JP2013123015A - 太陽電池モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】 製造コストの増加を抑制しつつ発電効率の低下を抑制可能な太陽電池モジュールを提供する。
【解決手段】 太陽電池セル40が上面40aから太陽光L1を受光して短波長領域の光で発電を行う一方、アップコンバータ50が、長波長領域の光を短波長領域の光に変換する。波長領域が変換された後の光は、太陽電池セル40の上面40aに向けて反射される。このため、太陽電池モジュール100では、筐体10内に入射した太陽光L1と、波長領域が変換された後の光との両方が、太陽電池セル40の上面40aで受光されることとなるため、片面受光型の太陽電池セルを採用することが可能となる。よって、両面受光型の太陽電池セルを用いる場合に比べて、製造コストの増加を抑制可能であると共に、電極面積の減少に伴う発電効率の低下の抑制が可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】 太陽電池セル40が上面40aから太陽光L1を受光して短波長領域の光で発電を行う一方、アップコンバータ50が、長波長領域の光を短波長領域の光に変換する。波長領域が変換された後の光は、太陽電池セル40の上面40aに向けて反射される。このため、太陽電池モジュール100では、筐体10内に入射した太陽光L1と、波長領域が変換された後の光との両方が、太陽電池セル40の上面40aで受光されることとなるため、片面受光型の太陽電池セルを採用することが可能となる。よって、両面受光型の太陽電池セルを用いる場合に比べて、製造コストの増加を抑制可能であると共に、電極面積の減少に伴う発電効率の低下の抑制が可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明は、太陽光を用いて発電を行う太陽電池モジュールに関する。
上記技術分野の従来の技術として、例えば、特許文献1に記載の太陽発電装置が知られている。特許文献1に記載の太陽発電装置は、広波長領域のスペクトル分布を持つ光が入射する断熱室と、断熱室内に配置され、断熱室内に入射した光により加熱されることにより狭波長領域のスペクトル分布を持つ光を放射するヒータと、ヒータから放射された光を用いて発電を行う太陽電池とを備えている。
ところで、太陽電池モジュールとしては、例えば、太陽電池セルで吸収されずに透過する長波長領域の光を、太陽電池セルで吸収され得る短波長領域の光に変換した後に太陽電池セルに戻すことにより、発電効率を向上させるアップコンバージョン型のものが知られている。アップコンバージョン型の太陽電池モジュールにおいては、太陽電池セルの裏面に対向するように、波長を変換するためのアップコンバータを配置する場合がある。
その場合には、太陽光のうちの短波長領域の光は、太陽電池セルの表面から太陽電池セルに入射して発電に供される一方で、太陽光のうちの長波長領域の光は、太陽電池セルの表面から太陽電池セルに入射した後に太陽電池セルを透過して裏面から出射する。太陽電池セルの裏面から出射した光は、アップコンバータにおいて波長が変換された後に、太陽電池セルの裏面から再び太陽電池セルに入射して発電に供される。したがって、上述したようなアップコンバージョン型の太陽電池モジュールにおいては、両面受光型の太陽電池セルを用いる必要がある。
ところが、両面受光型の太陽電池セルは、片面受光型の太陽電池セルに比べて製造工程が多くなるため、製造コストが高くなる傾向がある。また、両面受光型の太陽電池セルにおいては、裏面側からも光を受光できるように、裏面電極の形状を櫛歯等の微細電極パターンとする必要がある。そのため、両面受光型の太陽電池セルにおいては、片面受光型の太陽電池セルに比べて電極面積が小さくなる結果、太陽電池セルの内部抵抗が高まり発電効率が低下するおそれがある。
本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、製造コストの増加を抑制しつつ発電効率の低下を抑制可能な太陽電池モジュールを提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る太陽電池モジュールは、所定の波長領域の第1の光と他の所定の波長領域の第2の光とを含む太陽光を入射させるための開口部が設けられた筐体と、筐体の内部に入射した太陽光を一方の面から受光することにより、第1の光を吸収して発電すると共に第2の光を透過する太陽電池セルと、第2の光の波長領域を所定の波長領域に変換する波長変換手段と、太陽電池セルを透過した第2の光を波長変換手段に向けて反射すると共に、波長変換手段において波長領域が変換された第2の光を太陽電池セルの一方の面に向けて反射する反射手段と、を備えることを特徴とする。
この太陽電池モジュールにおいては、所定の波長領域(例えば短波長領域)の第1の光と他の所定の波長領域(例えば長波長領域)の第2の光とを含む太陽光が、筐体の開口部から筐体内に入射する。そして、太陽電池セルが、一方の面から太陽光を受光することにより、第1の光を吸収して発電を行う。その一方で、波長変換手段が、太陽光のうちの第2の光の波長領域を、太陽電池セルで吸収可能な所定の波長領域に変換する。そして、反射手段が、波長領域が変換された後の第2の光を、太陽電池セルの一方の面に向けて反射する。このため、第1の光に加えて第2の光も発電に供されることとなるので、発電効率が向上する。特に、この太陽電池モジュールにおいては、上述したように、波長領域が変換された後の第2の光も、太陽電池セルの一方の面で受光されることとなる。このため、この太陽電池モジュールにおいては、その一方の面を受光面とする片面受光型の太陽電池セルを採用することが可能となる。よって、両面受光型の太陽電池セルを用いる場合に比べて、製造コストの増加を抑制可能であると共に、電極面積の減少に伴う発電効率の低下の抑制が可能となる。
本発明に係る太陽電池モジュールは、太陽光を筐体の開口部に集光することにより、太陽光を筐体の内部に入射させる集光手段をさらに備えることができる。この場合、開口部を比較的小さく形成することができるので、一旦筐体の内部に入射した光が開口部から出射されにくくなる。
本発明に係る太陽電池モジュールにおいては、反射手段は、太陽電池セルの一方の面に対向する他方の面に隣接して配置され、太陽電池セルを透過した第2の光を波長変換手段に向けて反射する反射部を含むことができる。この場合には、太陽電池セルを透過した第2の光を確実に波長変換手段に導くことができる。
本発明に係る太陽電池モジュールにおいては、反射手段は、太陽電池セルの一方の面の上に配置され、筐体内部に入射した太陽光のうちの第1の光を太陽電池セルの一方の面に向けて透過すると共に、第2の光を波長変換手段に向けて反射する分光部を含むことができる。この場合には、太陽電池セルの一方の面の上において、太陽光を第1の光と第2の光とに分光することができる。
本発明によれば、製造コストの増大を抑制しつつ発電効率の低下を抑制可能な太陽電池モジュールを提供することができる。
以下、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素、或いは相当する要素には互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面における各部の寸法比率は、実際のものとは異なる場合がある。
[第1実施形態]
[第1実施形態]
図1は、本発明に係る太陽電池モジュールの第1実施形態の構成を模式的に示す図である。図1に示されるように、太陽電池モジュール100は、筐体10を備えている。筐体10は、矩形箱状を呈している。筐体10の上面部11には、太陽光L1を筐体10の内部に入射させるための複数の開口部20が互いに略等間隔に配列されて設けられている。ここでの太陽光L1は、短波長領域(所定の波長領域:例えば870nm以下(1.42eV以上)程度)の光(第1の光)と、長波長領域(他の所定の波長領域:例えば870nm以上(1.42eV以下)程度)の光(第2の光)とを含む。なお、開口部20は、入射光を遮らない範囲において筐体10の内面積に対してできるだけ小さいことが好ましい。これは、開口部20から筐体10の内部に入射した光が、筐体10内の各部で反射された後に開口部20から出射されにくくするためである。
筐体10の内面(上面部11の内面11a、側面部12の内面12a、及び底面部13の内面13a)は、例えばAlを蒸着することにより鏡面とされている。換言すれば、太陽電池モジュール100においては、ミラーによって筐体10が構成されている。このように、太陽電池モジュール100においては、筐体10の内面が、筐体10の内部において太陽光を反射する反射手段として機能する。
太陽電池モジュール100は、筐体10の外部に配置されたシリンドリカルレンズ(集光手段)30を備えている。シリンドリカルレンズ30は、筐体10の上面部11に対向するように配置されている。シリンドリカルレンズ30は、複数の凸状のレンズ部31を並列配置して一体化して構成されている。シリンドリカルレンズ30は、各レンズ部31の焦点が、それぞれ、筐体10の各開口部20に位置するように配置されている。したがって、シリンドリカルレンズ30は、太陽光L1を筐体10の開口部20に集光することにより、太陽光L1を筐体10の内部に入射させる。なお、太陽電池モジュール100においては、太陽光L1を筐体10の開口部20に集光して筐体10内に入射されるための手段は、シリンドリカルレンズ30に限らず他のものでもよい。
太陽電池モジュール100は、筐体10の内部に配置された太陽電池セル40を備えている。太陽電池セル40は、筐体10の上面部11(特に開口部20)に対向するように、筐体10の底面部13の上に配置されている。太陽電池セル40は、筐体10の内部に入射した太陽光L1を上面(一方の面)40aから受光することにより、太陽光L1のうちの短波長領域の光を吸収して発電を行うと共に、長波長領域の光を透過する。太陽電池セル40を透過した光は、太陽電池セル40の裏面(他方の面)40bから出射される。
図2は、太陽電池セル40の構成を示す断面図である。図2に示されるように、太陽電池セル40は、半導体基板41と、半導体基板41の主面41aの上に順に積層された半導体層42,43と、半導体基板41の裏面41bの上に設けられた下部電極44と、半導体層43の上面43aの上に設けられた上部電極45とを有している。
半導体基板41は、例えば、GaAsといった化合物半導体から構成することができる。半導体基板41は、例えば、p+型の導電型を有する。半導体基板41のドーパントとしては、例えば、Znを用いることができる。半導体基板41のドーパント濃度は、例えば1×1019cm−3程度とすることができる。半導体層42は、例えば、GaAsといった化合物半導体から構成することができる。半導体層42は、例えば、p−型の導電型とすることができる。半導体層42のドーパントとしては、例えば、Beを用いることができる。半導体層42のドーパント濃度は、例えば、1×1017cm−3とすることができる。
半導体層43は、例えば、GaAsといった化合物半導体から構成することができる。半導体層43は、例えば、n+型の導電型を有する。半導体層43のドーパントとしては、例えば、Siを用いることができる。半導体層43のドーパント濃度は、例えば、1×1019cm−3とすることができる。太陽電池セル40においては、この半導体層43の上面43aが太陽電池セル40の上面40aであり、受光面となる。
下部電極44は、半導体基板41の裏面41bの全面に設けられている。下部電極44は、例えば、半導体基板41の半導体基板41bとオーミック接触をなすAuから構成することができる。Auは、900nm〜1600nmの波長領域の光に対してほぼ一定の反射特性を示し、その反射率は約95%である。したがって、下部電極44をAuから構成すれば、長波長領域の光を反射するための反射手段として下部電極44を機能させることができる。
上部電極45は、半導体層43の上面43aから太陽電池セル40の内部に太陽光L1等を十分に取り込めるように、細線で構成された微細電極パターンとなっている。上部電極45は、例えば、半導体層43の上面43aとオーミック接触をなすAuGe/Niから構成することができる。
図1を参照して説明を続ける。図1に示されるように、太陽電池モジュール100は、筐体10の内部において太陽電池セル40よりも開口部20側に配置されたアップコンバータ(波長変換手段)50を備えている。アップコンバータ50は、筐体10の上面部11の内面11aの上に設けられている。アップコンバータ50は、太陽電池セル40の上面40a(半導体層43の上面43a)に対向するように配置されている。アップコンバータ50は、例えば、900nm〜1070nmといった長波長領域の光を吸収して、550nmや660nm程度の短波長領域の光を出射する。
このように構成される太陽電池モジュール100においては、太陽光L1は、まずシリンドリカルレンズ30に入射する。シリンドリカルレンズ30に入射した太陽光L1は、筐体10の開口部20に集光されて開口部20から筐体10の内部に入射する。筐体10の内部に入射した太陽光L1は、筐体10の内部を進行して上面40aから太陽電池セル40に入射する。太陽電池セル40に入射した太陽光L1のうちの短波長領域の光は、太陽電池セル40において吸収されて発電に供される。太陽電池セル40に入射した太陽光L1のうちの長波長領域の光は、太陽電池セル40において吸収されずに太陽電池セル40を透過する。
太陽電池セル40を透過した長波長領域の光は、筐体10の底面部13の内面13aで反射される。筐体10の底面部13の内面13aで反射された光L2は、筐体10の内部を進行して太陽電池セル40よりも開口部20側に位置するアップコンバータ50に入射する。アップコンバータ50に入射した光L2は、その波長領域を太陽電池セル40で吸収され得る短波長領域に変換された後に、上面部11の内面11aで反射されてアップコンバータ50から出射される。アップコンバータ50から出射された光L3は、筐体10の内部を進行して上面40aから太陽電池セル40に入射する。太陽電池セル40に入射した光L3は、太陽電池セル40において吸収されて発電に供される。
なお、筐体10の底面部13の内面13aで反射された光L2は、アップコンバータ50に直接入射する場合もあるし、側面部12の内面12aで反射された後にアップコンバータ50に入射する場合もある。したがって、側面部12の内面12a及び底面部13の内面13aは、太陽電池セル40を透過した光をアップコンバータ50に向けて反射する反射手段として機能する。特に、底面部13の内面13aは、太陽電池セル40の裏面40bに隣接する反射部として機能する。
また、上面部11の内面11aで反射されてアップコンバータ50から出射された光L3は、太陽電池セル40に直接入射する場合もあるし、側面部12の内面12aで反射された後に太陽電池セル40に入射する場合もある。したがって、上面部11の内面11a及び側面部12の内面12bは、アップコンバータ50において波長領域が変換された光を太陽電池セル40の上面40aに向けて反射する反射手段として機能する。
以上説明したように、太陽電池モジュール100においては、シリンドリカルレンズ30が、短波長領域の光と長波長領域の光とを含む太陽光L1を、筐体10の開口部20から筐体10内に入射させる。そして、太陽電池セル40が、その上面40aから太陽光L1を受光することにより、短波長領域の光を吸収して発電を行う。その一方で、アップコンバータ50が、長波長領域の光を、太陽電池セル40で吸収可能な短波長領域の光に変換する。そして、上面部11の内面11aや側面部12の内面12aが、波長領域が変換された後の光を、太陽電池セル40の上面40aに向けて反射する。
このため、太陽電池モジュール100においては、筐体10内に入射した太陽光L1と、波長領域が変換された後の光との両方が、太陽電池セル40の上面40aで受光されることとなる。このため、この太陽電池モジュール100においては、一方の面を受光面とする片面受光型の太陽電池セルを採用することが可能となる。よって、両面受光型の太陽電池セルを用いる場合に比べて、製造コストの増加を抑制可能であると共に、電極面積の減少に伴う発電効率の低下の抑制が可能となる。
[第2実施形態]
[第2実施形態]
図3は、本発明に係る太陽電池モジュールの第2実施形態の構成を模式的に示す図である。図3に示されるように、本実施形態に係る太陽電池モジュール200は、ショートパスのダイクロイックミラー(分光部)60をさらに備える点で、第1実施形態に係る太陽電池モジュール100と相違している。
ダイクロイックミラー60は、筐体10の内部に配置されている。より具体的には、ダイクロイックミラー60は、太陽光L1の光軸上において太陽電池セル40の上面40aの上(太陽電池セル40と開口部20との間)に配置されている。図4は、ダイクロイックミラー60の反射特性の一例を示すグラフである。図3,4に示されるように、ダイクロイックミラー60は、筐体10の内部に入射した太陽光L1のうちの短波長領域(例えば870nm以下)の光L4を太陽電池セル40の上面40aに向けて透過する。その一方で、ダイクロイックミラー60は、筐体10の内部に入射した太陽光L1のうちの長波長領域(例えば870nm以上)の光L5をアップコンバータ50に向けて反射する。
このような太陽電池モジュール200においても、上述した理由から、第1実施形態に係る太陽電池モジュール100と同様の効果を奏することができる。特に、太陽電池モジュール200によれば、太陽電池セル40の上面40aの上において、太陽光L1を短波長領域の光L4と長波長領域の光L5とに分光することができる。その結果、赤外を含む長波長領域の光が直接太陽電池セル40に照射されることが避けられ、太陽電池セル40の温度上昇による発電効率の低下を防ぐことができる。
なお、ダイクロイックミラー60を、ショートパスの凹面とすれば、長波長領域の光を集光しつつアップコンバータ50に照射することが可能となるので、アップコンバータ50の使用量を低減してコスト削減を図ることが可能となる。また、ダイクロイックミラー60は、太陽電池セル40において吸収され得る波長領域の光のみを選択的に透過するものが好ましい。
[第3実施形態]
[第3実施形態]
図5は、本発明に係る太陽電池モジュールの第3実施形態の構成を模式的に示す図である。図5に示されるように、本実施形態に係る太陽電池モジュール300は、筐体10の底面部13の構成、及び太陽電池セル40の配置が第1実施形態に係る太陽電池モジュール100と相違している。
太陽電池モジュール300においては、筐体10の底面部13は、筐体10の内部に入射した太陽光L1のそれぞれの光軸に対して傾斜するように、階段状に形成されている。そして、太陽電池セル40は、筐体10の内部に入射した太陽光L1のそれぞれの光軸に対して傾斜するように、その底面部13の内面13aの上に配置されている。
このように構成される太陽電池モジュール300においては、筐体10の内部に入射した太陽光L1のうちの長波長領域(例えば870nm以下)の光は、太陽電池セル40を透過した後に底面部13の内面13aで反射される。底面部13の内面13aで反射された光L6は、アップコンバータ50に直接入射する場合もあるし、筐体10の側面部12の内面12aで反射されてからアップコンバータ50に入射する場合もある。
このような太陽電池モジュール300においても、上述した理由から、第1実施形態に係る太陽電池モジュール100と同様の効果を奏することができる。特に、この太陽電池モジュール300においては、上述したダイクロイックミラー60等を設ける必要がないので、コスト削減及び小型化を図ることができる。
[第4実施形態]
[第4実施形態]
図6は、本発明に係る太陽電池モジュールの第4実施形態の構成を模式的に示す図である。図6に示されるように、本実施形態に係る太陽電池モジュール400においては、筐体10は、一方が開放された(一方に開口部20が設けられた)矩形箱状を呈している。また、太陽電池セル40は、その筐体10の両側面12の内面12aの上に配置されており、アップコンバータ50は、その筐体10の底面部13の内面13aの上に配置されている。そして、筐体10の開口部20の上には、太陽光L1を開口部20に集光することによって、太陽光L1を筐体10の内部に入射させる集光レンズ(集光手段)70が配置されている。
このように構成される太陽電池モジュール400においては、太陽光L1は、集光レンズによって開口部20に集光されて筐体10の内部に入射する。筐体10の内部に入射した太陽光L1は、太陽電池セル40でその一部(短波長領域の光)を吸収されながら、一対の側面12の内面12aで多重反射してアップコンバータ50へ向かう。アップコンバータ50に到達した太陽光L1の残部(長波長領域の光)は、アップコンバータ50で波長領域が変換されると共に底面部13の内面13aで反射されて太陽電池セル40に入射して発電に供される。
このような太陽電池モジュール400においても、上述した理由から、第1実施形態に係る太陽電池モジュール100と同様の効果を奏することができる。特に、この太陽電池モジュール400においては、太陽光L1が筐体10の内部で多重反射されるため、太陽の方位が時刻・季節に応じて変化しても、その変化を追跡する必要がない。
以上の実施形態は、本発明に係る太陽電池モジュールの一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る太陽電池モジュールは、上述した太陽電池モジュール100〜400に限定されない。本発明に係る太陽電池モジュールは、特許請求の範囲に記した各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した太陽電池モジュール100〜400を任意に変形したものとすることができる。
例えば、太陽電池モジュール100〜400においては、太陽電池セル40の下部電極44をAuより構成すれば、その下部電極44を、太陽電池セル40を透過した光をアップコンバータ50に向けて反射する反射手段として機能させることができる。その場合には、太陽電池セル40を光が透過するとは、半導体基板41、半導体層42,43を光が透過することを意味する。そのとき、半導体基板41の裏面41bが太陽電池セル40の裏面40bとなり、光の出射面となる。したがって、下部電極44が太陽電池セル40の裏面40bに隣接する反射部となる。このような場合には、筐体10の底面部13(太陽電池モジュール400においては筐体10の側面部12)を設けなくてもよい。
また、太陽電池モジュール100〜300においては、筐体10の上面部11に開口部20を設けるものとしたが、筐体10の態様はこれに限定されない。例えば、一方が開放された箱体に対して、その開放部を塞ぐように、開口部20が設けられた板部材を取り付けることにより筐体10を構成してもよい。また、太陽電池モジュール100〜300においては、側面部12は必ずしも設けなくてもよい。
また、太陽電池モジュール200においては、ショートパスのダイクロイックミラー60に代えてロングパスのダイクロイックミラーを適用してもよい。その場合には、太陽光L1の光軸上において、開口部20、ダイクロイックミラー、アップコンバータ50がこの順に配列されることとなる。また、そのダイクロイックミラーを凹面とすれば、短波長領域の光を集光しつつ太陽電池セル40に照射することができるので、集光型のモジュールとなり、太陽電池セル40の使用量を低減してコスト削減を図ることができる。
また、太陽電池モジュール200においては、ショートパスのダイクロイックミラーとロングパスのダイクロイックミラーとを併用し、それぞれにおいて反射された光をアップコンバータとダウンコンバータとのそれぞれに照射する構成としてもよい。
さらに、太陽電池モジュール400においては、集光レンズ70に代えて、筐体10の開口部20を塞ぐように配置された拡散板を適用することができる。
10…筐体、11a,12a…内面(反射手段)、13a…内面(反射手段、反射部)、20…開口部、30…シリンドリカルレンズ(集光手段),40…太陽電池セル、40a…上面(一方の面)、40b…裏面(他方の面)、41b…裏面(反射部)、50…アップコンバータ(波長変換手段)、60…ダイクロイックミラー(分光部)、70…集光レンズ(集光手段)、L1…太陽光。
Claims (4)
- 所定の波長領域の第1の光と他の所定の波長領域の第2の光とを含む太陽光を入射させるための開口部が設けられた筐体と、
前記筐体の内部に入射した前記太陽光を一方の面から受光することにより、前記第1の光を吸収して発電すると共に前記第2の光を透過する太陽電池セルと、
前記第2の光の波長領域を前記所定の波長領域に変換する波長変換手段と、
前記太陽電池セルを透過した前記第2の光を前記波長変換手段に向けて反射すると共に、前記波長変換手段において波長領域が変換された前記第2の光を前記太陽電池セルの前記一方の面に向けて反射する反射手段と、
を備えることを特徴とする太陽電池モジュール。 - 前記太陽光を前記筐体の前記開口部に集光することにより、前記太陽光を前記筐体の内部に入射させる集光手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記反射手段は、前記太陽電池セルの前記一方の面に対向する他方の面に隣接して配置され、前記太陽電池セルを透過した前記第2の光を前記波長変換手段に向けて反射する反射部を含む、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の太陽電池モジュール。
- 前記反射手段は、前記太陽電池セルの前記一方の面の上に配置され、前記筐体の内部に入射した前記太陽光のうちの前記第1の光を前記太陽電池セルの前記一方の面に向けて透過すると共に、前記第2の光を前記波長変換手段に向けて反射する分光部を含む、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2018082143A (ja) * | 2016-11-18 | 2018-05-24 | エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド | 太陽電池モジュール |
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2011
- 2011-12-12 JP JP2011271579A patent/JP2013123015A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018082143A (ja) * | 2016-11-18 | 2018-05-24 | エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド | 太陽電池モジュール |
US10910990B2 (en) | 2016-11-18 | 2021-02-02 | Lg Electronics Inc. | Solar cell module |
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