KR101206040B1 - 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조의 염료감응 태양전지 서브모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조에 있어서, 단위셀 또는 모듈의 ① 한 측면 격벽 외곽에, 또는 ② 양 측면 격벽 외곽에 모두에 그리드가 추가로 형성되어 있는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 일정한 상대적 위치에 있는 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조를 가진 염료감응 태양전지의 단독 단위셀 또는 서브모듈이 가능하게 됨으로써 필요에 따라 다양한 회로구성을 가지며, 모듈간 결합과 연결이 용이한 태양전지 패털을 간단하게 제작할 수 있게 된다.
본 발명에 의하면 일정한 상대적 위치에 있는 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조를 가진 염료감응 태양전지의 단독 단위셀 또는 서브모듈이 가능하게 됨으로써 필요에 따라 다양한 회로구성을 가지며, 모듈간 결합과 연결이 용이한 태양전지 패털을 간단하게 제작할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 일정한 상대적 위치에 있는 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조를 가진 염료감응 태양전지의 단독 단위셀 또는 서브모듈의 구조에 관한 것이다.
1991년도 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 처음 개발된 염료감응 태양전지(DSSC: Dye-Sensitized Solar Cell)는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
도 1은 종래 기술에 의한 염료감응 태양전지 단위셀이 직렬로 연속된 모듈의 구조를 보여주는 도면이다. 도면을 검토하기 앞서 혼동을 방지하기 위하여 용어의 정의를 명확히 한다. 하나의 기판쌍(pair of substrate)에 독립적인 태양전지로 작동이 가능한 구조(통상 인접한 단위셀과는 공간적으로 차단됨)의 셀을 단위셀 (unit cell)이라 한다. 본 발명에서는 하나의 기판쌍에 복수개의 단위셀이 연속연결되어 형성된 것을 서브모듈 이라 하고, 별도의 기판쌍으로 형성된 단위셀 또는 서브모듈 복수개가 외부전극 등을 통해 회로적으로 결합된 것을 패널 이라 칭한다. 서브모듈에서 단위셀이 형성된 방향의 측면 즉, 최외곽 단위셀의 외곽측을 서브모듈의 측면 , 각 단위셀들의 길이방향 끝 부분을 서브모듈의 말단면 이라 명명한다.
도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지 서브모듈에서 각각의 단위셀은 ① 전도성기판(101a) 위에 코팅된 다공성 나노입자 산화물(102)에 감광성 염료분자(도시 생략)가 흡착되어 있는 일전극(working electrode)과, ② 전도성기판(101b) 위에 백금과 같은 금속 또는 탄소 등을 소재로 한 촉매층(104)이 형성되어 있는 상대전극(counter electrode)을 포함한다. 전도성기판(101a, 101b)은 기판(예를 들면, 유리기판) 상에 전도성물질(예를 들면, FTO)이 코팅되어 형성되는 것으로 도면 상에 두 개의 층으로 나타낸 것은 이를 표시하기 위한 것이다.
서브모듈에서 단위셀은, 소정의 간격(단위셀의 폭)으로 예컨대 레이저 스크라이빙 등의 방법에 의해 절연패턴(109)이 상기 한 쌍의 전도성기판에 형성되어 단위셀 마다 일전극 및 상대전극이 독립적으로 형성된 구조이다. 이때 상기 절연패턴(109)은 한 쌍의 전극판에 서로 어긋나게 형성된다. 이렇게 어긋나게 형성된 절연패턴(109) 사이의 수직방향에서 볼 때 겹쳐지게 되는 단위셀의 일전극과 그의 일측에 인접한 단위셀의 상대전극은 전도성재질(금속, 전도성폴리머 등)의 그리드에 의해 전기적으로 연결되어 있고, 각 그리드의 양측면은 격벽에 의해 전해질층과 분리되어 있다.
단위셀에서 일전극-상대전극-양측격벽에 의해 형성되는 공간에는 전해질(105)이 충진된다.
서브모듈의 측면에서 일전극과 상대전극은 각각의 말단이 연장되고 외부로 노출되어, 각각 통전회로의 구성을 위한 일전극의 외부전극((-)-전극; 106a)과 상대전극의 외부전극((+)-전극; 106b)을 형성한다. 상기 외부전극에는 회로형성의 효율성 증대를 위해 추가로 전도성 금속(은, 구리 등)으로 금속층이 형성될 수도 있다. 도 1에서는 금속층의 형성에 의해 전극이 돌출되어 있는 형상으로 나타내었으며, 이하의 도면에서도 동일한 형상으로 도시하였다.
통상 전도성기판의 두께는 수 mm 정도이며, 일전극과 상대전극의 간격은 수십 ㎛로 매우 얇으나, 도 1에서는 설명을 위하여 일전극과 상대전극간의 간격이 과장되어 도시되어 있다(이하 다른 도면에서도 동일).
종래기술에 의하면 전술한 바와 같이, 태양전지 서브모듈 측면의 일전극 쪽이 (-)-전극으로, 반대측면의 상대전극 쪽이 (+)-전극으로 고정되어 있어 복수개의 서브모듈을 연결하여 태양전지 패널을 제작할 때 도 2a에서처럼 서브모듈을 직렬로 연결하기는 용이하였다. 그러나 종래기술에 의한 서브모듈을 이용하여 병렬연결하기 위해서는, ① 서브모듈을 나란히 배치하고 외부에서 별도의 전선으로 연결하거나 ② 도 2 b에서처럼 서브모듈을 번갈아 뒤집어서 배치하고 서브모듈의 말단면쪽에서 전원을 인출하는 방법이 있다. 그러나 ① 방식에 의하면 서브모듈 사이에 회로설정을 위해 많은 도선연결이 필요할 뿐만 아니라 서브모듈 사이의 간격(dead space)이 과도하게 발생하게 되고 작업성이나 내구성도 문제가 있으며, ② 방식은 뒤집혀진 서브모듈에서 상대전극쪽으로 태양이 조사되어 전지효율이 대폭 감소하는 단점이 있다.
한편, 도 1에서 볼 수 있듯이, 종래기술에 의해 염료감응 태양전지 서브모듈에서 서브모듈 내부의 단위셀들 사이의 격벽은 대략 2mm(중앙에 약 0.5mm의 그리드층과 양측의 양측면 외곽의 격벽 각 약 0.75mm)의 두께를 가지는 반면 측면외곽의 격벽은 약 0.75mm 정도의 두께로 이루어진다(실제 패턴 프린트시에는 더 좁음). 따라서 격벽의 재질이 폴리머이거나 글라스 프릿(glass frit)이거나 관계없이 모듈 제작과정에서 최외곽 격벽이 상대적으로 더 눌리면서 전극간의 간극이 과도하게 좁혀진 채로 제품이 완성되는 경우가 적지 않다. 이에 따라 서브모듈 조립 후 염료흡착을 하는 공정에 있어서, 최외곽 단위셀에 염료흡착이 원활하게 이루어지지 못해 결국 제품불량으로 연결된다. 도 3에 이런 연유로 불량이 된 제품의 사진을 도시하였는데, 제품의 좌우측 말단(화살표 표시부분)의 단위셀에 염료가 잘 흡착되어 있지 않은 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 공정상의 간단한 변경으로 일정한 상대적 위치에 있는 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조를 가진 염료감응 태양전지의 단독 단위셀 또는 서브모듈의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 복잡한 도선연결이나 모듈을 뒤집어 배치할 필요 없이 직렬 또는 병렬연결이 자유로운 염료감응 태양전지의 단독 단위셀 또는 서브모듈의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 태양전지의 단독 단위셀 또는 서브모듈 제작과정에서 전극판의 간극유지 실패로 인한 불량률을 대폭 절감할 수 있는 염료감응 태양전지의 단독 단위셀 또는 서브모듈의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조에 있어서, 단위셀 또는 서브모듈의 ① 한 측면 격벽 외곽에, 또는 ② 양 측면 격벽 외곽에 모두에 그리드가 추가로 형성되어 있는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조에 관한 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 필요에 따라 다양한 회로구성을 가지며, 서브모듈간 결합과 연결이 용이한 태양전지 패널을 간단하게 제작할 수 있게 되어 염료감응 태양전지의 활용도를 재고할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 제작시 최외곽 단위셀의 염료흡착이 미흡하여 발생하는 불량을 줄일 수 있어 특히 대면적 태양전지의 생산효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 서브모듈의 개념적 단면도.
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 서브모듈을 각각 직렬 및 병렬로 연결하는 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 3은 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 서브모듈에서 제품의 좌우측 말단의 단위셀에 염료가 잘 흡착되지 않음을 보여주는 사진.
도 4는 본 발명에 의한 태양전지 서브모듈에 있어서 하나의 전도성기판의 양 말단에 외부전극이 형성된 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 5a는 본 발명에 의한 태양전지 서브모듈로서 동일한 위치의 외부전극 극성이 반대로 형성된 서브모듈 쌍의 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 5b는 도 5a에 도시된 서브모듈을 활용하여 제작된, 전류의 방향이 반대인 직렬연결 패널(패널 A 및 패널 B) 및 병렬연결 패널(패널 C)의 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 염료감응 태양전지 서브모듈에서 제품의 좌우측 말단의 단위셀에도 염료가 잘 흡착되어 있음을 보여주는 사진.
도 2a 및 도 2b는 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 서브모듈을 각각 직렬 및 병렬로 연결하는 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 3은 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 서브모듈에서 제품의 좌우측 말단의 단위셀에 염료가 잘 흡착되지 않음을 보여주는 사진.
도 4는 본 발명에 의한 태양전지 서브모듈에 있어서 하나의 전도성기판의 양 말단에 외부전극이 형성된 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 5a는 본 발명에 의한 태양전지 서브모듈로서 동일한 위치의 외부전극 극성이 반대로 형성된 서브모듈 쌍의 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 5b는 도 5a에 도시된 서브모듈을 활용하여 제작된, 전류의 방향이 반대인 직렬연결 패널(패널 A 및 패널 B) 및 병렬연결 패널(패널 C)의 예를 보여주는 개념적 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 염료감응 태양전지 서브모듈에서 제품의 좌우측 말단의 단위셀에도 염료가 잘 흡착되어 있음을 보여주는 사진.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 그에 대한 설명은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
설명한 바와 같이, 본 발명은 단위셀 또는 서브모듈의 ① 한 측면 격벽(108) 외곽에, 또는 ② 양 측면 격벽(108) 외곽에 모두에 그리드(107)가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조에 관한 것이다.
본 발명에서 "격벽(108) 외곽에 그리드(107)가 형성"된다는 것은 태양전지 단위셀 또는 서브모듈의 "측면 격벽(108)의 외부측면에 접하거나 이격되어 그리드(107)가 형성"되는 것을 의미하지만, 본 발명에서는 외부측면에 접하여 형성되는 것을 기준으로 한다. 한편 본 발명에서 최외곽에 형성된 그리드(107)는 전해질(105)이 존재하는 내부보다 월등히 온화한 환경인 대기에 노출되는 것이므로 다른 보호수단이 반드시 필요한 것은 아니다. 그러나 열악한 기후환경을 대비하여 상기 그리드(107) 외곽에 격벽(108)을 추가로 형성하여 궁극적으로 단위셀 사이의 [격벽-그리드-격벽]구조와 동일한 구조(도 4 및 도 5에서 점선원으로 표시한 부분의 구조)가 되도록 하는 것이 바람직하다.
통상의 단위셀과 서브모듈의 차이는 절연패턴(109) 및 내부 격벽(108)의 유무이므로 이하에서는 '서브모듈'로 일반화하여 설명하기로 하며, 역시 단위셀에 대한 별도의 도면은 생략하기로 한다. 특별한 경우가 아니면 도면에는 양 측면 격벽(108) 외곽에 모두에 그리드(107)가 추가로 형성되어 있고, 그리드(107) 외곽에 격벽(108)도 추가로 형성되어 있는 예를 도시하기로 한다.
본 발명에서 단위셀 또는 서브모듈에 의하면 외부전극(106a, 106b)이 동일한 기판 측면에 돌출 형성되도록 할 수 있다. 즉, 하나의 전도성기판(101a 또는 101b)의 양 말단이 확장되어 각 말단에 일전극과 전기적으로 연결된 (-)-외부전극(106a) 및 상대전극과 전기적으로 연결된 (+)-외부전극(106b)이 각각 형성되도록 할 수 있는 것이다. 이는 그리드(107)가 ① 한 측면 격벽(108) 외곽에, 또는 ② 양 측면 격벽(108) 외곽에 모두에 형성되어 있는 경우 모두에서 가능하지만, 굳이 양 측면에 모두 그리드(107)를 형성할 필요는 없다. 도 4에 본 발명에 의한 모듈에 있어서 하나의 전도성기판의 양 말단에 외부전극이 형성된 예를 도시하였다. 그러나 도시된 예에서 오른쪽 점선원의 그리드(107)는 생략되어도 무방하다.
외부전극(106a, 106b)이 하나의 기판 양 말단에 형성되는 경우 염료감응 태양전지 패널 제작시에 도전성 접착제 또는 도전성 양면테이프를 사용하지 않고도 인접한 모듈을 물리적, 전기적으로 안정하게 연결할 수 있으므로 태양전지 패널의 성능과 내구성이 향상된다.(이러한 유형을 가진 모듈의 효용성에 대해서는 본원 출원인의 출원번호 10-2010-56587 출원서에 충분히 기재한 바 있다.)
본 발명에 의하면, 모듈의 양 측면 격벽(108) 외곽에 모두에 그리드(107)를 추가로 형성하고, 전도성기판(101a, 101b)의 절연패턴(109)(즉, 스크라이빙 패턴)의 그리드(107)에 대한 상대적 위치를 변경함으로써 외부전극(106a, 106b)의 극성을 임의로 조절 가능하게 된다.
도 5a에 이러한 방식으로 동일한 위치에 있는 외부전극(106a, 106b)의 극성이 반대로 형성된 A-형 모듈 및 B-형 모듈의 단면도를 예시하였다. A-형 서브모듈에서는, 일전극의 절연패턴(109)이 그리드(107)의 우측에, 상대전극의 절연패턴(109)이 그리드(107)의 좌측에 형성되어 일전극의 전도성기판(101a)에 (-)-외부전극(106a)이, 상대전극의 전도성기판(101b)에 (+)-외부전극(106b)이 위치하게 된다. 이때 최외곽 격벽(108)의 그리드(107) 및 최외곽 절연패턴(109)(도면에서 점선원으로 표시된 부분에서, 내측 격벽을 제외한 부분)은 필수적인 것은 아니다. B-형 서브모듈에서는, 일전극의 절연패턴(109)이 그리드(107)의 좌측에, 상대전극의 절연패턴(109)이 그리드(107)의 우측에 각각 형성되어 일전극에 (+)-외부전극(106b)이, 상대전극에 (-)-외부전극(106a)이 위치한다. 이때 최외곽 격벽(108)의 그리드(107) 및 최외곽 절연패턴(109)(도면에서 점선원으로 표시)은 필수적이다.
이러한 본 발명에 의한 서브모듈을 이용하여 다양한 회로구성을 가진 태양전지 패널을 매우 용이하게 제작하는 것이 가능하게 된다. 도 5b에 전술한 A-형 서브모듈 및 B-형 서브모듈을 활용하여 전류의 방향이 반대인 직렬연결 패널(패널 A 및 패널 B) 및 병렬연결 패널(패널 C)의 단면도를 예시하였다.
따라서 본 발명에 의한 서브모듈을 이용하는 경우 태양광 발전소의 환경과 발전조건에 따라 다양한 유형의 태양전지 패널을 편리하게 제작할 수 있게 되어 염료감응 태양전지의 활용도를 대폭 높일 수 있게 된다.
본 발명은 태양전지 단위셀 또는 서브모듈의 내부 전기회로에 관한 것이므로 전도성 기판, 다공성 나노입자 산화물층, 염료, 전해질, 그리드 및 격벽의 종류나 특성이 다르거나, 단위셀의 규격이나 그리드 또는 격벽의 두께 등이 상이하더라도 본 발명의 본질적 취지가 적용될 수 있음은 명백하며, 전술한 종류나 특성, 규격 등의 상이함은 본 발명의 권리범위에 영향을 미치지 않음도 명확하다.
하기 표 1에 기재된 재질의 태양전지 규격이 300×295㎜이고 단위셀 23개로 이루어진 염료감응 태양전지 서브모듈을 제작하였다.
실시예는 서브모듈의 양쪽 측면(즉, 1-line의 측면과 23-line의 측면) 격벽(108) 외곽에 그리드(107)와 보호격벽(108)을 추가로 형성한 것이고, 비교예는 그리드(107)와 보호격벽(108)을 추가하지 않은 통상의 서브모듈이다.
(1) 측면 단위셀에서의 염료흡착 효율성
실시예에 의하면 도 6에 도시된 제품사진에서 볼 수 있듯이, 측면 단위셀 즉, 1-line과 23-line 단위셀에도 염료가 잘 흡착되었다. 그러나 비교예(도 3) 서브모듈에서는 전술한 바와 같이, 서브모듈의 좌우측 측면 단위셀에 염료가 잘 흡착되어 있지 않은 것을 확인할 수 있었다.
(2) 기판 사이의 갭 유지여부 확인
실시예와 비교예에 의한 서브모듈의 일부 단위셀에서 기판 사이의 갭을 광학현미경(STV-ics305B, 썸텍비전, 한국)을 이용하여 측정하였다(표 2).
표에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 의한 서브모듈에서는 최외곽 측면 단위셀인 1-line과 23-line 단위셀을 비롯한 검사된 모든 단위셀의 기판간극이 균일하게 제조되었음을 알 수 있다. 그러나 비교예에서는 최외곽 측면 단위셀인 1-line과 23-line 단위셀의 기판간극이 다른 단위셀들에 비해 25%가량 작았다. 이는 종래기술에 따른 서브모듈 제작과정에서 최외곽 격벽이 상대적으로 더 눌리면서 나타난 현상으로 판단된다.
(3) 전지효율 비교
실시예와 비교예에서 제작된 서브모듈의 전지특성을 통상의 방법으로 측정하여 표 3에 나타내었다.
본 발명의 실시예에 의한 서브모듈의 전지특성이 모든 면에서 비교예에 비해 상당히 우수함을 알 수 있다. 예컨대, 전지효율은 비교예에 비해 실시예의 서브모듈이 약 11% 정도 더 우수하였다.
101a, 101b : 전도성기판
102 : 다공성 나노입자 산화물층
104 : 촉매층 105 : 전해질
106a : (-)-외부전극 106b : (+)-외부전극
107 : 그리드 108 : 격벽
109 : 절연패턴
102 : 다공성 나노입자 산화물층
104 : 촉매층 105 : 전해질
106a : (-)-외부전극 106b : (+)-외부전극
107 : 그리드 108 : 격벽
109 : 절연패턴
Claims (5)
- 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조에 있어서,
단위셀 또는 서브모듈의 한 측면 격벽(108) 외곽에 그리드(107)가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조.
- 제 1 항에 있어서,
단위셀 또는 서브모듈의 외부전극(106a, 106b)이 동일한 기판 측면에 돌출형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조.
- 제 1 항에 있어서,
단위셀 또는 서브모듈의 양 측면 격벽(108) 외곽에 그리드(107)가 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조.
- 제 1 항에 있어서,
단위셀 또는 서브모듈의 외부전극(106a, 106b)이 양 기판의 대향 측면에 돌출형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
그리드(107) 외곽에 격벽(108)이 추가로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 단위셀 또는 서브모듈 구조.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110109933A KR101206040B1 (ko) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조의 염료감응 태양전지 서브모듈 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110109933A KR101206040B1 (ko) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조의 염료감응 태양전지 서브모듈 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101206040B1 true KR101206040B1 (ko) | 2012-11-28 |
Family
ID=47565569
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020110109933A KR101206040B1 (ko) | 2011-10-26 | 2011-10-26 | 외부전극의 극성을 용이하게 변경할 수 있는 구조의 염료감응 태양전지 서브모듈 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101206040B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004119305A (ja) | 2002-09-27 | 2004-04-15 | Hitachi Maxell Ltd | 光電変換素子及びそれを用いた光電変換素子モジュール |
-
2011
- 2011-10-26 KR KR1020110109933A patent/KR101206040B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004119305A (ja) | 2002-09-27 | 2004-04-15 | Hitachi Maxell Ltd | 光電変換素子及びそれを用いた光電変換素子モジュール |
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