発明は、上述したように、故意にフレキシブル太陽電池又はフレキシブル太陽電池のセルに損傷を与え、どの程度の損傷によってフレキシブル太陽電池の電気的特性が変化するかを検査するものである。すなわち、フレキシブル太陽電池のフレキシブル化や構造最適化において許容される機械的な負荷及びそれに伴う損傷の度合いを調べるものであって、フレキシブル太陽電池を設計する際の指針を得るものである。

0017

したがって、本発明と上記公報に記載の技術とは、互いの構成及び作用効果は全く異なるものである。

0018

なお、本発明において、フレキシブル太陽電池がセルに分割できないような種類のものであり、フレキシブル太陽電池が引張試験機が許容する範囲の大きさを超えていないような場合は、フレキシブル太陽電池自体を引張試験機に直接取り付けて試験に供するが、フレキシブル太陽電池がセルに分割でき、フレキシブル太陽電池が引張試験機が許容する範囲の大きさを超えていたりするような場合は、上記フレキシブル太陽電池をセルに切断し、得られたフレキシブル太陽電池セルを試験に供する。

0019

また、本発明におけるフレキシブル太陽電池は、汎用のアモルファスシリコンを用いた太陽電池の他に、色素増感型の有機太陽電池などあらゆる種類のフレキシブル太陽電池であってもよい。

0020

以上説明したように、本発明によれば、フレキシブル太陽電池のフレキシブル化や構造最適化において、その電気的性能に影響を及ぼす機械的負荷による損傷の度合いを理解することが可能な、新規な検査方法及び検査装置を提供することができる。

0021

本発明で使用するフレキシブル太陽電池セルの一例を示す平面図である。
図１に示すフレキシブル太陽電池セルの単位構造を示す概略構成図である。
本発明の検査装置における一例の概略構成及びこれを用いた検査方法を説明するための図である。
実施例における開放電圧（Ｖｏｃ）とアコースティック・エミッション信号（ＡＥ信号）との関係を示すグラフである。

0022

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、実施の形態に基づいて説明する。

0023

図１は、本発明で使用するフレキシブル太陽電池セルの一例を示す平面図であり、図２は、図１に示すフレキシブル太陽電池セルの単位構造を示す概略構成図である。

0024

図１に示すフレキシブル太陽電池１０は、例えば長さ約１１２ｍｍ、幅約１１ｍｍであって、図２に示すように、例えば厚さ約１８μｍの高分子薄膜からなる基板１１上に、順次に厚さ約０．２μｍの裏面電極層１２、厚さ約１μｍのｐｉｎ接合を有するアモルファスＳｉ光吸収層１３、厚さ約０．１μｍの透明電極層１４及び厚さ約１５μｍ、幅０．５ｍｍのストリップ状のグリッド電極１５が形成されてなる。また、基板１１側及び透明電極１４、グリッド電極１５側には、例えば厚さ１２５μｍのＰＥＴフィルムからなる保護膜１６，１７が設けられている。

0025

上述のようにしてフレキシブル太陽電池セル１０を準備した後は、このセル１０を用いることによって本発明の検査方法を実施する。

0026

なお、本実施形態では、フレキシブル太陽電池セル１０を用いているが、フレキシブル太陽電池がセルに分割できないような種類のものであり、フレキシブル太陽電池が引張試験機が許容する範囲の大きさを超えていないような場合は、フレキシブル太陽電池自体を引張試験機に直接取り付けて試験に供する。

0027

図３は、本発明の検査装置の概略構成及びこれを用いた検査方法を説明するための図である。

0028

図３に示す検査装置３０は、引張試験機３１を有しており、この引張試験機３１の両端に設けられた固定部材である一対のチャック３２によってフレキシブル太陽電池セル１０の端部を挟持し、フレキシブル太陽電池セル１０をその長さ方向において引張試験機３１に設置及び固定する。なお、引張試験機３１は、下側のチャック３２に外部負荷が作用して試験片２０を下方に引張るようにして構成され、上側のチャック３２は固定されて、ロードセル３３が接続されるようにして構成されている。

0029

また、フレキシブル太陽電池セル１０の中心部にはアコースティック・エミッション（ＡＥ）センサ３５が取り付けられ、フレキシブル太陽電池セル１０のチャック３２で挟持された両端部には、追加の一対のＡＥセンサ３６が取り付けられている。これらのＡＥセンサ３５，３６には、それぞれ増幅器４１〜４３が取り付けられ、ＡＥセンサ３５、３６によって検知したアコースティック・エミッション（ＡＥ）から変換されたアコースティック・エミッション（ＡＥ）信号を増幅して、解析器４５及びパーソナルコンピュータ（ＰＣ）４６に送信し、以下に示すような解析に供するようになっている。

0030

さらに、フレキシブル太陽電池セル１０の中心部から約１００ｍｍ離間した位置には、Ｘｅランプ４８が配置され、引張試験機３１による試験片２０の下方への引張と同時にＸｅランプ４８から光が照射され、試験片２０の太陽電池としての電気的特性を調べることができるように構成されている。

0031

図３に示す検査装置３０では、フレキシブル太陽電池セル１０の中心部に取り付けられたＡＥセンサ３５及び両端部に取り付けられたＡＥセンサ３６によってマルチチャネル化し、フレキシブル太陽電池セル１０に生じたひずみによる割れなどの損傷の発生場所を検知するように構成することもできるが、ＡＥセンサ３６をいわゆるガードセンサとして機能させ、フレキシブル太陽電池セル１０と引張試験機３１のチャック３２との間に発生した摩擦に基づくＡＥを検知し、これに基づくＡＥ信号をノイズ信号として除去するように機能させることもできる。

0032

なお、後者の場合は、フレキシブル太陽電池セル１０に生じた本来的な損傷に起因したＡＥ（信号）のみを検出することができるので、損傷とＡＥ（信号）との相関関係の信頼性が増大する。

0033

ＡＥセンサ３６をノイズ除去センサとして機能させるには、以下のようにして行う。本発明の検査方法を実施するに際しては、引張試験機３１によってフレキシブル太陽電池セル１０を下方に引張り、フレキシブル太陽電池セル１０に対してひずみによる割れなどの損傷を生ぜしめる。この際、フレキシブル太陽電池セル１０と引張試験機３１のチャック３２との間には摩擦が生じ、これに伴ってＡＥが発生するようになる。このＡＥは、近傍に位置するＡＥセンサ３６では直ちに検知されるものの、フレキシブル太陽電池セル１０の中央部に配置したＡＥセンサ３５では遅延して検知されることになる。

0034

したがって、上記摩擦に伴って発生するＡＥは簡単に識別することができ、解析器４５及びＰＣ４６における信号処理によって簡単に除去することができる。この結果、フレキシブル太陽電池セル１０に生じた損傷に基づくＡＥのみを正確に検知することができるようになる。

0035

また、ＡＥセンサを多チャンネル化させて、上記損傷に伴って発生するＡＥの発生位置を検知する場合も上記同様であり、発生したＡＥのＡＥセンサ３５及び３６への到達時間差を測定し、これに音速を乗じることによって、ＡＥセンサ３５及び３６からＡＥの発生位置までの距離を同定することができるので、これを利用することによってＡＥの発生位置を同定することができる。

0036

なお、ＡＥセンサを取り付ける際には、引張試験機３１による引張に伴って生じるひずみによる割れなどの損傷、及びこれに起因したＡＥ計測への影響を抑えるため、さらには引張変形によるＡＥセンサの試験片からの逸脱を抑えるため、弾性接着剤を用いることが好ましい。

0037

次に、上述した検査方法及び検査装置に基づく実際の検査結果を示す。
図１に示すフレキシブル太陽電池１０を図３に示す引張試験機３１に設置固定した。その後、引張試験機３１を０．１ｍｍ／分の速度で下方に引張り、この間に発生するひずみによる割れなどの損傷に起因したＡＥをＡＥセンサ３５で検知し、ＡＥ信号に変換するとともに、解析器４５及びＰＣ４６に送信した。また、フレキシブル太陽電池セル１０及びチャック３２間で発生した摩擦に起因したＡＥをＡＥセンサ３６で検知してＡＥ信号に変換するとともに、ＡＥ信号ノイズとして解析器４５及びＰＣ４６に送信し、上記ＡＥ信号から除去することによって高精度のＡＥ信号を得た。

0038

なお、ＡＥセンサ３５，３６は、広帯域型ＡＥセンサ（ＮＦ社製、ＡＥ−９００Ｍ）を用いた。１０００±５０（Ｗ／ｍ２）の放射強度の光をフレキシブル太陽電池セル１０に照射し、その開放電圧（Ｖｏｃ）を調べた。

0039

図４は、開放電圧（Ｖｏｃ）とＡＥ信号との関係を示すグラフである。なお、横軸は時間を表す。

0040

図４から明らかなように、検査開始当初は、開放電圧（Ｖｏｃ）は時間とともにわずかに上昇するが、ＡＥ信号の出現とともに急激に劣化していることが分かる。すなわち、フレキシブル太陽電池セル１０内にひずみによる割れなどの損傷が出現すると同時に開放電圧（Ｖｏｃ）が急激に減少していることが分かる。したがって、図４から、フレキシブル太陽電池セル１０に生じた損傷と開放電圧（Ｖｏｃ）との相関が確認され、フレキシブル太陽電池セル１０の損傷がその電気的特性の変化の変化に大きな影響を及ぼしていることが確認された。

0041

なお、上述した結果から、開放電圧（Ｖｏｃ）以外のその他の電気的特性についても、フレキシブル太陽電池セル１０からのＡＥ信号、すなわち損傷に対して大きな影響を受けることが当然に予想されるものである。さらに、開放電圧の低下以前にもＡＥ信号が検出されていることから、ＡＥ計測は開放電圧計測よりも損傷を高感度に捕えることができることが分かる。

0042

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

0043

１０フレキシブル太陽電池
１１基板
１２裏面電極層
１３アモルファスＳｉ光吸収層
１４透明電極層
１５グリッド電極
１６，１７ 保護膜
３０検査装置
３１引張試験機
３２チャック
３３ロードセル
３５，３６アコースティック・エミッション（ＡＥ）センサ
４１，４２，４３増幅器
４５解析器
４６パーソナルコンピュータ
４８ Ｘｅランプ