B1500Aを使用した太陽電池セルのIV/CV特性評価 | キーサイト
アプリケーションノート
はじめに
化石燃料に代わる代替エネルギーの出現が強く望まれる中、世界的な環境問題への取り組みが進んでいます。それに伴い、長期にわたり枯渇することなく、環境にも優しい信頼性の高いエネルギー技術として、太陽電池セルによる太陽光発電システムへの関心が高まっています。低コストでより高い変換効率を持つ太陽電池セルを生産し、それによって太陽から注がれる無限のエネルギーを活用するために、様々な種類の太陽電池セルの開発に継続的な取り組みが行われています。
KeysightB1500A半導体デバイス・アナライザは、半導体デバイスの特性評価に用いられる標準的な測定器です。電流／電圧（IV）測定やキャパシタンス／電圧（CV）測定などの、多くの太陽電池セルの測定内容は半導体デバイスの測定内容と同じであるため、B1500Aは太陽電池セルの特性評価においてもとても有効な測定器と言えます。このアプリケーション・ノートでは、従来のシリコン太陽電池から最新技術を駆使した新種の太陽電池に及ぶ、様々な種類の太陽電池セル評価へのB1500Aの利用法を紹介します。
太陽電池セルとは
太陽電池セルの静的特性と動的特性を表すモデルには、一般的に異なる等価回路が用いられます。図1はそれぞれに用いられる等価回路モデルを図示したものです。
太陽電池セルの静的振る舞いを表す直流等価回路は、一般的に並列に接続された電流源、pn接合ダイオード、シャント抵抗（Rsh）と、それらと直列に接続された抵抗（Rs）で構成されます。電流源は、光によって注入される電荷量を表します。Rsは、基本的にはバルク抵抗などによる太陽電池セルの全オーミック損失を表します。Rsをより小さくすることが、太陽電池セルの変換効率を増加させることにつながります。Rshはバルクにおける再結合やデバイス表面における再結合に伴う電流の損失を表します。この場合は、より大きなRshを持つセルほど電流損失が少ないため、より高い変換効率を持つ太陽電池セルということになります。
交流等価回路には一般的に三素子モデルが用いられ、並列キャパシタンス（Cp）、並列抵抗（rp）及び直列抵抗（rs）で構成されます。この交流等価回路は太陽電池セルの動的振る舞いを表すために用いられます。Cpは空乏層容量（Ct）と拡散容量（Cd）の並列接続で構成され、CtもCdも印加電圧に依存します。加えて、Cdは交流信号周波数にも依存します。rpはRshと動的抵抗（Rd）の並列接続で、Rdもまた印加電圧依存性を示します。
様々な種類の太陽電池セルの開発が行われていますが、現在工業生産されている太陽電池セルの大部分は単結晶シリコン、多結晶シリコン、あるいはアモルファス・シリコンなどを用いたシリコン系太陽電池です。シリコンは自然界に豊富な安定した物質であり、電気的にも物理的にも化学的にもバランスのとれた特性を持ち、また大量生産にも理想的な物質です。こうした特性のおかげで、シリコンは電子工学分野において好ましい物質となったわけですが、同じ理由から太陽電池セルの分野においてもシリコン系のデバイスが支配的となっています。しかしながら、依然としてある程度の改善の余地があるとはいえ、シリコン系太陽電池セルの性能はほぼ理論限界値に近づいています。その上、太陽電池セルへの潜在的な需要に対して、太陽電池セルの変換効率を最適化する上で必要とされる、高品質、高純度のシリコン結晶はコストも高く、その供給が不足することも懸念されています。こうした現状から、変換効率を向上しながらも低コスト化を実現するために、Cu（In、Ga）Se（2CIGS）などの化合物半導体太陽電池や色素増感型太陽電池（DSC）といった新たな材料を用いた太陽電池セルの開発が進められています。
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