太阳能电池评价的观察和分析
近年来，为了实现防止地球变暖等环境保护的目标，不断推进抑制化石燃料消耗以及扩大太阳能发电的举措。使用太阳能电池的主要优势在于，只要是太阳光能照射的地方，就可获得丰富的清洁能源。此外，发电效率不受设备规模的影响，只要可获得太阳光，就基本上无需选择安装场所，有效获得能源，因此需求正在不断扩大。
下面将从太阳能电池的工作原理、结构等基础知识开始，介绍高精细观察、高精度测量和分析、定量评价，以及高效率地实现以上功能的案例。
- 太阳能电池的工作原理、结构以及转换效率
- 太阳能电池的观察、测量、分析以及评价的课题
- 实现太阳能电池的高效观察、测量、分析和定量评价的显微系统案例
- 实现太阳能电池的观察、测量、分析以及评价创新的4K显微系统
太阳能电池的工作原理、结构以及转换效率
目前，流通的太阳能电池的主流是“硅酮系列太阳能电池”和“化合物半导体系列太阳能电池”。目前使用的太阳能电池中，硅酮系列太阳能电池占据了大半部分，在制造成本方面占据有利的化合物半导体系列太阳能电池的份额也呈增长趋势。下面将说明太阳能电池的基本工作原理、结构、硅基太阳能电池和化合物半导体太阳能电池各自具有代表性的材质及转换效率。
太阳能电池的工作原理
广泛使用的硅基太阳能电池在内部具有重合两种电气性质不同种类（P型、N型）的半导体结构。
当阳光照射到太阳能面板时，会产生电子（－）和空穴 （＋）。空穴被P型半导体所吸引，电子被N型半导体所吸引。例如，在下图中，表面和背面的电极上连接灯泡等负载后，就会有电流流过。
- A：反射防止膜
- B：N型硅酮
- C：P型硅酮
- D：电极
- E：电流
太阳能电池的结构
太阳能电池的结构和各部分名称如下图所示，下面将对各部分和形态的名称进行说明。
- A：电池片
- B：模块
- C：阵列
- 电池片
- 太阳能电池的最小单位。
- 电池串联/电池列阵
- 1个电池片的输出电压低，为了获取必要电压，串联连接多个电池片的方式称为电池串联。
为了获得必要输出而串联或并联连接多个电池串联的方式称为电池列阵。
- 模块
- 为了使电池列阵可在室外使用而将其封装，因此也称为太阳能电池面板。这是采取了用树脂或强化玻璃保护内部的电池片等组件，并安装在外框上以增加强度等措施后的状态。
- 列阵
- 排列多个模块后连接的方式。
太阳能电池的转换效率与材质
表示太阳能电池性能的规格中，“转换效率”是一个重要的参数。转换效率是指表示在入射的太阳能中转换为电能比例的数值。“模块转换效率”和“电池片转换效率”是2个具有代表性的太阳能电池转换效率指标。下面分别进行说明。
- 模块转换效率
-
模块转换效率一般用作表示太阳能电池模块（太阳能电池面板）发电能力的指标。模块转换效率是指表示太阳能电池模块的每1 ㎡可将约1 kW的光能转换为电能比例的百分比形式的数值，可用以下计算公式求出。
- 电池片转换效率
-
电池片是构成太阳能电池模块的最小单位构成部件。电池片转换效率是表示每块太阳能电池片转换效率的指标。电池片转换效率由以下公式计算。
经过不断研发，电池模块和电池片的转换效率正在逐年提高。但是，以当代的技术水平，由于太阳能面板的光线反射、电池片自身电阻等原因，不可能100％吸收入射的光能源并全都转换为电力。
- 太阳能电池的材质和特点
- 太阳能电池的用途多样，各用途要求的功能各异，成本也各有不同，因此会采用各种材质，其转换效率也有差异。因此，各公司为了提高转换效率、降低成本，正在努力研发材料和制作方法。
下面将从硅基太阳能电池和化合物半导体太阳能电池的分类开始，说明各种具有代表性的材料及其特点。
- 【硅酮系列】
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- 单结晶
- 使用单结晶硅酮，虽然价位高，但转换效率以及可靠性高。
- 多结晶
- 多结晶硅酮比单结晶硅酮成本低，较为普及。
- 非晶形
- 由于不使硅酮结晶，因此比多结晶硅酮成本低，但是转换效率低。
- 多接合型
- 非晶形硅酮以及薄膜多结晶硅酮等，采取了层积不同太阳能电池的串联结构的类型，具有很高的转换效率。
- 【化合物半导体系列】
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- CIS
- 以铜、铟、硒为原料，具有相对较高的转换效率和较低的成本。
- CIGS
- 在CIS太阳能电池中加入镓后，使材料转为4个元素的电池。转换效率比CIS太阳能电池略高。
- CdTe
- 以镉和碲为原料，在欧美得到普及。
- GaAs
- 以镓和砷为原料，具有优秀的转换效率，但是价格偏高。应用包括人造卫星等。
太阳能电池的观察、测量、分析以及评价的课题
在太阳能电池行业中，在重视环境保护和可再生能源需求扩大的背景下，各公司都在推动提高转换效率和降低成本的研发，为了抢占新市场而相互竞争。此外，为了提供品质稳定的太阳能发电和蓄电产品，售后市场也要求高水平的品质保证和品质管理，以维持这些产品的可靠性。
另一方面，太阳能电池在结构上为了增加表面积，会在表面形成凹凸。而且，各部分混有颜色和光泽各异的材质，因此准确地观察、测量、分析不良品和试制品的细微电极，是一项相当耗时、难度很高的作业。
用传统显微镜执行此类观察、测量、分析等作业，非常耗时耗力，而且需要操作人员具备一定的熟练度*。此外，使用标尺以目视实施测量时，各测量人员得出的测量值会产生偏差，这也是需要解决的课题之一。
与本公司旧VH系列产品的比较
除此之外，使用扫描电子显微镜（SEM）进行截面观察时，事先准备工作需要花费许多精力和时间，因为不支持彩色观察，所以很难辨识不良位置的材质和异物。
实现太阳能电池的高效观察、测量、分析和定量评价的显微系统案例
近年来，随着数码显微系统的技术进步，解决了传统显微镜的诸多课题，观察、测量、分析等作业的效率也得到大幅的提升*。采用全新的数码显微系统，从通过接近SEM的高精细图像观察太阳能电池的细节，到高精度的二维和三维尺寸测量以及颗粒计数，都可使用自动辅助功能轻松完成。
与本公司旧VH系列产品的比较
实现了易操作、高功能的基恩士超高精细4K数码显微系统“VHX系列”采用先进的高分辨率HR镜头、4K CMOS、照明和图像处理技术，获取清晰的图像并准确测量尺寸，只需1台即可以出众的效率快速完成从太阳能电池的观察、测量、分析到制作报告的作业。
下面我们将为您介绍使用“VHX系列”进行太阳能电池的观察、测量及分析应用案例。
测量电极的3D形状
为提高太阳能电池的转换效率，需尽量减小电极宽度，降低高度。另外，当电极部分使用金等高价材料时，尽量缩小体积有助于降低成本。
传统显微镜难以准确测量微小电极的形状，无法快速测量其3D形状*。
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用4K数码显微系统“VHX系列”可直接从高精细的放大图像中测量出次微米级的3D形状。色差图可将高度数据可视化，同时可测量多个指定位置的轮廓，因此可简单地对比各部位的细微形状。
观察不良位置的截面样本
传统显微镜在以高倍率放大树脂包埋并研磨过观察面的截面样品时，如果样品表面仍然留有少量凹凸，则无法在整体对焦的状态下清晰观察*。如果采用扫描电子显微镜（SEM），需要将样品室变成真空或低真空状态，这种抽真空等事先准备工作需要花费时间和精力，而且无法通过彩色图像进行观察，因此很难辨识同时存在于截面内的材质变化和异物。
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4K数码显微系统“VHX系列”通过4K CMOS和新开发的光学系统实现了大景深。不会受到样品表面凹凸的影响，可在整个视野范围内实现全幅对焦，通过清晰的4K彩色图像进行观察。
此外，采用无需更换镜头便能在20倍至6000倍的范围内自动切换并观察的“无缝缩放”功能，可利用手边的鼠标和控制器快速切换倍率，对截面样品方便快捷地进行高精细观察。
观察太阳能电池模块（面板）
太阳能电池的模块（面板）由颜色和光泽各异的材质混合制作而成，所以细微的凹凸和划痕处对比度很低，对使用传统显微镜观察造成相当大的障碍*。
与本公司旧VH系列产品的比较
4K数码显微系统“VHX系列”配备了“HDR（High Dynamic Range）功能”，可获取不同快门速度下拍摄多张图像后得出的高灰度级图像，观察具有强调纹理的高对比度图像。在使用可在保持样品角度不变状态下从自由角度观察的“多方位观测系统”进行倾斜观察时，可通过深度合成功能，用无论远近都可整体对焦的图像来观察。
晶圆表面的粒子计数
4K数码显微系统“VHX系列”采用“多方位多功能照明”，可从自动控制全方向照明的多张图像中仅选出适合观察的图像，通过此类自动化辅助功能，简化观察所用照明条件的设定流程，缩短设定时间。而且还可轻松复制其它样品的历史设定。
除此之外，还可用简单操作在指定范围内执行自动面积测量和颗粒计数，排除多余的目标物或者分离重叠的目标物等。
这样，无论测量人员有多少经验、熟练度如何，测量数值均不会有偏差，可快速获得高精度的分析结果。
实现太阳能电池的观察、测量、分析以及评价创新的4K显微系统
高精细4K数码显微系统“VHX系列”可用简单操作获得4K高分辨率图像，以其特有的清晰画质可靠地完成观察。直接从观察图像上测量高精度的二维和三维尺寸（3D形状），通过自动面积测量、计数功能快速获取数值数据，实现不会因人而产生偏差的定量评价。
“VHX系列”是一款强大的工具，仅需1台即可解决使用传统显微镜、SEM等设备时存在的课题，大幅地提升作业效率*。另外，还可像电脑一样安装表格计算软件，将图像和测量值存入事先准备的模板，自动完成包括制作报告在内的一系列工作。由此便可提供准确快速的工作流程，从而加快研发速度，快速实施品质保证，缩短品质管理时间，生产出优质的产品。
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