特許 6781985 太陽電池の評価方法及び評価装置並びに太陽電池の評価用プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6781985

(24)【登録日】2020年10月21日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】太陽電池の評価方法及び評価装置並びに太陽電池の評価用プログラム

(51)【国際特許分類】

   H02S 50/10 20140101AFI20201102BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20201102BHJP

【ＦＩ】

   H02S50/10

   H01L21/66 C

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2016-170095(P2016-170095)

(22)【出願日】2016年8月31日

(65)【公開番号】特開2018-38184(P2018-38184A)

(43)【公開日】2018年3月8日

【審査請求日】2019年7月2日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高性能・高信頼性太陽光発電の発電コスト低減技術開発／太陽電池セル、モジュールの共通基盤技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】望月 敏光

(72)【発明者】

【氏名】白澤 勝彦

(72)【発明者】

【氏名】坂田 功

(72)【発明者】

【氏名】高遠 秀尚

【審査官】 桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２５１５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２２０００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２５２３３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２８４４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３５３４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２１２３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１９６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５５２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０４９４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５２７７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０５３９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１６９８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０２９３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１４４２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０８４４４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３１４１１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 DENG, Weiwei et al.，20.8% Efficient PERC Solar Cell on 156 mm×156 mm p-Type Multi-Crystalline Silicon Substrate，2015 IEEE 42nd Photovoltaic Specialist Conference (PVSC)，IEEE，２０１５年１２月１７日，pp.1-6，DOI:10.1109/PVSC.2015.7356221，ＵＲＬ，https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7356221

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｓ ５０／１０

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価方法であって、
少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記太陽電池の表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御する光制御ステップと、
前記光制御ステップによりスポットサイズが制御された前記励起光を、前記試料台に載置された前記太陽電池の受光面の複数の測定点のそれぞれに順次照射して得た、前記太陽電池の内部量子効率の空間分布に基づいて、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行う評価ステップと、
を含むことを特徴とする太陽電池の評価方法。

【請求項2】

水平面を２軸方向に指定された距離だけ移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に、波長及びスポットサイズをそれぞれ所望の値に制御した励起光を照射する光照射ステップと、
前記励起光が、前記受光面に形成された表面電極で反射して得られた反射光、及び前記受光面照射前の前記励起光の各光電変換信号と、前記表面電極の出力信号とに基づいて、励起光強度、全反射光強度及び光電流を測定し、その測定結果から前記太陽電池の内部量子効率及び反射率を算出する算出ステップと、
前記太陽電池の受光面における複数の測定点のそれぞれの測定結果から得られた前記算出ステップによる前記内部量子効率及び前記反射率と、前記励起光の波長とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る評価ステップとを含み、
前記光照射ステップは、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御した前記励起光を前記受光面に照射し、
前記評価ステップは、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行うことを特徴とする太陽電池の評価方法。

【請求項3】

前記光照射ステップは、前記励起光の波長を、基準試料の内部量子効率よりも低い内部量子効率が得られる第１の波長又は前記太陽電池の基板が略透明に見える第２の波長に制御し、
前記評価ステップは、前記励起光が前記第１の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出ステップにより算出された第１の内部量子効率及び第１の反射率と、前記励起光が前記第２の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出ステップにより算出された第２の反射率とを用いて、前記太陽電池の裏面構造の評価を行うことを特徴とする請求項２記載の太陽電池の評価方法。

【請求項4】

波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価装置であって、
少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記太陽電池の表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御する光制御手段と、
前記光制御手段によりスポットサイズが制御された前記励起光を、前記試料台に載置された前記太陽電池の受光面の複数の測定点のそれぞれに順次照射して得た、前記太陽電池の内部量子効率の空間分布に基づいて、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行う評価手段と、
を備えることを特徴とする太陽電池の評価装置。

【請求項5】

太陽電池が載置され、その太陽電池の表面に平行な水平面を２軸方向に指定された距離だけ移動可能な試料台と、
前記試料台を移動する移動機構と、
波長及び前記太陽電池の受光面におけるスポットサイズがそれぞれ所望の値に制御された励起光を発生して、前記太陽電池の受光面に照射する光照射手段と、
照射された前記励起光が、受光面に形成された表面電極で反射された反射光、及び前記受光面照射前の前記励起光の各光電変換信号と、前記表面電極の出力信号とに基づいて、励起光強度、全反射光強度及び光電流を測定し、その測定結果から前記太陽電池の内部量子効率及び反射率を算出する算出手段と、
前記移動機構を駆動制御して、前記励起光のスポットが前記太陽電池の受光面における複数の測定点を順次位置するように前記試料台を移動させる駆動制御手段と、
前記複数の測定点のそれぞれの測定結果から得られた前記算出手段による前記内部量子効率及び前記反射率と、前記励起光の波長とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る評価手段と、
を備え、
前記光照射手段は、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御し、
前記評価手段は、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行うことを特徴とする太陽電池の評価装置。

【請求項6】

前記光照射手段は、前記励起光の波長を、基準試料の内部量子効率よりも低い内部量子効率が得られる第１の波長又は前記太陽電池の基板が略透明に見える第２の波長に制御し、
前記評価手段は、前記励起光が前記第１の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出手段により算出された第１の内部量子効率及び第１の反射率と、前記励起光が前記第２の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出手段により算出された第２の反射率とを用いて、前記太陽電池の裏面構造の評価を行うことを特徴とする請求項５記載の太陽電池の評価装置。

【請求項7】

波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価をコンピュータに実行させる太陽電池の評価用プログラムであって、
前記コンピュータに、
少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記太陽電池の表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御する光制御機能と、
前記光制御機能によりスポットサイズが制御された前記励起光を、前記試料台に載置された前記太陽電池の受光面の複数の測定点のそれぞれに順次照射して得た、前記太陽電池の内部量子効率の空間分布に基づいて、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行う評価機能と、
を実現させることを特徴とする太陽電池の評価用プログラム。

【請求項8】

波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価をコンピュータに実行させる太陽電池の評価用プログラムであって、
前記コンピュータに、
前記試料台に載置された太陽電池の受光面に、波長及びスポットサイズをそれぞれ所望の値に制御した励起光を照射する光照射機能と、
前記励起光が、前記受光面に形成された表面電極で反射して得られた反射光、及び前記受光面照射前の前記励起光の各光電変換信号と、前記表面電極の出力信号とに基づいて測定された、励起光強度、全反射光強度及び光電流の測定結果から前記太陽電池の内部量子効率及び反射率を算出する算出機能と、
前記太陽電池の受光面における複数の測定点のそれぞれの測定結果から得られた前記算出機能による前記内部量子効率及び前記反射率と、前記励起光の波長とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る評価機能とを実現させ、
前記光照射機能は、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御した前記励起光を前記受光面に照射し、
前記評価機能は、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行うことを特徴とする太陽電池の評価用プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は太陽電池の評価方法及び評価装置並びに太陽電池の評価用プログラムに係り、特に太陽電池の内部量子効率の測定結果に基づいて太陽電池の性能を評価する評価方法及び評価装置並びに評価用プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

太陽電池には表面での光励起キャリアの再結合を抑制するためにパッシベーション膜と呼ばれる、絶縁体や半導体の薄膜が太陽光照射面側（以下、表面側とも称する）に成膜される。シリコン系の太陽電池においては、窒化シリコン、酸化ケイ素、酸化アルミニウムなどがパッシベーション膜に使われる。このような絶縁体によるパッシベーション膜を表面側に有する太陽電池には、表面側と反対側の裏面に合金層をＢＳＦ(Back Surface Field)層として有する構造のものが多い。この合金層は電界効果パッシベーション膜として振舞う。

【0003】

しかし、上記の合金層は再結合速度が絶縁体によるパッシベーション膜よりも速くなり易く、また、合金層での光の吸収が効率低下の原因となる。そこで、近年では合金層に代わり光損失も再結合も少なくし、高電圧・高電流ひいては高効率を実現するための新しいパッシベーション膜を裏面側にも作る方式の太陽電池が主流になりつつある。例としては、裏面側に絶縁膜を有する構造（ＰＥＲＣ:Passivated Emitter and Rear Contact Cell)、拡散層を有する構造（ＰＥＲＴ:Passivated Emitter,Rear Totally-diffused)、ヘテロ接合層を有する構造（ＨＩＴ:Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）などがある。

【0004】

このような裏面側にパッシベーション膜を有する太陽電池は、以前の構造より複雑であるため、裏面プロセスの最適化が重要であり、開発段階等で裏面パッシベーション膜の評価が行えれば最適化が大きく加速される。また、裏面側パッシベーション膜の評価は、太陽電池の裏面が熱サイクル、電圧、光照射、湿気、経時変化を含む何らかの原因で劣化した際の故障原因の特定を容易にする。

【0005】

太陽電池の裏面側パッシベーション膜の特性は、主に長波長領域での分光感度の変化として現れる。シリコン系太陽電池において量子効率が測定できる場合は、励起波長９００ｎｍ〜９５０ｎｍの領域の量子効率が変化する様子で裏面側パッシベーション膜でのキャリア再結合速度を定性的に評価できる。この場合、量子効率の変化は１％程度であるから、測定位置での反射を同時に測定するタイプの、例えば特許文献１に記載の内部量子効率測定装置による高精度測定が必要である。太陽電池が両面受光可能な構造である場合は、裏面受光で量子効率測定を行い、３００〜５００ｎｍの短波長領域での量子効率からパッシベーション膜でのキャリア再結合速度を定性的に評価できる。

【0006】

ここで、量子効率とは、或る波長の単色光が太陽電池に入射された際に、その光子が外部電流として取り出される確率を表す。太陽電池内部の品質を評価するにあたっては、太陽電池の反射率をＲとしたとき、（１−Ｒ）で表される量で量子効率を除算して得られる内部量子効率がよく使われる（例えば、非特許文献１参照）。ある光子が太陽電池のｎｐ接合にあたる位置で吸収されるとほぼ１００％の確率で外部電流として取り出せるが、ｎｐ接合から離れた位置で光子が吸収された場合、当該光子に起因する少数キャリアがｎｐ接合まで拡散してはじめて外部電流として取り出せる。この場合、表面や半導体内部での被輻射再結合によりある確率で少数キャリアがｎｐ接合まで到達しない。これを主因として、励起波長が短いと光子の大部分がｎｐ接合より表面側で吸収されるため表面側での再結合の影響を主に受け、量子効率が１より小さくなる。

【0007】

図９は、太陽電池表面の再結合速度が量子効率に及ぼす影響を示す、太陽電池の入射光波長対内部量子効率特性を示す。同図に示す特性は表面側が平坦であり、裏面側が完全導体による電極が取り付けられた結晶シリコン太陽電池で、厚みは３００μｍ、接合深さは１μｍ、少数キャリアの表面再結合速度は表面側で４ｃｍ/ｓ、裏面側で２７ｃｍ/ｓ、拡散長は表面側で１.５μｍ、裏面側で２００μｍとし、計算方法は連続の式及びドルーデモデルにより得た特性である。図９中、実線Iは表面再結合速度を表面側及び裏面側共に１００ｃｍ/ｓとしたときの特性、破線IIは裏面側再結合速度を２０００ｃｍ/ｓまで増やした場合の特性、点線IIIは表面側再結合速度を２０００ｃｍ/ｓまで増やした場合の特性を示す。図９に示すように、いずれも長波長と短波長の内部量子効率が下がっている様子が分かる。従来の太陽電池の評価方法では、このような内部量子効率の変化から太陽電池の性能低下の原因を探索している。

【0008】

次に、従来の太陽電池の他の評価方法について説明する。裏面での低い量子効率の理由が分かっている場合に限れば、その原因に特徴的な構造を観察しながら製造プロセスの最適化を行えばよい。例えば、両面に絶縁膜のあるＰＥＲＣ構造の太陽電池では、裏面側のアルミ電極に空洞ができ易く、これによって太陽電池としての特性が著しく悪化する。そこで、従来は超音波探傷機を使う方法や、単に太陽電池を切断して電子顕微鏡によって観察する方法で上記空洞などを発見している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００２−３５３４７４号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】P.Rappaport,Solar Energy 3(4) 8-18(1959)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、裏面側パッシベーション膜を有する太陽電池において、発電特性が設計よりも悪い場合、内部量子効率の変化から太陽電池の性能低下の原因を探索する従来の太陽電池の評価方法（第１の従来方法）では、励起光のスポットサイズ及び励起波長で決まる空間分解能を変化させた内部量子効率の測定ができないため、裏面側のどこが悪いのかを特定できない。一方、太陽電池を破壊して超音波探傷機や電子顕微鏡で発電特性の低下の原因を特定する後者の従来の太陽電池の評価方法（第２の従来方法）では、想定した原因と異なる異常が太陽電池にある場合異常が発見されず、その太陽電池の評価方法のみで原因の究明を行おうとすると、総当たり的に各種の測定を行わなければならない。

【0012】

そのため、現状では上記の２つの従来の太陽電池の評価方法を組み合わせた評価プロセスが採用される。例えば、表面側及び裏面側の両方にパッシベーション膜のあるｐ型シリコン基板を使ったＰＥＲＣ構造の太陽電池の場合は、第１の従来方法で複数の太陽電池を評価して比較し、裏面側に問題があるかどうかを特定する。続いて、裏面側に問題がある太陽電池のうち、裏面側の例えばアルミナによるパッシベーション膜に問題があるのか、裏面側のアルミ電極が接している部分に問題があるのかを第２の従来方法で太陽電池を破壊して特定する。すなわち、従来は太陽電池を破壊しなければ、太陽電池の裏面側の問題個所の特定が極めて困難であり、改善の目途が立たないという問題がある。

【0013】

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、太陽電池の裏面側の特性を非破壊で評価することで、製造プロセスの最適化を実現し得る太陽電池の評価方法及び評価装置並びに太陽電池の評価用プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記の目的を達成するため、第１の発明の太陽電池の評価方法は、波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価方法であって、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記太陽電池の表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御する光制御ステップと、前記光制御ステップによりスポットサイズが制御された前記励起光を、前記試料台に載置された前記太陽電池の受光面の複数の測定点のそれぞれに順次照射して得た、前記太陽電池の内部量子効率の空間分布に基づいて、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行う評価ステップと、を含むことを特徴とする。

【0015】

また、上記の目的を達成するため、第２の発明の太陽電池の評価方法は、水平面を２軸方向に指定された距離だけ移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に、波長及びスポットサイズをそれぞれ所望の値に制御した励起光を照射する光照射ステップと、前記励起光が、前記受光面に形成された表面電極で反射して得られた反射光、及び前記受光面照射前の前記励起光の各光電変換信号と、前記表面電極の出力信号とに基づいて、励起光強度、全反射光強度及び光電流を測定し、その測定結果から前記太陽電池の内部量子効率及び反射率を算出する算出ステップと、前記太陽電池の受光面における複数の測定点のそれぞれの測定結果から得られた前記算出ステップによる前記内部量子効率及び前記反射率と、前記励起光の波長とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る評価ステップとを含み、前記光照射ステップは、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御した前記励起光を前記受光面に照射し、前記評価ステップは、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行うことを特徴とする。

【0016】

また、上記の目的を達成するため、第３の発明の太陽電池の評価方法は、第２の発明の光照射ステップが、前記励起光の波長を、基準試料の内部量子効率よりも低い内部量子効率が得られる第１の波長又は前記太陽電池の基板が略透明に見える第２の波長に制御し、第５の発明の評価ステップが、前記励起光が前記第１の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出ステップにより算出された第１の内部量子効率及び第１の反射率と、前記励起光が前記第２の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出ステップにより算出された第２の反射率とを用いて、前記太陽電池の裏面構造の評価を行うことを特徴とする。

【0017】

また、上記の目的を達成するため、第４の発明の太陽電池の評価装置は、波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価装置であって、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記太陽電池の表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御する光制御手段と、前記光制御手段によりスポットサイズが制御された前記励起光を、前記試料台に載置された前記太陽電池の受光面の複数の測定点のそれぞれに順次照射して得た、前記太陽電池の内部量子効率の空間分布に基づいて、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行う評価手段と、を備えることを特徴とする。

【0018】

また、上記の目的を達成するため、第５の発明の太陽電池の評価装置は、太陽電池が載置され、その太陽電池の表面に平行な水平面を２軸方向に指定された距離だけ移動可能な試料台と、前記試料台を移動する移動機構と、波長及び前記太陽電池の受光面におけるスポットサイズがそれぞれ所望の値に制御された励起光を発生して、前記太陽電池の受光面に照射する光照射手段と、照射された前記励起光が、受光面に形成された表面電極で反射された反射光、及び前記受光面照射前の前記励起光の各光電変換信号と、前記表面電極の出力信号とに基づいて、励起光強度、全反射光強度及び光電流を測定し、その測定結果から前記太陽電池の内部量子効率及び反射率を算出する算出手段と、前記移動機構を駆動制御して、前記励起光のスポットが前記太陽電池の受光面における複数の測定点を順次位置するように前記試料台を移動させる駆動制御手段と、前記複数の測定点のそれぞれの測定結果から得られた前記算出手段による前記内部量子効率及び前記反射率と、前記励起光の波長とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る評価手段とを備え、
前記光照射手段は、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御し、前記評価手段は、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行うことを特徴とする。

【0019】

また、上記の目的を達成するため、第６の発明の太陽電池の評価装置は、第５の発明の光照射手段が、前記励起光の波長を、基準試料の内部量子効率よりも低い内部量子効率が得られる第１の波長又は前記太陽電池の基板が略透明に見える第２の波長に制御し、第２の発明の評価手段が、前記励起光が前記第１の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出手段により算出された第１の内部量子効率及び第１の反射率と、前記励起光が前記第２の波長の時に前記複数の測定点のそれぞれの測定結果に基づき前記算出手段により算出された第２の反射率とを用いて、前記太陽電池の裏面構造の評価を行うことを特徴とする。

【0020】

また、上記の目的を達成するため、第７の発明の太陽電池の評価用プログラムは、波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価をコンピュータに実行させる太陽電池の評価用プログラムであって、前記コンピュータに、
少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記太陽電池の表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御する光制御機能と、前記光制御機能によりスポットサイズが制御された前記励起光を、前記試料台に載置された前記太陽電池の受光面の複数の測定点のそれぞれに順次照射して得た、前記太陽電池の内部量子効率の空間分布に基づいて、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行う評価機能と、を実現させることを特徴とする。

【0021】

更に、上記の目的を達成するため、第８の発明の太陽電池の評価用プログラムは、波長及びスポットサイズをそれぞれ任意に可変可能な励起光を、移動可能な試料台に載置された太陽電池の受光面に照射し、前記太陽電池からの反射光及び前記励起光の各光電変換信号と前記太陽電池の出力信号とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る太陽電池の評価をコンピュータに実行させる太陽電池の評価用プログラムであって、前記コンピュータに、
前記試料台に載置された太陽電池の受光面に、波長及びスポットサイズをそれぞれ所望の値に制御した励起光を照射する光照射機能と、前記励起光が、前記受光面に形成された表面電極で反射して得られた反射光、及び前記受光面照射前の前記励起光の各光電変換信号と、前記表面電極の出力信号とに基づいて測定された、励起光強度、全反射光強度及び光電流の測定結果から前記太陽電池の内部量子効率及び反射率を算出する算出機能と、前記太陽電池の受光面における複数の測定点のそれぞれの測定結果から得られた前記算出機能による前記内部量子効率及び前記反射率と、前記励起光の波長とに基づいて、前記太陽電池の評価結果を得る評価機能とを実現させ、
前記光照射機能は、少なくとも前記励起光のスポットサイズを、前記表面電極の電極幅の２倍以上で、かつ、前記太陽電池の基板厚さに極力近い値に制御した前記励起光を前記受光面に照射し、前記評価機能は、前記太陽電池の前記受光面と反対側の裏面構造の評価を行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、光励起キャリアライフタイム測定などが困難な、電極形成済みの太陽電池が故障した場合や設計した性能が得られない場合における太陽電池の裏面側の原因を非破壊で特定する評価を行うことができる。これにより、本発明によれば、製造プロセスの最適化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の太陽電池の評価装置の一実施形態の構成図である。

【図2】本発明で評価される太陽電池の一例の断面図である。

【図3】図１の動作説明用フローチャートである。

【図4】図３中の各部の詳細動作説明用フローチャートである。

【図5】ＰＥＲＣ型太陽電池と基準試料の波長対内部量子効率特性図である。

【図6】太陽電池の励起光波長９５０ｎｍにおける内部量子効率を濃淡プロットした図である。

【図7】太陽電池の励起光波長９５０ｎｍにおける反射率を濃淡プロットした図である。

【図8】太陽電池の励起光波長１２００ｎｍにおける反射率を濃淡プロットした図である。

【図9】太陽電池の入射光波長対内部量子効率特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る太陽電池の評価装置の一実施形態の構成図を示す。本実施形態の太陽電池の評価装置１００は、励起スポットサイズが可変な内部量子効率測定系と、評価対象の試料である太陽電池の測定位置を高精度に移動制御可能な可変試料台とを組み合わせた構成である。

【0025】

図１において、白色光源１０１は白色光を出射し、その白色光をレンズ１０２により平行光とし、ＡＣ測定のために光チョッパ１０３でチョッピングさせて分光器１０４に入射する。分光器１０４は、光路を変える反射鏡や回転可能なグレーティング１０４１等より構成されており、入射する白色光をグレーティング１０４１の回転により決まる一波長λの単色光に分光する。グレーティング１０４１の回転角度は、後述するパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと記す）１２４からの制御信号により制御される。これにより、分光器１０４は、白色光からＰＣ１２４により任意の波長に分光した単色光を励起光として出射し、暗箱１０５に入射する。

【0026】

暗箱１０５内には、絞り１０６、ビームスプリッタ１０７、放物面鏡１０８及び１１０、積分球１０９、励起光センサ１１１、反射光センサ１１２、電流電圧変換器１１３、１１４及び１１５からなる光学及び電気系と、ラボジャッキ１１６、試料台１１７、ステッピングモータ１１８及び１１９からなる機構系とが収納されている。ラボジャッキ１１６上に固定された試料台１１７は、ステッピングモータ１１８により水平面のｘ軸方向（太陽電池２０１の電極形成面と平行な平面における電極の長手方向と平行な方向）に、またステッピングモータ１１９により水平面のｙ軸方向にそれぞれ移動して高精度に位置決めされる可変試料台を構成している。ステッピングモータ１１８及び１１９は後述するＰＣ１２４によりその動作が制御される。試料台１１７上には、評価対象の試料である太陽電池２０１が載置・固定される。太陽電池２０１の表面側の電極２０２は、励起光を反射して積分球１０９内に入射する。

【0027】

絞り１０６は、分光器１０４からの単色励起光のスポットサイズを、例えば５０μｍから３ｍｍまでの範囲内で可変可能な可変絞りであり、所望のスポットサイズとした単色励起光をビームスプリッタ１０７に入射する。なお、本実施形態では、絞り１０６は、太陽電池２０１に照射される励起光のスポット径が太陽電池２０１の電極２０２の電極幅の２倍以上で、かつ、基板厚みに極力近い値となるように制御する。太陽電池２０１の表面では放物面鏡１０８により絞り１０６からの光が等倍で結像されるようになっているため、太陽電池２０１の表面のスポットサイズは絞り１０６と同じになる。

【0028】

ビームスプリッタ１０７は、絞り１０６によりスポット径が調整された励起光の光路を２分し、一方は放物面鏡１０８で反射させて太陽電池２０１の表面側の電極２０２に入射し、他方は放物面鏡１１０で反射させて励起光センサ１１１に入射して光電変換させる。積分球１０９は、電極２０２で反射された励起光を開口部より内部に導入して内壁で多重反射させた後集光し、集光された反射光を別の開口部を通して反射光センサ１１２に入射して光電変換させる。

【0029】

励起光センサ１１１は、入射励起光の受光光量に応じたレベルの電流を出力して電流電圧変換器１１３に供給して電圧に変換させた後、ロックインアンプ１２１に供給する。一方、反射光センサ１１２は、電極２０２及び積分球１０９でそれぞれ反射して得られた反射光の受光光量に応じたレベルの電流を出力して電流電圧変換器１１４に供給して電圧に変換させた後、ロックインアンプ１２２に供給する。また、電流電圧変換器１１５は、電極２０２から取り出された太陽電池２０１の出力電流を電圧に変換してロックインアンプ１２３に供給する。

【0030】

ロックインアンプ１２１、１２２及び１２３は、電流電圧変換器１１３、１１４及び１１５から出力される交流電圧が供給され、その交流電圧中の所定の周波数参照信号と同一周波数成分のレベルに応じた直流電圧を発生してそれぞれＰＣ１２４に供給する。事前の校正と併せておくことで、ロックインアンプ１２１は励起光強度Ｐを示す直流電圧を出力し、ロックインアンプ１２２は電極２０２の全反射光強度Ｐ_rを示す直流電圧を出力し、ロックインアンプ１２３は太陽電池２０１が出力する光電流Ｉに応じた直流電圧を出力する。ＰＣ１２４は、ロックインアンプ１２１、１２２及び１２３から供給される直流電圧に基づいて、反射率Ｒ、及び内部量子効率η_IQEをそれぞれ次式に基づいて算出する。
Ｒ＝Ｐ_r／Ｐ （１）
η_IQE＝Ｉｈｃ／[ｅＰλ（１−Ｒ）] （２）
ただし、（２）式中、ｈはプランク定数、ｃは光速、ｅは素電荷、λは励起光の波長である。

【0031】

ＰＣ１２４は、算出した反射率Ｒ及び内部量子効率η_IQEの測定データを外部出力装置であるディスプレイ１２５及び印刷機１２６にそれぞれ出力して、ディスプレイ１２５により画像表示させ、印刷機１２６により紙に印刷させることで可視化する。可視化された測定画像及び測定データに基づいて、後述する太陽電池２０１の評価が行われる。また、ＰＣ１２４は、ステッピングモータ１１８及び１１９に駆動信号を供給し、試料台１１７を前述した水平面上のｘ軸方向及びｙ軸方向に移動させて太陽電池２０１の励起光照射位置を指定する制御も行う。

【0032】

本実施形態の太陽電池の評価装置１００は、ラボジャッキ１１６、試料台１１７、ステッピングモータ１１８及び１１９からなる可動試料台機構と、それ以外の光学系及び電気系からなる励起スポットサイズが可変な内部量子効率測定系とを連携させることで、光電流Ｉを測定した条件での全反射光強度Ｐ_rの測定、試料台１１７の移動と連動した測定、及び励起光スポットサイズの選択を行うことに特徴がある。

【0033】

本実施形態の被評価太陽電池の一例であるシリコン太陽電池においては、表面側の電極は多くの場合、銀（Ａg）製の電極が採用される。本実施形態の太陽電池の評価装置１００において、このＡg電極の幅の２倍のスポットサイズを採用し、励起光がスポットサイズと同じ円状の領域内のみを一様に照らすと仮定した場合、電極はスポットの最大６１％を覆う。このとき、例えば波長９５０ｎｍでの内部量子効率が０.７５で空間的に一様であり、電極が無い領域の反射を無視し、電極の反射率に銀電極の反射率９７.５％を採用して、反射がすべて積分球１０９に捕捉されるとした場合、測定される内部量子効率は０.７２１となり、０.０２９下がる。この下がり幅は、後述する図６に示す太陽電池の裏面構造に起因する、波長９５０ｎｍの励起光に対する内部量子効率の０.０２程度の変化とほぼ同じであり、裏面構造による影響を隠すに至らない。より大きなスポットサイズでは、励起光スポットに示す電極の面積の割合の上限が下がるため、表面電極の影響をより小さくすることができ、太陽電池の裏面構造の影響を特別な画像処理を行わずに可視化することができる。

【0034】

また、太陽電池の評価装置１００の空間分解能は、励起光スポットサイズ、主たる励起領域における少数キャリア拡散長、及び主たる励起領域に達するまでにスポットが受光面のテクスチャなどで散乱される大きさの、計三つの二乗平均平方根で決定されると考えられる。少数キャリア拡散長は、ｎｐ接合面の深さやキャリアのドープ濃度、基板の種類によって全く違う値となり、太陽電池を評価するにあたって、その基板の少数キャリア拡散長はほとんどの場合不明であり、本実施形態における励起光スポットサイズの選択においては０とみなす。テクスチャはランハート則でよく近似される散乱を生じさせるため、スポットが拡散される大きさは太陽電池の厚みと同程度である。

【0035】

図２は、本発明で評価される太陽電池の一例の断面図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。図２において、太陽電池２０１は裏面パッシベーション（ＰＥＲＣ）型シリコン結晶太陽電池で、ｐ型にドープされた結晶シリコンウェハであるｐ型シリコン基板２０３の表面側を受光面とし、表面側がテクスチャ構造とされ、そこにはｎ⁺拡散層２０４の表面に窒化シリコン（ＳiＮ）膜２０５が被覆形成されている。絶縁膜であるＳiＮ膜２０５は、パッシベーション膜及び反射防止膜として機能する。また、ｎ⁺拡散層２０４及びＳiＮ膜２０５のテクスチャ構造には、複数の電極２０２が焼成貫通により互いに平行に形成されている。電極２０２は、平面が長方形状の銀（Ａg）製の電極で、その長手方向（図２の紙面と直交する方向）と直交する電極幅が一例として０.１ｍｍで、隣接する２つの電極の幅方向の間隔（電極間距離）は１.８ｍｍである。

【0036】

ｐ型シリコン基板２０３の裏面側には絶縁膜として例えば酸化アルミ膜２０６がパッシベーション膜として形成されている。酸化アルミ膜２０６は、例えば１ｍｍ間隔で０.１ｍｍ幅の溝が掘られ、その上からアルミニウム（Ａl）ペーストを塗布後熱処理することで、この溝部分でＡlとＳiとが合金化されたＢＳＦ型の電極２０７が形成されている。一方、溝以外の酸化アルミ膜２０６上にはＡl製の電極２０８が形成される。したがって、ＢＳＦ型の電極２０７とＡl電極２０８とは１ｍｍ間隔で接合されている。また、表面側の電極２０２及び裏面側のＢＳＦ型の電極２０７は、いずれも電極幅が０.１ｍｍと同じであるが、隣接する２つの電極の幅方向の間隔（電極間距離）は、電極２０２が１.８ｍｍ、電極２０７が１.０ｍｍと異なる。この太陽電池２０１の大きさは、幅１５６ｍｍ×奥行１５６ｍｍ×厚み０.２ｍｍである。

【0037】

次に、図１の太陽電池の評価装置１００による図２の断面構造のＰＥＲＣ型太陽電池２０１を評価対象とする評価方法について、図３及び図４のフローチャート並びに図５の波長対内部量子効率特性を併せ参照して詳細に説明する。本実施形態は、図３のステップＳ１１以降の処理に特徴があるが、それ以前のステップＳ１〜Ｓ１０で量子効率スペクトル測定による性能低下要因の切り分けを行う。そのため、まず、評価装置１００は、試料台１１７の上に太陽電池２０１を載置した状態で太陽電池２０１の量子効率スペクトル測定を行う（図３のステップＳ１）。また、ステップＳ１では事前に基準試料についても同様にして量子効率スペクトルの測定を行う。

【0038】

ここで、図１の例えばハロゲンランプ及びキセノンランプの２灯式光源である白色光源１０１から出射した白色光は、レンズ１０２により平行光とされ、チョッビング周波数８１Ｈｚの光学チョッパ１０３を経て分光器１０４に入射し、ここでＰＣ１２４からの制御により所望の波長λの単色励起光とされ、続いて絞り１０６により所望のスポットサイズに整形される。絞り１０６を出射した単色励起光は、ビームスプリッタ１０７により光路が２分され、一方は放射面鏡１１０で反射されて励起光センサ１１１に入射し、他方は放射面鏡１０８で反射されて太陽電池２０１の表面側の電極２０２に入射する。電極２０２に入射した単色波長光は電極２０２で反射されて積分球１０９の開口部から積分球１０９の内部に導入されて、積分球１０９の内壁面で再び反射された後集光されて、積分球１０９の別の開口部から導出されて反射光センサ１１２に入射する。

【0039】

ロックインアンプ１２１は、励起光センサ１１１及び電流電圧変換器１１３により得られた単色励起光の光電変換信号に基づき、励起光強度Ｐを示す直流電圧を出力する。また、ロックインアンプ１２２は、反射光センサ１１２及び電流電圧変換器１１４により得られた電極２０２の全反射光強度Ｐ_rを示す直流電圧を出力する。また、ロックインアンプ１２３は、電流電圧変換器１１５を介して得られた電極２０２からの出力信号に応じて太陽電池２０１が出力する光電流Ｉに応じた直流電圧を出力する。ＰＣ１２４は、ロックインアンプ１２１、１２２及び１２３から供給される直流電圧に基づいて量子効率スペクトルを測定し、また前述した（２）式により内部量子効率を算出する。

【0040】

ステップＳ１では、太陽電池２０１の受光面側のある一点にスポットサイズ１ｍｍの励起光を、波長３００ｎｍから１２５０ｎｍまでの範囲で可変しながら照射して、太陽電池２０１の量子効率スペクトルを測定する。ステップＳ１では基準試料についても上記と同様にしてその量子効率スペクトルを測定する。ここで、基準試料はＰＥＲＣ型太陽電池２０１と比較して、裏面構造がパッシベーション膜を有しない構造だけでそれ以外はＰＥＲＣ型と同じである、ＢＳＦ層の上にＡl電極が形成されたＢＳＦ型太陽電池である。基準試料として用いられるＢＳＦ型太陽電池は、エネルギー変換効率が設計で期待できる値に近い１９.３％を示す高品質試料である。

【0041】

図５は、ＰＥＲＣ型太陽電池と基準試料の波長対内部量子効率特性を示す。図５において、実線の特性ａはＰＥＲＣ型太陽電池２０１の波長対内部量子効率特性、破線の特性ｂは上記基準試料の波長対内部量子効率特性を示す。内部量子効率は測定した量子効率スペクトルから計算により求められる。両特性ａ、ｂを比較すると、８００ｎｍから１０５０ｎｍまでの波長範囲で特性ａが特性ｂより劣っているが、他の波長範囲では特性ａは特性ｂと同等かそれより良好な特性を示している。このことから特性ａのＰＥＲＣ型太陽電池２０１は裏面側での少数キャリアの再結合速度が速いことが推定できる。この測定結果に基づく空間的に平均した特性の評価から以下に示すイメージング測定の際の波長選択を行う。

【0042】

次に、評価装置１００のＰＣ１２４は、ステップＳ１で測定された太陽電池２０１の量子効率が３００ｎｍから１２５０ｎｍまでの全測定波長範囲において基準試料の量子効率あるいは設定値以上であるか否かを判定する（図３のステップＳ２）。量子効率が全測定波長範囲において基準試料あるいは設計値と等しいかそれより高い場合、太陽電池２０１の開放電圧や短絡電流は基準通りの値になっているはずであり、抵抗が性能低下の要因になっている。よって、この場合は、電極不良あるいはｐ型シリコン基板２０３での高抵抗がその要因であると推定できる（図３のステップＳ３）。

【0043】

一方、太陽電池２０１の量子効率が基準試料の量子効率あるいは設定値よりも低い場合は、全測定波長範囲にわたって低いか否かを判定する（図３のステップＳ４）。太陽電池２０１のようなＳi系太陽電池では、一般に励起波長が５００ｎｍ〜７５０ｎｍで９８±２％程度となり、波長依存性が殆どない。これは励起光のシリコン基板への侵入長が太陽電池のｎｐ接合の深さと近しいため、光励起キャリアがほぼすべてｎｐ接合に到達するためである。このときの内部量子効率は電極によるキャリアの回収効率にほぼ等しい。５００ｎｍ〜７５０ｎｍの励起光の波長範囲で量子効率が基準試料あるいは設計値よりも低い場合は、ｎｐ接合の形成不良による再結合や、ｎｐ接合の短絡によるキャリア回収率の低下が起こっているため、量子効率は全測定波長範囲にわたって低い値となる。結晶品質の不良によりｐ型シリコン基板２０３中の再結合が位置にかかわらず極めて速い場合にも似たような全測定波長範囲で低い量子効率スペクトルが観測される。そのため、評価装置１００のＰＣ１２４は、全測定波長範囲のすべてにおいて太陽電池２０１の量子効率が基準試料あるいは設計値より低い場合はｎ⁺拡散層２０４とｐ型シリコン基板２０３とのｎｐ接合での再結合か、短絡あるいはＳi結晶中の低品質と評価し、その対策のための処理を行う（図３のステップＳ５）。

【0044】

ステップＳ５の処理について更に図４（Ｃ）のフローチャートとともに説明する。ｎｐ接合は太陽電池表面のテクスチャ構造を作った後、イオン拡散やイオン打ち込みによってｎ⁺拡散層２０４を形成することで得られるが、特にイオン打ち込みにおいてはテクスチャ形状の陰で打ち込み量不足や熱処理不足により接合形成不良となり、量子効率の低下が起きやすくなっている。

【0045】

そこで、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下、及びスポットサイズ１０μｍ以下、望ましくは１μｍ以下とした励起光を太陽電池２０１上に照射するとともに、太陽電池２０１の表面の横４ｍｍ×縦７ｍｍの範囲について、横方向に１０μｍ以下、縦方向に１０μｍ以下のピッチで設定した測定点上に励起光スポットが順次に来るように、ＰＣ１２４はステッピングモータ１１８及び１１９を制御して試料台１１７をｘ軸方向及びｙ軸方向に間欠的に移動させながら、ロックインアンプ１２１〜１２３からの信号に基づいて、内部量子効率及び反射率を測定する（ステップＳ５１）。以下、この試料台１１７及び太陽電池２０１の間欠移動による測定をマッピング測定というものとする。

【0046】

続いて、ＰＣ１２４は、ステップＳ５１の測定結果に基づき、各測定点の前記照射光波長での内部量子効率を計算し（ステップＳ５２）、その計算結果から内部量子効率が低い領域を判定する（ステップＳ５３）。そして、内部量子効率が低い領域がテクスチャ構造と対応している場合は、テクスチャによる陰影の影響を低減するための対策を行う（ステップＳ５４）。例えば、イオン打ち込み時の角度や回転条件を変更し、ｎｐ接合のｘｙ平面、つまり受光面に沿った空間一様性を高める工夫を行う。一方、内部量子効率が低い領域が一様である場合は、イオンの注入量や熱処理の変更により深さ方向、すなわち受光面と垂直な方向にドープされた物質がどう分布するかを左右するプロセスの条件を改善する、イオン注入量や熱処理の最適化を行う（ステップＳ５５）。

【0047】

図３に戻って説明する。ＰＣ１２４はステップＳ４で太陽電池２０１の量子効率が測定した全波長範囲で基準試料のそれより低くない（高い波長もある）と判定したときは、低い波長領域がどの領域であるかを検出する（ステップＳ６）。これは評価対象の太陽電池の量子効率スペクトルを基準試料のそれや設計値と比較した場合、際立って低い波長領域がある場合はその波長から性能低下要因を推定できるからである。すなわち、励起波長５００ｎｍ以下の量子効率が低い場合は、光励起キャリアはｎｐ接合面より更に受光面である表面側近くに集中するため、表面側のパッシベーション膜（すなわち、ＳiＮ膜２０５）の不良による表面再結合が速く、ｎｐ接合面へキャリアが到達していないと評価する（ステップＳ７）。

【0048】

また、ステップＳ６で太陽電池２０１の量子効率が基準試料のそれよりも低い波長領域が８００ｎｍ付近（７００ｎｍ〜９００ｎｍ）であると検出したときは、基板での再結合と評価する（ステップＳ８）。すなわち、この場合、殆どの光励起キャリアはｐ型シリコン基板２０３に吸収され、受光面側への拡散の末に接合面に到達しているので、この領域での量子効率が低い場合はｐ型シリコン基板２０３でのキャリア再結合が速いことが性能の決定要因となっている。

【0049】

ステップＳ８の処理について、更に図４（Ａ）のフローチャートとともに説明する。まず、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下の励起光を１ｍｍ以上、望ましくは１ｃｍ程度の大きなスポットサイズで太陽電池２０１上に照射し、横方向に１ｃｍ以下、縦方向に１ｃｍ以下のピッチで設定した測定点の量子効率及び反射率のマッピング測定を行う（ステップＳ８１）。続いて、ＰＣ１２４は、ステップＳ８１の測定結果に基づき、各測定点の前記照射光波長での内部量子効率を計算し（ステップＳ８２）、その計算結果から量子効率が低い領域を判定する（ステップＳ８３）。

【0050】

ここで、単結晶シリコンでは結晶の中心に対して回転対称な構造が、また多結晶シリコンの場合は結晶粒の大きさに対応した斑模様が観測されるような場合、ｐ型シリコン基板２０３中のキャリア再結合が太陽電池の性能を下げている。そこで、ステップＳ８３において、内部量子効率が低い領域が、太陽電池の中心に対して同心円状の領域等、シリコン結晶特有の構造を示している場合は、シリコン結晶の低品質による再結合であると評価する（ステップＳ８４）。一方、内部量子効率が低い領域が上記のシリコン結晶特有の構造を示していないときは、評価対象の太陽電池の性能を下げている原因はｎｐ接合での再結合や短絡であると評価する（ステップＳ８５）。

【0051】

ところで、電極未形成の太陽電池や半導体ウェハに対してはμＰＣＤ法などでキャリア寿命の空間分布図が得られるが、電極が既に形成された太陽電池では同様の評価を行うためには電極領域を光励起しないような工夫が必要であり、非常に難しい。これに対し、本実施形態ではマッピング測定する量として内部量子効率を選び、１ｃｍ程度に空間解像度を落とすことで大面積の太陽電池における品質の空間的な不均一を可視化することができる。

【0052】

再び図３に戻って説明する。ＰＣ１２４はステップＳ６で太陽電池２０１の量子効率が基準試料のそれより低い波長領域が１０００ｎｍ以上１２５０ｎｍ以下であると検出したときは、光閉じ込め不良が試料の太陽電池２０１に生じていると評価する（ステップＳ９）。例えば、１０５０ｎｍ以上の波長領域では励起光の侵入長が１ｍｍ以上となり、励起光が太陽電池中で何度も反射したうえで吸収されるため、光励起キャリアの深さ方向の非一様性はなくなり、その波長依存性もない。この波長領域では光閉じ込めによる励起光の多重反射が行われる回数が多いほど、量子効率スペクトルの長波長へのテールが伸びる。この波長領域の量子効率が低い場合は、光閉じ込め構造の不良が考えられる。

【0053】

ステップＳ９の評価について更に図４（Ｂ）に示すフローチャートとともに説明する。まず、波長５００ｎｍ以上７５０ｎｍ以下、及びスポットサイズ１０μｍ以下、望ましくは１μｍ以下とした励起光を太陽電池２０１上に照射するとともに、太陽電池２０１の表面の横１０μｍ×縦１０μｍ以上の範囲について、横方向に１０μｍ以下、縦方向に１０μｍ以下のピッチで設定した測定点の反射率のマッピング測定を行う（ステップＳ９１）。続いて、ＰＣ１２４は、ステップＳ９１の各測定点の測定結果が示す反射率の構造が、結晶粒界と対応しているか一様であるかを判定し（ステップＳ９２）、反射率の変化が結晶粒界と対応していると判定したときは、太陽電池の性能低下が結晶方位による異方性の影響によるものと評価する（ステップＳ９３）。こうした変化は水酸化カリウム系溶液による化学プロセスで起きやすいため、弗酸・硝酸混合液やプラズマエッチングといった、より面方位の影響を受けにくいプロセスの採用を検討する。一方、反射率が一様であると判定したときは、テクスチャの設計・条件を見直す（ステップＳ９４）。

【0054】

再び図３に戻って説明する。ＰＣ１２４はステップＳ６で太陽電池２０１の量子効率が基準試料のそれより低い波長領域が９００ｎｍ付近、すなわち７５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下であると検出したときは、図５に示したように太陽電池２０１は裏面側での少数キャリアの再結合が生じていると判定し（ステップＳ１０）、以下本発明特有の処理を行う。励起波長９００ｎｍ〜１０００ｎｍでは光励起キャリアが太陽電池裏面付近でも生成し始めるため、この波長領域の量子効率が低い場合、裏面側のパッシベーション膜不良などによる速い少数キャリア再結合が疑われる。

【0055】

ステップＳ１０に続いて評価対象の太陽電池に裏面側構造があるか否かを判定し（ステップＳ１１）、Ａl-ＢＳＦ型などの裏面が一様な太陽電池の場合は裏面プロセスの改良を行う（ステップＳ１２）。一方、ＰＥＲＣ型太陽電池のような裏面側構造がある場合は表面電極があるか否かを判定し（ステップＳ１３）、表面電極が無い場合は絞り１０６により励起光のスポットサイズを基板厚み程度とし（ステップＳ１４）、表面電極が有る場合は絞り１０６により励起光のスポットサイズを電極幅の２倍以上、かつ、基板厚みに極力近いスポットサイズとする（ステップＳ１５）。ここで、マッピング測定する場合の励起光のスポットサイズは小さいほど空間分解能が良くなるが、裏面構造を評価する場合の空間分解能は基板の表面に平行な方向の少数キャリア拡散及び表面側のテクスチャ構造による基板厚み程度の励起光スポットの滲みの影響により、ある程度以上は良くならない。

【0056】

小さなスポットサイズでは励起パワーを大きくしずらいため、また、必要以上にスポットサイズを小さくするとＳ／Ｎ比の低下が起きるため、本実施形態では太陽電池に裏面構造があるが表面電極が無い場合は、ステップＳ１４にてスポットサイズを基板の厚み程度に選ぶ。一方、図２に示した太陽電池２０１のように裏面構造のある太陽電池の表面側に電極２０２がある場合、スポットサイズが大きいほど表面側の電極２０２による影響を平均化して抑制することができるため、本実施形態では上記のステップＳ１５において、励起光のスポットサイズを電極２０２による影響を抑制するために電極幅の２倍以上とし、この条件を満たしたうえで基板厚みに極力近いスポットサイズとする。このようにステップＳ１５により決定されるスポットサイズは、評価対象の太陽電池の表面側から入射する励起光により、その太陽電池の表面側構造の影響を殆ど受けることなく裏面側構造を実用上十分に観測できるサイズである。

【0057】

ここでは、太陽電池２０１は図２に示したＰＥＲＣ型であり表面側には電極２０２が、裏面側には電極２０７がそれぞれ存在するので、励起光のスポットサイズは、ステップＳ１５により電極幅の２倍以上、かつ、基板厚みに極力近い値とされる。一例として、太陽電池２０１が基板厚さ０.１２ｍｍ、選択可能なスポットサイズは０.８ｍｍ、０.４ｍｍ、０.２ｍｍ、０.１ｍｍであり、その中から電極２０２の電極幅０.１ｍｍの２倍以上、かつ、基板厚みに最も近い０.２ｍｍを使用するスポットサイズとして決定した。

【0058】

続いて、ＰＣ１２４はステップＳ１４又はステップＳ１５により決定されたスポットサイズの励起光の波長λを、分光器１０４を制御して７５０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下、実施例においては９５０ｎｍとし、太陽電池２０１の表面の横１ｍｍ×縦１ｍｍ以上の範囲について、横方向に０.２ｍｍ以下、縦方向に０.２ｍｍ以下のピッチで設定した測定点、実施例においては横４ｍｍ×縦７ｍｍの範囲について、横方向に０.２ｍｍ、縦方向に０.１ｍｍのピッチで設定した２０×７０点の測定点上で量子効率のマッピング測定及び反射率のマッピング測定を行う（ステップＳ１６）。そして、ＰＣ１２４は量子効率のマッピング測定値に基づいて前記（２）式により内部量子効率を計算し、反射率のマッピング測定値に基づいて前記（１）式により反射率を計算する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７で計算された内部量子効率及び反射率の一例を図６及び図７に示す。

【0059】

図６は、太陽電池２０１の励起光波長９５０ｎｍにおける内部量子効率を濃淡プロットした図を示す。同図において、ｘ軸方向は電極２０２及び２０７の長手方向であり、ｙ軸方向は電極２０２及び２０７の幅方向である（後述の図７及び図８も同様）。同図において黒色領域は内部量子効率の低い電極間の領域を示しており、励起光波長９５０ｎｍにおける内部量子効率は、ｘ軸方向にほぼ一様で、ｙ軸方向では裏面側の電極２０７の電極間距離である１ｍｍ間隔で内部量子効率の高い領域と低い領域とが交互に現れている。すなわち、図６は表面側（受光面）からの内部量子効率の図ではあるが、表面側の電極２０２の特徴を排して裏面側の構造による内部量子効率の変化がディスプレイ１２５及び印刷機１２６により可視化されている。このように、図６は太陽電池２０１の励起光波長９５０ｎｍにおける内部量子効率は裏面側の電極２０７の影響があることを示している。

【0060】

図７は、太陽電池２０１の励起光波長９５０ｎｍにおける反射率を濃淡プロットした図を示す。同図において、黒色領域は反射率の低い電極間の領域を示しており、励起光波長９５０ｎｍにおける反射率は、ｘ軸方向にほぼ一様で、ｙ軸方向では表面側の電極２０２の電極間距離である１.８ｍｍ間隔で反射率の高い領域と低い領域とが交互に現れている。このように、図７は太陽電池２０１の励起光波長９５０ｎｍにおける反射率は表面側の電極２０２の反射率のみを示している。

【0061】

ＰＣ１２４はステップＳ１７に続いて、分光器１０４を制御して励起光の波長λを１２００ｎｍ以上（実施例においては１２００ｎｍ）に切り替えて前述した２０×７０点の各測定点の反射率のマッピング測定を行う（ステップＳ１８）。そして、ステップＳ１７で計算した内部量子効率が所定値より低い領域において、ステップＳ１８で測定した反射率が設定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ１９）。

【0062】

図８は、太陽電池２０１の励起光波長１２００ｎｍにおける反射率を濃淡プロットした図を示す。図８は、表面側の電極２０２による反射率の上昇が無い領域で、非一様な反射率が観測されている。これは、この波長１２００ｎｍでは入射光がｐ型シリコン基板２０３に吸収されないため、裏面側の構造が透けて見えたものである。裏面側の合金層である電極２０７による吸収がある領域が、全反射による高い反射率を示す絶縁膜領域よりも暗く見えることによるものである。すなわち、図８は、波長１２００ｎｍの励起光を用いて測定される反射率により、電極２０７等の裏面側の構造が観測できることを示している。

【0063】

ＰＣ１２４は、ステップＳ１９で反射率が設定値よりも高いと判定したときは、裏面側のパッシベーション膜として機能する酸化アルミ膜２０６の導電率が設計値よりも高いと判断し、成膜条件を見直す（ステップＳ２０）。一方、ＰＣ１２４は、ステップＳ１９で反射率が設定値以下と判定したときは、裏面側の合金層である電極２０７の導電率が設計値より低く、電極２０７の形成不良であると判断し、合金層の焼成条件を見直す（ステップＳ２１）。なお、ステップＳ２０及びＳ２１の判定時には、１１００ｎｍ以下の波長（実施例では９５０ｎｍ）の励起光で測定される反射率により見えた表面の電極２０２の影響は排除する必要がある。

【0064】

このように、本実施形態の太陽電池の評価装置１００によれば、高精度で内部量子効率が測定できる測定系に、高精度で評価対象の太陽電池２０１を水平面の２軸方向に移動できる試料台１１７を組み合わせ、太陽電池２０１の受光面側のある一点にスポットサイズ１ｍｍの励起光を照射して測定した量子効率が、或る波長の時に基準試料のそれよりも低い場合は、その理由が裏面側構造の影響によるものと判断し、その波長でスポットサイズを表面側電極２０２の幅の２倍以上でかつ基板厚みに極力近い値とした励起光を太陽電池に照射することで表面側構造の影響を殆ど受けることなく裏面側構造の測定及び評価ができる。このため、光励起キャリアライフタイム測定などが困難である、既に電極が形成された太陽電池の裏面側構造の非破壊評価ができ、製造プロセスの最適化を促進することができる。

【0065】

また、本実施形態の太陽電池の評価装置１００によれば、上記スポットサイズの励起光の波長を９５０ｎｍとしてシリコン系太陽電池に照射してマッピング測定して得た内部量子効率と、シリコン基板に吸収されない波長１２００ｎｍの励起光をシリコン系太陽電池に照射してマッピング測定して得た反射率とに基づいて裏面構造の酸化アルミ膜２０６及び合金層である電極２０７が設計通りの効率が得られているかを評価することができる。

【0066】

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、例えば基準試料の量子効率スペクトルは評価対象の太陽電池のうち故障していないものの量子効率スペクトルで代用してもよく、また設計上理論的に得られる量子効率スペクトルで代用してもよい。また、図６−図８で内部量子効率や反射率を濃淡プロットとして可視化しているが、等高線を用いて可視化することもできる。

【0067】

また、本発明は、図３及び図４に示したフローチャートの動作をＰＣ１２４により実行させる太陽電池の評価用プログラムも包含するものである。この太陽電池の評価用プログラムは、通信ネットワークを介して配信されてＰＣ１２４の実行プログラム格納メモリ（図１ではＰＣ１２４のブロック内にあるものとしている）にダウンロードしたものでもよいし、記録媒体から再生されて上記メモリにダウンロードされたものでもよく、ダウンロードの方法は問わない。

【産業上の利用可能性】

【0068】

本発明は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、ガリウム砒素単結晶、インジウムガリウム砒素単結晶、ガリウムリン単結晶、インジウムガリウムリン単結晶、ゲルマニウム単結晶、カルコパイライト系I-III-VI族化合物、ペロブスカイト化合物、カドミウムテルル、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化スズ、及びシリコンゲルマニウム単結晶の少なくともいずれかの材料で構成された太陽電池セルを評価対象の太陽電池とすることができ、評価対象が極めて広範囲で有用である。

【符号の説明】

【0069】

１００ 太陽電池の評価装置
１０１ 白色光源
１０２ レンズ
１０３ 光学チョッパ
１０４ 分光器
１０５ 暗箱
１０６ 絞り
１０７ ビームスプリッタ
１０８、１１０ 放物面鏡
１０９ 積分球
１１１ 励起光センサ
１１２ 反射光センサ
１１３、１１４、１１５ 電流電圧変換器
１１６ ラボジャッキ
１１７ 試料台
１１８、１１９ ステッピングモータ
１２１、１２２、１２３ ロックインアンプ
１２４ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１２５ ディスプレイ
１２６ 印刷機
２０１ 太陽電池
２０２ Ａg電極
２０３ ｐ型シリコン基板
２０４ ｎ⁺拡散層
２０５ ＳiＮ膜
２０６ 酸化アルミ膜
２０７ ＢＳＦ型の電極
２０８ Ａl電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】