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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Solarzellenmodul, das
eine Zelleneinheit umfasst, die aus mehreren, auf einem einzelnen
Substrat angeordneten Solarzellen zusammengesetzt ist.
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STAND DER TECHNIK
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Chalkopyrit-Solarzellen
sind Solarzellen mit einer Chalkopyrit-Verbindung (hierin nachstehend
als "CIGS" bezeichnet), dargestellt
als Cu(InGa)Se, als eine Lichtabsorptionsschicht. Viel Beachtung
wurde den Chalkopyrit-Solarzellen geschenkt, da sie viele Vorteile
aufweisen, z.B. weisen sie einen hohen Energieumwandlungswirkungsgrad
auf, sind annähernd frei
von lichtinduzierter Degradation infolge von Alterung, weisen eine
ausgezeichnete Strahlungsresistenz auf, weisen einen breiten Lichtabsorptionswellenlängenbereich
auf und weisen einen großen
Lichtabsorptionskoeffizienten auf.
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Wie
in 5 dargestellt ist, sind mehrere Chalkopyrit-Solarzellen 1 der
beschriebenen Art monolithisch auf einem einzelnen Glassubstrat 2 angeordnet,
die eine Zelleneinheit 3 bilden. Jede der Chalkopyrit-Solarzellen 1 umfasst
zum Beispiel eine erste aus Mo hergestellte Elektrodenschicht 4,
eine aus CIGS hergestellte Lichtabsorptionsschicht 5, eine aus
CdS, ZnO oder InS hergestellte Pufferschicht 6 und eine
aus ZnO/Al hergestellte transparente zweite Elektrodenschicht 7,
die nacheinander in der genannten Reihenfolge auf dem Glassubstrat 2 abgeschieden
sind.
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Die
Solarzellen 1 werden hergestellt, wenn sie durch drei Ritzvorgänge zur
Zeit der Bildung der obigen Schichten unterteilt werden. Insbesondere wird
der erste Ritzvorgang durchgeführt,
nachdem die erste Elektrodenschicht 4 aus Mo gebildet ist.
Der zweite Ritzvorgang wird durchgeführt, nachdem die Pufferschicht 6 gebildet
ist. Der dritte Ritzvorgang wird durchgeführt, nachdem die transparente
zweite Elektrodenschicht 7 gebildet ist. Die Quermaße der Solarzellen 1 bestimmen
sich durch Festlegen von Abständen,
in denen die Ritzvorgänge
durchzuführen
sind.
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Wie
in 6 dargestellt ist, ist die Zelleneinheit 3 in
einem Gehäuse 8 durch
ein Harzmaterial, nicht dargestellt, eingeschlossen, wodurch ein
Solarzellenmodul 9 bereitgestellt wird. Mehrere Zelleneinheit 3 können in
dem Gehäuse 8 untergebracht
sein.
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Das
Solarzellenmodul 9 kann eine hohe Spannung erzeugen, die
von mehreren zehn bis mehreren hundert V reichen kann, wenn die
Abstände,
in denen die dem Ritzen zu unterziehende Zelleneinheit 3 zu
ritzen ist, angepasst werden und die Anzahl der in Reihe geschalteten
Solarzellen 1 geändert wird
(siehe zum Beispiel Patentschrift 1). Die Solarzellen 1 sind
in gleiche Abstände
basierend auf in die Ritzvorrichtung programmierte Daten unterteilt,
wie in Patentschrift 2 offenbart ist. Als Ergebnis weisen die Solarzellen 1 identische
Quermaße
auf, wie in 6 dargestellt ist.
- Patentschrift
1: Japanisches offen gelegtes
Patent Nr. 11312815
- Patentschrift 2: Japanisches
offen gelegtes Patent Nr. 2004115356
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Wenn
Solarzellenmodule in der Größe beträchtlich
sind, dann wird häufig
beobachtet, dass das Energieerzeugungsleistungs vermögen des
Solarzellenmoduls kleiner ist, als das von der Solarzellenfläche geschätzte.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat das obige Problem untersucht
und herausgefunden, dass die erzeugten Strommengen jener Solarzellen, die
an den Enden des Solarzellenmoduls 9 angeordnet sind, kleiner
sind, als die erzeugten Strommengen der anderen Solarzellen. Mit
anderen Worten hängt
das Energieerzeugungsleistungsvermögen eines Solarzellenmoduls
in hohem Maße
von den erzeugten Strommengen jener Solarzellen ab, die an den Enden
des Solarzellenmoduls angeordnet sind. Wenn die erzeugten Strommengen
dieser Solarzellen klein sind, dann ist das Energieerzeugungsleistungsvermögen des
Gesamtsolarzellenmoduls nicht ausreichend groß, selbst wenn die erzeugten
Strommengen der anderen Solarzellen hoch sind.
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Es
kann vorgeschlagen werden, die erzeugten Strommengen jeder Solarzelle
zu erhöhen,
die an den Enden des Solarzellenmoduls angeordnet sind, um das Energieerzeugungsleistungsvermögen des Solarzellenmoduls
zu erhöhen.
Um den Vorschlag zu realisieren, können Schwankungen der Schichtdicken
und der Zusammensetzungen eines Vorläufers, der zu der Lichtabsorptionsschicht
verarbeitet wird, und der transparenten zweiten Elektrodenschicht verringert
werden, wenn die Solarzellen hergestellt werden, da unterschiedliche
Schichtdicken und Zusammensetzungen jener Schichten die erzeugte Strommenge
nachteilig beeinflussen.
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Es
kann ebenfalls vorgeschlagen werden, Schwankungen einer Temperaturverteilung
in einem Selenid-Schmelzofen während
eines Selenid-Vorgangs des Vorläufers
zur Herstellung der Lichtabsorptionsschicht zu verringern oder den
Unterschied zwischen Fließgeschwindigkeiten,
jeweils in dem mittleren und dem Endteil des Glassubstrats, einer Lösung zu
verringern, die in einem Chemikalienbad-Bondingprozess (CBD) zur
Bildung der Pufferschicht verwendet wird.
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Wenn
jedoch das Solarzellenmodul in der Größe beträchtlich ist, dann ist es schwierig,
da das Glassubstrat ebenfalls beträchtlich in der Größe ist, die
Schwankungen der Schichtdicken und der Zusammensetzungen des Vorläufers und
der zweiten Elektrodenschicht durch Sputtern zu verringern, die Schwankungen
der Temperaturverteilung in dem Selenid-Schmelzofen zu verringern
und den Unterschied zwischen den Fließgeschwindigkeiten, jeweils in
dem mittleren und dem Endteil des Glassubstrats, der in dem CBD-Prozess
verwendeten Lösung
zu verringern.
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Der
Erfinder hat verschiedene intensive Studien basierend auf den obigen
Ergebnissen durchgeführt
und die vorliegende Erfindung ausgeführt.
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Es
ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Solarzellenmodul
bereitzustellen, das Solarzellen umfasst, deren erzeugte Strommengen im
Wesentlichen einheitlich sind.
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Ein
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Solarzellenmodul
bereitzustellen, das in der Größe beträchtlich
ist und dennoch ein ausgezeichnetes Energieerzeugungsleistungsvermögen aufweist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein Solarzellenmodul bereitgestellt,
das wenigstens eine Zelleneinheit beinhaltet, die mehrere Solarzellen
auf einem einzelnen Substrat umfasst, wobei jede der Solarzellen
eine erste Elektrodenschicht, eine p-leitende Lichtabsorptionsschicht,
eine n-leitende Pufferschicht und eine transparente zweite Elektrodenschicht
umfasst, die nacheinander in der genannten Reihenfolge auf dem Substrat
in einer von dem Substrat fortführenden
Richtung angeordnet sind, wobei die Solarzellen elektrisch miteinander
in Reihe geschaltet sind, worin die Solarzellen mehrere Zellenflächen aufweisen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung gibt es daher Solarzellen mit unterschiedlichen Zellenflächen. Die
unterschiedlichen Zellen flächen
ermöglichen
es, die erzeugte Strommenge der Solarzellen im Wesentlichen zu vereinheitlichen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind diese Solarzellen, die kleinere erzeugte Strommengen aufweisen
würden,
wenn Strom durch ein Solarzellenmodul erzeugt würde, das aus Solarzellen mit identischen
Flächen
zusammengesetzt wäre,
als Solarzellen mit größeren Zellenflächen, ausgelegt,
um die davon erzeugten Strommengen zu erhöhen, so dass die erzeugten
Strommengen der Solarzellen im Wesentlichen vereinheitlicht sind.
Als ein Ergebnis erhöht
sich der Umwandlungswirkungsgrad des Gesamtsolarzellenmoduls. Das
Energieerzeugungsleistungsvermögen
des Gesamtsolarzellenmoduls wird somit vergrößert. Anders gesagt wird ein
Solarzellenmodul mit ausgezeichneten Energieerzeugungseigenschaften
bereitgestellt.
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Wenn
sämtliche
Solarzellen identische Zellenflächen
aufweisen, dann weisen die Solarzellen, die an den Enden des Solarzellenmoduls
angeordnet sind, kleinere erzeugte Strommengen auf. Deshalb sollten
jene Solarzellen mit größeren Zellenflächen bevorzugt
an den Enden davon angeordnet sein, um die erzeugte Strommenge der
Solarzellen an den Enden zu vergrößern. Anders gesagt sollten
die an den Enden des Solarzellenmoduls angeordneten Solarzellen
bevorzugt von größerer Zellenfläche sein
als die in einem mittleren Teil des Solarzellenmoduls angeordneten
Solarzellen.
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Wenn
die Gesamtzahl der Solarzellen gerade ist, ist der mittlere Teil
aus zwei Solarzellen zusammengesetzt. Wenn die Zelleneinheit zum
Beispiel zehn Solarzellen umfasst, dann ist der mittlere Teil aus
zwei Solarzellen zusammengesetzt, d.h. die fünfte und sechste Solarzelle
von dem linken Ende aus gezählt.
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Die
Solarzellen können
identische Längsmaße und unterschiedliche
Quermaße
aufweisen, wodurch die unterschiedlichen Zellenflächen bereitgestellt
werden. "Längs" bezieht sich auf
eine Richtung, in die die Solarzellen ein größeres Maß von oben gesehen aufweisen,
und "quer" bezieht sich auf
eine zu der Längsrichtung
senkrechte Richtung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Draufsicht eines Solarzellenmoduls gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine vergrößerte, fragmentarische, quer
verlaufende Querschnittsansicht einer Zelleneinheit des in 1 dargestellten
Solarzellenmoduls;
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3 ist
eine Tabelle, die die Beziehung zwischen dem Verhältnis eines
Quermaßes
W1 zu einem Quermaß W2
der Solarzellen und dem Umwandlungswirkungsgrad darstellt;
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4 ist
eine schematische Draufsicht eines Solarzellenmoduls gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine vergrößerte, fragmentarische, quer
verlaufende Querschnittsansicht einer Zelleneinheit, die aus mehreren
Solarzellen zusammengesetzt ist, die monolithisch auf einem einzelnen
Substrat angeordnet sind; und
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6 ist
eine schematische Draufsicht eines Solarzellenmoduls nach dem Stand
der Technik.
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BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Solarzellenmodule
gemäß den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausführlich mit
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Draufsicht eines Solarzellenmoduls gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Das Solarzellenmodul 10 umfasst
eine Zelleneinheit 15, die aus einem Array aus zehn benachbarten
Solarzellen 14a bis 10f zusammengesetzt und in
einem Gehäuse 16 untergebracht
ist. Das Gehäuse 16 ist
mit einer Harzformmasse, nicht dargestellt, gefüllt, die die Solarzellen 14a bis 14j schützt.
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2 stellt
die Solarzellen 14h, 14i in einem vergrößerten,
fragmentarischen, quer verlaufenden Querschnitt dar. Die Queranordnung
der Zelleneinheit 15 ist im Wesentlichen dieselbe wie bei
der in 5 dargestellten Zelleneinheit 3. Insbesondere weist
die Zelleneinheit 15 die Solarzellen 14a bis 14j monolithisch
auf einem einzelnen Glassubstrat 2 angeordnet auf. Jede
der Solarzellen 14a bis 14j umfasst zum Beispiel
eine erste aus Mo hergestellte Elektrodenschicht 4, eine
aus CIGS hergestellte Lichtabsorptionsschicht 5, eine aus
CdS, ZnO oder InS hergestellte Pufferschicht 6 und eine
aus ZnO/Al hergestellte transparente zweite Elektrodenschicht 7, die
nacheinander in der genannten Reihenfolge auf dem Glassubstrat 2 abgeschieden
sind.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt ist, weist jede
der Solarzellen 14a, 14j, die an den gegenüberliegenden
Enden der Zelleneinheit 15 angeordnet sind, und die Solarzellen 14b, 14i,
die benachbart zu den jeweiligen Solarzellen 14a, 14j angeordnet
sind, ein Quermaß W1
größer als
das Quermaß W2
jeder der verbleibenden Solarzellen 14c bis 14h auf.
Genauer ist das Quermaß W1
etwa 10% bis 25% größer als
das Quermaß W2
oder, anders gesagt, die Solarzellen 14a, 14b, 14j, 14i sind
etwa 10% bis 25% breiter als die Solarzellen 14c bis 14h.
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Wenn
Licht, wie zum Beispiel Sonnenlicht oder dergleichen, auf das Solarzellenmodul 10 aufgebracht
wird, werden Elektronen-Loch-Paare
in den Lichtabsorptionsschichten 5 der Solarzellen 14a bis 14j erzeugt.
In der Zwischenzone zwischen der CIGS-Lichtabsorptionsschicht 5,
die ein p-Halbleiter ist, und der zweiten Elektrodenschicht 7,
die ein n-Halbleiter ist, werden die Elektronen zu der Grenzfläche der
zweiten Elektrodenschicht 7 (n-leitend) angezogen und die
Löcher
werden zu der Grenzfläche der
Lichtabsorptionsschicht 5 (p-leitend) angezo gen, wodurch
eine elektromotorische Kraft zwischen der Lichtabsorptionsschicht 5 und
der zweiten Elektrodenschicht 7 erzeugt wird. Die durch
die elektromotorische Kraft erzeugte elektrische Energie wird als
ein Strom von einer ersten Elektrode, nicht dargestellt, die elektrisch
mit der ersten Elektrodenschicht 4 der Solarzelle 14a verbunden
ist, und einer zweiten Elektrode, nicht dargestellt, die elektrisch
mit der zweiten Elektrodenschicht 7 der Solarzelle 14j verbunden
ist, gewonnen.
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Da
de Solarzellen 14a bis 14j miteinander in Reihe
geschaltet sind, fließt
der Strom zum Beispiel von der Solarzelle 14a zu der Solarzelle 14j.
Die durch die Zelleneinheit 15 erzeugte elektromotorische
Kraft wird durch die Summe der elektromotorischen Kräfte dargestellt,
die durch die jeweiligen Solarzellen 14a bis 14j erzeugt
werden.
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3 stellt
verschiedene Verhältnisse
des Quermaßes
W1 zu dem Quermaß W2
und die Umwandlungswirkungsgrade der Endsolarzellen und der benachbarten
Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j,
der sechs dazwischen liegenden Solarzellen 14c bis 14h und
des gesamten Solarzellenmoduls 10 bei diesen verschiedenen
Verhältnissen
dar.
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Wie
aus 3 gesehen werden kann, wenn das Quermaß W1 der
Endsolarzellen und der benachbarten Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j größer ist als
das Quermaß W2
der anderen Solarzellen 14c bis 14h, oder anders
gesagt, wenn die Fläche
der Endsolarzellen und der benachbarten Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j größer ist
als die Fläche
der dazwischen liegenden Solarzellen 14c bis 14h,
dann sind die erzeugten Strommengen der Endsolarzellen und der benachbarten
Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j im Wesentlichen
dieselben, wie die erzeugten Strommengen der dazwischen liegenden
Solarzellen 14c bis 14h. Mit anderen Worten wird
verhindert, dass die erzeugten Strommengen der Endsolarzellen und
der benachbarten Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j vermindert
sind, und folglich wird verhindert, dass der Umwandlungswirkungsgrad
des Gesamtsolarzellenmoduls 10 vermindert ist. Als ein
Ergebnis ist der Umwandlungswirkungsgrad des Gesamtsolarzellenmoduls 10 höher als
der Umwandlungswirkungsgrad des Solarzellenmoduls 9 (siehe 6)
nach dem Stand der Technik, in dem sämtliche Solarzellen dasselbe
Quermaß aufweisen.
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Der
Grund für
das Vorgenannte ist, dass, da das Quermaß W1 der Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j größer ist
als das Quermaß W2
der verbleibenden Solarzellen 14c bis 14h und
somit die Zellenfläche der
Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j größer ist
als die Zellenfläche
der verbleibenden Solarzellen 14c bis 14h, die
erzeugten Strommengen der Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j groß sind.
Die erzeugten Strommengen der Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j sind
im Wesentlichen dieselben, wie die erzeugten Strommengen der Solarzellen 14c bis 14h.
Da die erzeugten Strommengen der Solarzellen 14a bis 14f im
Wesentlichen einheitlich sind, erhöht sich der Umwandlungswirkungsgrad
des Solarzellenmoduls 10.
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Um
die Quermaße
der Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j unterschiedlich
zu machen, können
die Abstände,
in denen sie unterteilt werden, wenn sie geritzt werden, unterschiedlich
gemacht werden. Insbesondere können
zum Beispiel die in der Ritzvorrichtung programmierten Daten verändert werden.
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Da
die Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j,
die die unterschiedlichen Quermaße aufweisen, leicht hergestellt
werden können,
erhöhen
sich die Herstellungskosten durch Verändern der Quermaße der Solarzellen 14a, 14b, 14i, 14j nicht.
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In
der obigen Ausführungsform
wird die Fläche
durch Verändern
der Quermaße
verändert.
Wie in 4 dargestellt ist, kann jedoch die Fläche verändert werden,
indem das Längsmaß verändert wird.
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Auf
jeden Fall kann die verwendete Anzahl Solarzellen drei oder mehr
betragen und ist nicht speziell auf zehn begrenzt.
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Mehrere
Zelleneinheiten 15 können
in dem Gehäuse 16 untergebracht
sein, um ein Solarzellenmodul bereitzustellen. In einem solchen
Fall können die
Zelleneinheiten 15 intern miteinander in dem Gehäuse 16 in
Reihe oder parallel geschaltet sein, um die Modulspannung an eine
gewünschte
Spannung anzupassen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Offenbart
ist ein Solarzellenmodul (10), das zehn Solarzellen (14a–14j)
umfasst. Die Breiten W1 der an den Enden angeordneten Solarzellen
(14a, 14j) und der jeweils neben den Solarzellen
(14a, 14j) angeordneten Solarzellen (14b, 14i)
sind 10–25% (1,1–1,25-mal)
größer als
die Breiten W2 der anderen Solarzellen (14c–14h).
Folglich sind die Zellenflächen
der Solarzellen (14a, 14b, 14i, 14j)
größer als die
Zellenflächen
der anderen Solarzellen (14c–14h).