JP5901656B2 - 太陽電池およびその製造方法｛ｓｏｌａｒｃｅｌｌａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｓａｍｅ｝ - Google Patents

太陽電池およびその製造方法｛ｓｏｌａｒｃｅｌｌａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｓａｍｅ｝ Download PDF

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Description

本発明は、太陽電池およびその製造方法に関する。
太陽電池は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換させるものとして、最近エネルギー需要の増加にともない商業的に広く利用されている。
太陽電池は、ナトリウムを含む基板、背面電極層、光吸収層、ウィンドウ層の薄膜を順次形成し、その上にグリッド電極を形成することで製造される。なお、光吸収層にはCIGS化合物が用いられ、CIGS化合物が背面電極層上に形成される時、背面電極層と光吸収層の間には二セレン化モリブデン層(MoSe２)が形成される。
二セレン化モリブデン層は、背面電極層と光吸収層の間の界面接着力を増加させる効果があるが、背面電極層より抵抗が高いからウィンドウ層と背面電極層の間の接触抵抗を増加させ、これは太陽電池の全体効率を減少させる問題点を誘発する。
本発明は、背面電極層とウィンドウ層の間の接触抵抗を向上させ、背面電極層と光吸収層の間の界面接着力を向上させることができる、太陽電池および太陽電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の太陽電池は、基板と、前記基板上に形成される背面電極層と、前記背面電極層上に形成され、第２貫通溝を含む光吸収層と、前記光吸収層上に形成されるウィンドウ層と、前記基板と前記背面電極層の間に形成されたバリア層と、を含む。
本発明の太陽電池の製造方法は、基板上にバリア層を形成する段階と、前記バリア層上に背面電極層を形成する段階と、前記基板および前記背面電極層上に光吸収層を形成するとともに、前記背面電極層と前記光吸収層の間にオーミック層を形成する段階と、前記光吸収層上にウィンドウ層を形成する段階と、を含む。
本発明の太陽電池モジュールは、基板上に配置され、第１貫通溝を含む背面電極層と、前記背面電極層上に配置され、第２貫通溝を含む光吸収層と、前記光吸収層上に配置されるウィンドウ層と、前記基板と前記背面電極層の間に形成されたバリア層と、前記背面電極層と前記光吸収層の間に形成されたオーミック層とを含む太陽電池セルを、多数個含む。
本発明の太陽電池によれば、背面電極層と光吸収層の間にオーミック層を形成することで、背面電極層と光吸収層の間の界面接着力を向上させることができる。
また、本発明の太陽電池によれば、基板と背面電極層の間にバリア層を形成することで、背面電極層とウィンドウ層が連結される領域にオーミック層(二セレン化モリブデン層)が形成されることを防止できる効果がある。従って、ウィンドウ層はオーミック層より接触抵抗が優れる背面電極層と電気的に連結され、これによって太陽電池の効率が向上される。
本発明の実施例に係る太陽電池モジュールを示す平面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池を、バリア層を中心に示した断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池のバリア層の作用を説明するための断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池のバリア層の作用を説明するための断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。 本発明の実施例に係る太陽電池の製造工程を示す断面図である。
実施例の説明において、各パネル、配線、電池、装置、面、またはパターン等が、各パターン、配線、電池、面、またはパターン等の「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は直接または他の構成要素を介在して形成されるものを全部含む。また、各構成要素の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面における各構成要素の大きさは、説明の便宜を図り誇張されることもあり、実際適用される大きさを表すものではない。
図１は、本発明の実施例に係る太陽電池モジュールを示す平面図である。前記太陽電池モジュールは、多数個の太陽電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３…を含む。
図１に示すように、太陽電池モジュールの基板１００は、活性領域(active Area：AA)および非活性領域(non-active Area：NAA)を含む。図１では、前記活性領域ＡＡおよび前記非活性領域ＮＡＡがストライプ形態に配置されるが、これに限定されるものではなく、マトリックス形態等多様な形態に配置することができる。
前記活性領域ＡＡには、太陽電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３…が配置される。即ち、前記活性領域ＡＡおよび前記非活性領域ＮＡＡは、前記太陽電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３…によって区分される。
また、前記活性領域ＡＡはオーミック層８００を含むことができる。即ち、実施例に係る太陽電池モジュールは、前記活性領域ＡＡにオーミック層８００を形成することで、背面電極層２００と光吸収層３００間の界面接着力を向上させることができる。
前記非活性領域ＮＡＡは、それぞれの前記活性領域ＡＡの間に配置される。即ち、前記活性領域ＡＡおよび前記非活性領域ＮＡＡは互交に配置される。前記非活性領域ＮＡＡは透明にすることができる。即ち、前記非活性領域ＮＡＡには、前記太陽電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３…が配置されないため、光が透過することができる。
また、前記非活性領域ＮＡＡは、前記太陽電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３…を相互連結するための配線を含むことができる。例えば、各セルのウィンドウ層と各セルと隣接したセルの背面電極層は、前記非活性領域ＮＡＡに形成された接続配線３１０によって連結される。
前記非活性領域ＮＡＡは、バリア層７００を含むことができる。即ち、前記バリア層７００は、前記非活性領域ＮＡＡ上に形成することができる。本発明の実施例に係る太陽電池は、前記バリア層７００を前記非活性領域ＮＡＡ上に形成することで、前記非活性領域ＮＡＡにはオーミック層８００を形成しないことができる。従って、前記各セルのウィンドウ層は、オーミック層８００より接触抵抗が優れる背面電極層２００と前記接続配線３１０により電気的に連結される。これによって、太陽電池の効率を向上させることができる。
図１では、前記バリア層７００と前記オーミック層８００は、相互分離して配置される形態で図示されているが、これとは違って、前記バリア層７００と前記オーミック層８００は一部重なるように配置することができる。例えば、図２に示すように、前記バリア層７００は、前記非活性領域ＮＡＡ以外にも、前記活性領域ＡＡの一部領域に形成される。また、前記オーミック層８００も前記活性領域ＡＡ以外にも、前記非活性領域ＮＡＡの一部領域に形成される。これによって、前記バリア層７００および前記オーミック層８００は、一部重なる形態で配置される。これについては、後述する太陽電池においてより詳細に説明するようにする。
図２は、本発明の実施例に係る太陽電池の断面図である。図３は、本発明の実施例に係る太陽電池をバリア層を中心に示す断面図である。また、図４および図５は、本発明の実施例に係る太陽電池のバリア層の機能を説明するための断面図である。
図２に示すように、実施例に係る太陽電池は、基板１００、前記基板１００上に順次配置される背面電極層２００、光吸収層３００、バッファ層４００、高抵抗バッファ層５００およびウィンドウ層６００を含む。また、実施例に係る太陽電池は、前記基板１００と前記背面電極層２００の間に配置されるバリア層７００と、前記背面電極層２００と前記光吸収層３００の間に選択的に配置されるオーミック層８００とを含む。
前記基板１００は、プレート形状となり、前記背面電極層２００、前記光吸収層３００、前記バッファ層４００、前記高抵抗バッファ層５００、前記ウィンドウ層６００、前記バリア層７００および前記オーミック層８００を支持する。
前記基板１００は、透明で堅固または柔軟な材質からなることができる。
前記基板１００は絶縁体からなることができる。例えば、前記基板１００はガラス基板、プラスチック基板、または金属基板からなることができる。より詳しくは、前記基板１００は、ナトリウム成分が含まれたソーダライムガラス(soda lime glass)基板からなることができる。これとは違って、前記基板１００の材質として、アルミナのようなセラミック基板、ステンレススチール、柔軟性のある高分子等を用いることができる。
前記背面電極層２００は前記基板１００上に配置される。前記背面電極層２００は導電層である。前記背面電極層２００は、モリブデン(Mo)、金(Au)、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、タングステン(W)および銅(Cu)のいずれか１つから形成されるが、これに限定されるものではない。この中で、特にモリブデン(Mo)は、他の元素に比べて前記基板１００との熱膨張係数の差が少ないので、接着性が優れて剥離現象の発生を防止でき、前記背面電極層２００に要求される特性を全般的に充足することができる。
前記背面電極層２００は２個以上の層を含むことができる。この時、それぞれの層は同一金属、または相互異なる金属からなることができる。
前記背面電極層２００は第１貫通溝Ｐ１を含む。即ち、前記背面電極層２００は前記第１貫通溝Ｐ１によってパターニングされる。また、前記第１貫通溝Ｐ１は、図２のようにストライプ形態に限らず、マトリックス形態等多様な形態で形成されることができる。前記第１貫通溝Ｐ１の幅は約８０μｍ〜２００μｍにすることができるが、これに限定されるものではない。
前記光吸収層３００は前記背面電極層２００上に配置される。前記光吸収層３００はＩ-ＩＩＩ-ＶＩ族化合物を含む。例えば、前記光吸収層３００は、銅-インジウム-ガリウム-セレニド（Cu(In,Ga)(Se,S)2；CIGSS）系結晶構造、銅-インジウム-セレニド系、または銅-ガリウム-セレニド系結晶構造を有することができる。
前記バッファ層４００は前記光吸収層３００上に配置される。前記バッファ層は、前記吸収層３００と後述されるウィンドウ層６００とのエネルギーギャップの差を緩和させる役割をすることができる。
また、前記バッファ層４００は、硫化カドミウム、ZnS、InXSYおよびInXSeYZn(O,OH)等を含む。前記バッファ層４００は約５０nm〜約１５０nmの厚さを有することができ、前記バッファ層４００のエネルギーバンドギャップは約２.２eV〜２.４eVである。
前記高抵抗バッファ層５００は前記バッファ層４００上に配置される。前記高抵抗バッファ層５００は、高い抵抗を有するように形成され、前記ウィンドウ層６００との絶縁および衝撃ダメージを防止することができる。
前記高抵抗バッファ層５００には、不純物がドーピングされていないジンクオキサイド(i-ZnO)を用いることができる。前記高抵抗バッファ層５００のエネルギーバンドギャップは約３.１eV〜約３.３eVである。また、前記高抵抗バッファ層５００は省略することができる。
前記光吸収層３００、前記バッファ層４００および前記高抵抗バッファ層５００は、第２貫通溝Ｐ２を含むことができる。即ち、前記光吸収層３００、前記バッファ層４００および前記高抵抗バッファ層５００は、前記第２貫通溝Ｐ２によって貫通される。前記第２貫通溝Ｐ２によって、前記背面電極層２００の一部は露出される。前記第２貫通溝Ｐ２の幅は約８０μｍ〜約２００μｍにすることができるが、これに限定されるものではない。
前記第２貫通溝Ｐ２には前記ウィンドウ層６００を形成する物質と同一物質を充填することができ、これによって接続配線３１０が形成される。前記接続配線３１０は、前記ウィンドウ層６００と前記背面電極層２００を電気的に連結することができる。
前記ウィンドウ層６００は透光性伝導性物質からなることができる。また、前記ウィンドウ層６００はn型半導体の特性を有することができる。この時、前記ウィンドウ層６００は、前記バッファ層４００と一緒にn型半導体層を形成して、p型半導体層である前記光吸収層３００とpn接合を形成することができる。前記ウィンドウ層６００は、例えばアルミニウムがドーピングされたジンクオキサイド(AZO)からなることができ、約１００?〜約５００?の厚さを有することができる。
前記ウィンドウ層６００、前記高抵抗バッファ層５００、前記バッファ層４００および前記光吸収層３００は、第３貫通溝Ｐ３を含む。即ち、前記ウィンドウ層６００、前記高抵抗バッファ層５００、前記バッファ層４００および前記光吸収層３００は、前記第３貫通溝Ｐ３によって貫通される。前記第３貫通溝Ｐ３によって、前記背面電極層２００の一部は露出される。前記第３貫通溝Ｐ３の幅は約８０μｍ〜約２００μｍにすることができるが、これに限定されるものではない。
また、実施例に係る太陽電池は、前記基板１００と前記背面電極層２００の間に配置されるバリア層７００を更に含む。前記バリア層７００は、後述するオーミック層８００を前記背面電極層２００の一部領域にのみ形成させる役割をする。即ち、前記バリア層７００は、前記基板１００から生成されるナトリウムの拡散を防止することができる。
前記バリア層７００は、前記基板１００と前記背面電極層２００の間に形成される。前記バリア層７００は、前記背面電極層２００の内部に形成することができる。より詳しくは、前記バリア層７００は、前記基板と前記背面電極層２００が接触する界面に形成される。
また、前記バリア層７００は、前記光吸収層３００に形成された第２貫通溝Ｐ２に対応する背面電極層２００の領域に形成される。より詳しくは、前記バリア層７００は、前記第２貫通溝Ｐ２と前記第３貫通溝Ｐ３の間に対応して形成される。
前記バリア層７００は、SiO２またはSiO４を含むことができる。また、図３に示すように、前記バリア層７００の幅の長さＬ２は前記背面電極層２００幅の長さＬ１の１/３〜２/３の範囲に形成され、前記バリア層７００の厚さＴ３は前記背面電極層２００厚さＴ１の１/５〜１/３に形成される。
また、実施例に係る太陽電池は、前記背面電極層２００と前記光吸収層３００の間に前記オーミック層８００が選択的に形成される。
図３に示すように、前記オーミック層８００は前記背面電極層２００の内部に形成することができる。前記オーミック層８００は前記背面電極層２００内の上部領域に形成することができる。より詳しくは、前記オーミック層８００は、前記背面電極層２００と前記光吸収層３００が接触する界面に形成される。また、前記オーミック層８００は、前記光吸収層３００に形成された前記第２貫通溝Ｐ２と対応しないように、前記背面電極層２００の上部一側にのみ形成される。
また、図２および図３に示すように、前記バリア層７００と前記オーミック層８００は一部重なって(D)配置されるが、これに限定されない。即ち、図１のように、前記バリア層７００と前記オーミック層８００は、相互重なる領域がないように配置されることができる。
前記オーミック層８００は、モリブデン(Mo)とセレン(Se)を両方とも含む化合物からなることができる。例えば、前記オーミック層８００は二セレン化モリブデン(MoSe２)を含むことができるが、これに限定されるものではない。
前記オーミック層８００は、前記光吸収層３００のCIGS化合物が前記背面電極層２００上に同時蒸着される時、自然的に形成される。また、前記オーミック層８００の形成は、前記基板１００に含まれたナトリウム成分によって促進される。即ち、前記基板１００に含まれたナトリウム成分は、前記光吸収層３００のセレン(Se)成分と前記背面電極層２００のモリブデン(Mo)成分の結合および生成を促進させることができる。
図４および図５は、実施例に係る太陽電池のバリア層７００の機能を説明するための断面図である。図４に示すように、前記背面電極層２００上に前記光吸収層３００が蒸着される過程で、前記基板１００に含まれたナトリウム成分は前記背面電極層２００に向かって移動する。この時、前記バリア層７００の下部(Ａ領域)に存在するナトリウム成分は、前記バリア層７００によって移動できない。
反面、前記バリア層７００が形成されていない領域(Ｂ領域)のナトリウム成分は、前記背面電極層２００の上部へと容易に移動できる。これによって、前記Ａ領域から前記背面電極層２００へと移動するナトリウムの量は、前記Ｂ領域から前記背面電極層２００へと移動するナトリウムの量より少ない。
これによって、前記基板１００のナトリウム成分と前記光吸収層３００に含まれたセレンが結合される量は、前記背面電極層２００の領域によって相互異なるようになる。即ち、図５に示すように、前記Ｂ領域の背面電極層２００にはオーミック層８００が厚く形成される。これとは違って、前記Ａ領域の背面電極層２００にはオーミック層８００が形成されないか、薄く形成される。勿論、前記Ａ領域にも前記基板１００のナトリウム成分と前記光吸収層３００のセレン成分が結合されるが、その結合量は極少量であるため、前記オーミック層８００の厚さを非常に薄くすることができる。
即ち、実施例に係る太陽電池において、前記オーミック層８００は前記バリア層７００によって、前記光吸収層３００に形成された第２貫通溝Ｐ２と対応しないように前記背面電極層２００上の一部にのみ形成される。
図６〜図１３は、実施例に係る太陽電池の製造方法を示す断面図である。本製造方法に関する説明では、前述した太陽電池に対する説明を参考とし、その重複説明は適宜省略する。
図６および図７に示すように、基板１００上にバリア層７００を形成する。前記バリア層７００は、前記基板１００にバリア層７００を蒸着し、前記バリア層７００を多数個に分離されるようにパターニングして製造される。前記パターニング工程は、レーザースクライビング、湿式・乾燥エッチング等多様な方法によって行うことができる。
例えば、ナトリウムを含むソーダライム基板１００が用意され、前記基板１００の一面にバリア層７００を蒸着する段階を実行する。この時、前記バリア層７００は、化学気相蒸着法(CVD)、スパッタリングによって形成することができ、約０.３μｍ〜約０.６μｍの厚さに形成することができる。より詳しくは、前記バリア層７００は、約０.２μｍ〜約０.３μｍの厚さに形成することができる。
図８に示すように、前記基板１００および前記バリア層７００上に背面電極層２００が形成される。前記背面電極層２００は、PVD(Physical Vapor Deposition)またはメッキ等の方法によって形成することができる。また、前記基板１００および背面電極層２００の間に、拡散防止膜等のような他の層を介在させることができる。
次に、図９に示すように、前記バリア層７００が前記背面電極層２００の一定領域に位置するように、前記背面電極層２００をパターニングして第１貫通溝Ｐ１を形成する。
図１０に示すように、前記背面電極層２００上に光吸収層３００が形成される。また、前記背面電極層２００上に光吸収層３００が形成されるとともに、前記背面電極層２００と前記光吸収層３００の間にはオーミック層８００が形成される。
即ち、前記光吸収層３００が形成される過程で、前記光吸収層３００に含まれたセレン(Se)とソーダライム基板１００に含まれたナトリウム成分が結合して、前記光吸収層３００と前記背面電極層２００の間にオーミック層８００が形成される。また、図４および図５で説明したように、前記オーミック層８００は、前記バリア層７００によって前記背面電極層２００上の一定領域にのみ選択的に形成される。
次に、図１１に示すように、前記光吸収層３００上にバッファ層４００および高抵抗バッファ層５００が形成される。前記バッファ層４００は、前記光吸収層３００上に硫化カドミウムをＣＢＤ(Chemical bath deposition)法によって蒸着することで形成することができる。
前記高抵抗バッファ層５００は、前記バッファ層４００上に配置される。前記高抵抗バッファ層５００は、不純物がドーピングされていないジンクオキサイド(i-ZnO)を含む。前記高抵抗バッファ層５００のエネルギーバンドギャップは、約３.１eV〜３.３eVである。また、前記高抵抗バッファ層５００は省略することができる。
次に、図１２に示すように、前記高抵抗バッファ層５００、前記バッファ層４００、前記光吸収層３００に第２貫通溝Ｐ２を形成する。前記第２貫通溝Ｐ２は、前記第１貫通溝Ｐ１と一定間隔離隔されて形成される。前記第２貫通溝Ｐ２は、機械的(Mechanical)の方法、またはレーザーを照射して形成することができる。例えば、前記第２貫通溝Ｐ２は、スクライビング工程によって形成することができる。ここで、前記第２貫通溝Ｐ２は、前記オーミック層８００と対応しないように形成される。
図１３に示すように、前記高抵抗バッファ層５００上にウィンドウ層６００を形成する。前記ウィンドウ層６００は、前記高抵抗バッファ層５００上に透明な導電物質を積層して形成することができる。この時、前記透明な導電物質が前記第２貫通溝Ｐ２内部にも挿入されて接続配線３１０が形成される。
前記接続配線３１０は、前記ウィンドウ層６００と前記背面電極層２００を電気的に連結する。上述したように、前記接続配線３１０が形成される第２貫通溝Ｐ２は、前記オーミック層８００と対応しないように配置される。これによって、前記ウィンドウ層６００は前記オーミック層８００より接触抵抗が優秀な前記背面電極層２００と電気的に連結され、これによって、太陽電池の効率を向上させることができる。
以後、前記ウィンドウ層６００、前記高抵抗バッファ層５００、前記バッファ層４００、前記光吸収層３００を貫通する第３貫通溝Ｐ２を形成する。前記第３貫通溝Ｐ２は、前記第２貫通溝Ｐ２と一定間隔離隔されて形成される。
前記第３貫通溝Ｐ３によって、前記背面電極層２００、前記光吸収層３００、前記バッファ層４００および前記高抵抗バッファ層５００を含む太陽電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３…が形成される。即ち、前記太陽電池セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３…は、前記第３貫通溝Ｐ３によって分離される。
前記第３溝３２０は、機械的(Mechanical)の方法、またはレーザーを照射して形成することができ、前記背面電極パターン２００の上面が露出するように形成される。
以上、本発明を特定の実施例を中心に説明したが、これは本発明を限定するものではなく例示であり、本発明が属する技術分野で通常の知識を持った者によって、本発明の技術思想と特許請求の範囲内で多様な修正と変形が可能なことは勿論である。

Claims (13)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成される背面電極層と、
    前記背面電極層上に形成され、第２貫通溝を含む光吸収層と、
    前記光吸収層上に形成されるウィンドウ層と、
    前記背面電極層の内部に前記基板と前記背面電極層が接触する界面に形成されたバリア層と、
    前記背面電極層の内部に前記背面電極層と前記光吸収層が接触する界面に形成されるオーミック層と、を含み、
    前記バリア層と前記オーミック層は一部重なって配置される太陽電池。
  2. 前記オーミック層は、二セレン化モリブデン(MoSe２)を含む請求項１に記載の太陽電池。
  3. 前記オーミック層は、前記第２貫通溝が形成されていない領域に対応して形成される請求項１に記載の太陽電池。
  4. 前記バリア層はナトリウム拡散を防止する請求項１に記載の太陽電池。
  5. 前記バリア層は、前記第２貫通溝に対応する領域に形成された請求項１に記載の太陽電池。
  6. 前記バリア層の幅は前記背面電極層の幅の１/３〜２/３である請求項１に記載の太陽電池。
  7. 前記バリア層の厚さは前記背面電極層の厚さの１/５〜１/３である請求項１に記載の太陽電池。
  8. 前記バリア層はSiO２またはSiO４を含む請求項１に記載の太陽電池。
  9. 基板上に配置され、第１貫通溝を含む背面電極層と、
    前記背面電極層上に配置され、第２貫通溝を含む光吸収層と、
    前記光吸収層上に配置されるウィンドウ層と、
    前記背面電極層の内部に前記基板と前記背面電極層が接触する界面に形成されたバリア層と、
    前記背面電極層の内部に前記背面電極層と前記光吸収層が接触する界面に形成されたオーミック層とを含む太陽電池セルを、多数個含み、
    前記バリア層と前記オーミック層は一部重なって配置される太陽電池モジュール。
  10. 前記太陽電池セルのそれぞれは、第３貫通溝によって分離される請求項９に記載の太陽電池モジュール。
  11. 前記バリア層は、前記第２貫通溝と前記第３貫通溝の間に対応して形成される請求項１０に記載の太陽電池モジュール。
  12. 前記基板は、
    前記太陽電池セルが配置される活性領域と、
    前記活性領域の間に配置される非活性領域と、
    を含む請求項９に記載の太陽電池モジュール。
  13. 前記バリア層は前記非活性領域に対応して配置され、
    前記オーミック層は前記活性領域に対応して配置される請求項１２に記載の太陽電池モジュール。
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