太陽電池内部には、暗電流、逆電流、漏洩電流など、さまざまな種類の電流が存在します。これらの電流は、太陽電池モジュールの出力にそれぞれ異なる影響を与えます。これらの電流の特性を区別することで、モジュールの出力異常の原因を特定し、問題の徹底的な解決に役立てることができます。
ダークカレント
意味
暗電流（無光下における逆飽和電流とも呼ばれる）とは、入射光がない状態で逆バイアス条件下においてPN接合に発生する逆方向直流電流のことである。これは一般的に、キャリア拡散、デバイス表面および内部の欠陥、ならびに有害な不純物によって引き起こされる。
形成
（１）拡散過程：PN接合内部では、N領域に電子が多く、P領域に正孔が多く存在します。この濃度差により、N領域の電子はP領域へ、P領域の正孔はN領域へ拡散します。PN接合内部の電界はこの拡散を阻害しますが、動的平衡状態に達するまで拡散は起こり、拡散電流が形成されます。
（２）欠陥および不純物：デバイスの表面または内部に欠陥が存在すると、それらは再結合中心として働き、電子と正孔を捕捉して再結合を促進します。有害な不純物も同様の役割を果たし、暗電流の発生に寄与します。
インパクト
シリコンウェハの選別において、暗電流はしばしば考慮される項目である。暗電流が過剰であるということは、表面準位の多さ、多数の格子欠陥、有害な不純物、あるいはドーピング濃度の過剰など、ウェハの品質が低いことを示している。このようなウェハから作られた太陽電池は、通常、少数キャリア寿命が短く、変換効率の低下に直接つながる。
太陽電池における暗電流
単純なダイオードでは、暗電流は逆飽和電流に相当する。しかし、太陽電池では、暗電流には逆飽和電流、薄膜漏れ電流、およびバルク漏れ電流が含まれる。
逆飽和電流
意味
逆飽和電流とは、PN接合に逆バイアス電圧を印加した際に流れる電流のことである。逆電圧を印加すると空乏層が広がり、電界と電子のポテンシャルエネルギーが増加する。これにより、多数キャリアが障壁を越えることが困難になり、拡散電流がほぼゼロにまで減少する。
形成
1. ドリフト電流: 電界が増加すると、N領域とP領域の少数キャリアがドリフトしやすくなり、逆方向の電流が形成されます。
2. 温度依存性：少数キャリアは熱によって生成されるため、その数は特定の温度では一定であり、逆方向電流も同様です。
漏洩電流
意味
太陽電池は、薄膜（N型領域）、空乏層（PN接合）、バルク領域（P型領域）の3つの領域に分けられます。これらの領域に存在する欠陥や不純物は再結合中心として働き、電子と正孔を捕捉して再結合を促進します。このプロセスによって微弱な電流が発生し、測定される暗電流に寄与します。
種類
・薄膜漏洩電流：薄膜中の欠陥や不純物によって発生する。
・バルク漏れ電流：バルク領域の欠陥や不純物によって発生する。
暗電流試験の目的
1. 故障の防止
セルに逆バイアスがかかったり、モジュールの極性が反転したりすると、過剰な暗電流が発生し、セルが急速に破壊される可能性があります。このような事態はまれですが、暗電流を測定することで、こうした事態を未然に防ぐことができます。
2. 生産プロセスの監視
暗電流テストは、潜在的なプロセス上の問題を特定するのに役立ちます。暗電流は、逆飽和電流、薄膜リーク電流、およびバルクリーク電流で構成され、それぞれJ1J_1J1、J2J_2J2、およびJ3J_3J3で表されます。
逆電圧が印加された場合：
・領域1：J2J_2J2（薄膜漏洩電流）が支配的。
・領域2：J3J_3J3（バルク漏れ電流）が支配的。
・領域3：J1J_1J1（逆飽和電流）が支配的。
これらの領域の境界は、特定の試験電圧によって決定される。
電圧の影響
セルに電圧を印加すると、シリコンウェハーに電気が注入され、非平衡キャリアが励起されます。電圧が高いほど励起されるキャリアの数が増え、暗電流も増加します。しかし、電圧の上昇に伴い成長速度は低下し、最終的にはセルが破壊されます。
標準テスト
暗電流は通常12Vで測定されます。測定結果を標準曲線と比較することで、セルの状態を評価できます。
・領域1における過剰な暗電流は、薄膜層に問題があることを示しています。
・領域2における過剰な暗電流は、バルク領域に問題があることを示唆している。
・領域3における過剰な暗電流は、拡散、スクリーン印刷、温度の不均一性など、PN接合に問題があることを示しています。
結論
暗電流の測定は、製造工程上の問題点を特定し、太陽電池の生産性を向上させる上で非常に重要です。
