KR101673224B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 분극성 터널 접합(PTJ: Polarized Tunneling Junction)구조를 갖는 태양전지와 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실리콘 태양전지는 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층을 포함하고, 상기 전극과 광흡수층에 인접하여 설치한 전기분극물질을 포함하여 이루어지는 분극성 터널 접합을 포함하며, 상기 전기분극물질은 강유전체 물질로서 I-IV-VI 또는 II-IV-VI 화합물인 것을 포함한다. 구체적으로 상기 전기분극물질은 Ti 또는 Si 중에서 하나 이상을 포함하여 이루어진 복합 산화물 물질을 포함한다.

Description

태양전지 및 그 제조방법 {SOLAR CELLS AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층을 포함하고, 상기 전극과 광흡수층에 인접하여 설치된 전기분극물질을 포함하여 이루어지는 분극성 터널 접합을 형성하여 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킨 태양전지의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
실리콘 태양전지는 현재 가장 큰 시장점유율을 보이고 있는 단결정 및 다결정을 포함하는 결정질 태양전지 기술로서, 고효율과 저가로 제조할 수 있는 기술 개발이 이루어지고 있다.
지난 20년 동안 가장 전세계에서 효율이 우수한 실리콘 태양전지는 호주의 뉴사우스웨일즈대학(University of New South Wales)에서 개발한 PERL(Passivated Emitter Rear Locally Diffused) 구조를 이용하는 셀로서 효율이 25%이었으나, 2014년 4월 IEEE Photovoltaic Specialists Conference에서 파나소닉(Panasonic)사는 새로운 구조를 채택하여 25.6%를 실현하였다.
이 태양전지는 유입되는 태양광의 일부를 막는 전면의 접합부(Front Contact)를 변경하여, 양극 접합부 및 음극 접합부 모두 후면에 위치한다. 그밖에, 결정 실리콘 웨이퍼에 고품질의 비정질 실리콘막을 형성하여 웨이퍼 표면에의 손상을 억제함으로써 전, 후면에서 캐리어의 재결합 발생을 최소화하여 25%의 효율 벽을 넘는 25.6%의 효율을 달성하였다.
그러나, 이러한 효율 기록 갱신과 관련한 모든 태양전지의 설계는 고품질 실리콘 결정을 사용해야 한다는 단점을 갖고 있으며, 지상용 단일 접합 태양전지의 이론 효율인 약 30%에 미치지 못하는 있는 상황이다.
한편, 박막 태양전지 기술은 현재 가장 큰 시장점유율을 보이고 있는 결정질 Si 태양전지와 비교되는 차세대 태양전지 기술로서, 박막 태양전지는 결정질 Si 태양전지보다 효율을 높일 수 있으면서도 저가로 제조할 수 있어 주목받고 있는 태양전지이며, 대표적으로 CIGS(Cu(In, Ga)Se2) 태양전지가 있다.
이러한 박막 태양전지의 경우, 효율을 보다 향상시키기 위하여, 압전소자(piezoelectric device)와 같은 타소자와의 융합을 통한 방법이 제안되고 있다.
예를 들어, Wang 등에 의한 특허문헌 1에는 하이브리드 태양광 발전기(hybrid solar nanogenerator)에 있어서, 염료태양전지(dye-sensitized solar cell)의 전극에 직렬 또는 병렬로 ZnO 나노선(nanowire)을 이용한 압전 나노발전소자(piezoelectric nanogenerator)를 설치하여 기계적 진동에 의해 생성된 전하를 수집하여 광전류와 함께 발전량에 기여하도록 함으로써 효율을 개선하도록 하는 방법이 제시되어 있다. 그런데, 하기 특허문헌 1에 개시된 기술은 기계적 진동을 발생시키기 위한 에너지와 장치가 부수적으로 필요하므로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타낼 수 있는 태양전지 기술이 개시되어 있는데, 이 기술은 박막 태양전지의 전극에 전계 방출 효과를 갖는 나노막대, 나노선 또는 나노튜브 등의 형태를 갖는 나노구조물을 포함하는 전계방출층을 설치하여 빛에 의하여 광활성층으로부터 발생된 전자와 정공을 각 전극으로 효과적으로 전달시킴으로써 태양전지의 광전변환효율을 향상시키기 위한 것이나, 실제 다양한 박막 태양전지에 적용한 결과, 효율 개선 효과는 미미한 반면, 나노구조물의 제작에 소요되는 공정비용이 증가하여, 특허문헌 1에 개시된 기술과 마찬가지로 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
1. 미국 등록 특허공보 US7,705,523 (2010년4월27일) 2. 대한민국 공개 특허공보 제2011-0087226호 (2011년08월02일)
본 발명의 목적은 전극이나 광흡수층에 인접하여 전기분극물질을 포함하는 분극성 터널접합(PTJ: Polarized Tunneling Junction) 구조를 통해 내장전계(built-in electric field)를 형성함으로써, 광흡수에 의해 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합(recombination)을 감소시키는 동시에 전극에의 수집(collection) 효율을 개선하여, 효율을 증대시킬 수 있는 태양전지의 구조와 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 기존의 재결합 방지층을 분극성 터널 접합으로 대체한 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1측면은, 분극성 터널 접합을 포함하여 이루어진 태양전지로, 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 광흡수층을 포함하고, 상기 전극과 광흡수층 사이에 전기분극물질을 형성하여 이루어진 분극성 터널 접합을 포함하여 이루어진 태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 상기 전기분극물질은, I족, IV족, 및 VI족 원소를 포함하는 화합물, 또는 II족, IV족, 및 VI족 원소를 포함하는 화합물 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 상기 전기분극물질은, Ti 또는 Si 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 상기 전기분극물질은, MgxSiyOz, FexSiyOz, CuxTiyOz, CuxSiyOz (여기서, x, y, z는 임의의 양수) 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층 물질은 Si일 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지에 있어서, 상기 광흡수층 물질은, 비정질 Si, 다결정 Si 또는 단결정 Si 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2측면은, 광흡수층과 전도성 물질층을 포함하는 태양전지의 제조방법으로, 상기 광흡수층과 전도성 물질층 사이에 전기분극물질층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 광흡수층과 전도성 물질층과 전기분극물질층이 분극성 터널 접합을 형성하는 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 광흡수층상에 텍스처를 형성하는 단계; 상기 텍스처 상에 전기분극물질층을 형성하는 단계; 상기 전기분극물질층 상에 전도성 물질층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 전기분극물질층을, 진공증착법, 전기도금법, 잉크 프린팅법, 스프레이 열분해법 중에서 선택된 하나 이상의 방법으로 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 전기분극층을 형성함과 동시에 형성되는 전기분극층에 잔류분극이 형성되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 전기분극층은, 반응성 이온 스퍼터링 방법으로 형성되고, 상기 전기분극층을 형성할 때, 0V ~ -5V의 범위로 음의 전압을 인가하여 잔류분극이 형성되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 있어서, 상기 반응성 이온 스퍼터링은, 전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 불활성 가스와 반응성 기체를 주입하는 단계와, 플라즈마를 발생하여 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지는 자발분극과 잔류분극 특성을 갖는 전기분극물질을 이용하여 분극성 터널 접합을 전극과 광흡수층에 인접하게 설치함으로써 내장전계를 형성하여 광흡수에 의해 p-n접합 반도체 내에서 생성된 전자와 정공의 재결합을 감소시키는 동시에 전극에의 수집효율을 개선하여 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지에 구비된 분극성 터널 접합은 기존의 태양전지에 구비된 재결합 방지층을 대체할 수 있어, 공정을 단순화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법에 의하면, 전기분극물질을 형성하면서 동시에 바이어스 전압을 인가하여 형성된 전기분극층 내에 잔류분극이 형성되도록 함으로써, 전기분극 상태를 보다 안정적으로 유지할 수 있어, 태양전지의 효율을 보다 장시간 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분극성 터널 접합을 갖는 태양전지의 구조와 광전류가 향상되는 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 분극성 터널 접합을 포함하는 실리콘 태양전지의 단면구조의 모식도를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기분극물질을 포함하는 분극성 터널 접합을 갖는 실리콘 태양전지의 제조과정을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분극성 터널 접합을 갖는 태양전지의 구조와 광전류가 개선되는 개념을 나타낸 도면이다.
전기분극 특성을 나타내는 대표적인 재료인 강유전체는 ABO3 구조 혹은 페로브스카이트(perpvskite) 격자구조로 되어 있는데, 이 격자의 중앙에 위치한 원자 B가 인가전압의 극성에 따라 상하로 움직이면서 분극 현상을 나타낸다. 이 원자의 위치에 따라 전압에 따른 전기분극의 크기가 다르게 나타난다. 즉, 격자에 위쪽으로부터 양의 전압(전기장)이 인가되면 중앙에 위치한 원자 B는 아래로 이동하며, 인가 전압의 증가에 따라 이동 거리도 길어지나, 전압이 차단되면 안정된 에너지 위치로 고정된다. 이때, 일정 크기의 분극이 존재하는데, 이를 잔류분극이라고 하며, 외부의 전기장이 없는 상태에서 스스로 분극을 가지는 것을 자발분극이라고 한다.
이러한 잔류분극과 자발분극의 특성을 갖는 전기분극물질을 일정한 두께 이하로 전극과 광흡수층사이에 인접하여 설치하면 분극성 터널링 접합을 형성할 수 있다.
본 발명은 일반적인 실리콘 태양전지의 전극과 광흡수층 사이에 전기분극층을 설치하여 분극성 터널 접합을 형성하는데 특징이 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 전기분극물질은 분극에 의하여 인접한 광흡수층에 대하여 내장전계를 형성함으로써 광흡수에 의해 p-n접합 반도체 내에서 생성된 전하 캐리어(전자와 정공)의 재결합을 감소시킬 수 있다.
또한 전하 캐리어의 농도가 증가하거나 외부에서 전기장을 역방향(음극에 양의 전압, 양극에는 음의 전압)으로 증가시키면(poling), 이에 대응하여 전기분극물질 내에서는 정방향으로 분극이 발생하므로 캐리어가 각각의 극성에 따라 같은 극성을 가진 전극 방향으로 터널링 현상에 의하여 수집될 수 있으므로 수집 효율이 개선되어 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 일반적으로 전기분극물질로 사용되는 강유전체 물질의 박막에 있어서는 박막을 이루는 단위 입자들의 분극 방향(polarization orientation) 분포에 따라 전류의 전도에 대한 저항이 변화하므로 전기분극의 분포를 전류 방향에 대하여 정방향이 되도록 외부에서 전기장을 인가하면 분극 방향이 전류 방향에 대해 정방향으로 균일하게 배열되므로 도전성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 전기분극물질 박막의 두께가 얇을수록 터널링이 증가하므로 상기 전기분극물질의 두께는 100nm 이하의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 태양전지가 동작 중일 때는 순방향 전압이 인가되는 효과를 가지므로 이러한 경우에 전기분극층의 전기분극 크기와 방향이 변동하게 되어 전기분극이 태양전지의 동작 이전보다 감소하는 경향이 있으므로, 태양전지에 형성된 전기분극층의 효과를 일정 수준으로 유지하기 위해서는 전기분극층의 전기분극을 확대시킴으로써 동작시의 동작 전압(operating voltage) 범위에 있어서 전기분극 감소율을 최소화할 수 있고 또한 수집효율을 높이기 위한 최소한 전기분극을 고려할 때, 상기 전기분극물질의 두께는 5nm 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 전기분극층을 형성하는 방법으로는 결정질 박막의 형성이 용이한, 반응성 이온 스퍼터링법, 전자빔 증발법과 같은 물리기상증착(PVD: physical vapor deposition)법을 이용하는 것이 바람직하다.
반응성 이온 스퍼터링법의 경우, 진공 챔버 안에 형성하고자 하는 전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 Ar과 같은 불활성 가스와 O2와 같은 반응성 기체를 주입하여 플라즈마를 발생시켜서 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성되면서 기판 위에 결정성 박막으로 형성되도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 실리콘 태양전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 실리콘 태양전지는 Al 박막의 하부에 Ag 그리드가 형성된 p극과, ITO와 같은 투명 전도성 물질로 이루어진 투명전극과 투명전극상에 형성된 Ag 그리드가 형성된 n극과, 상기 p극과 n극의 사이에 형성된 p형 실리콘과 n형 실리콘이 접합된 광흡수층과, 상기 광흡수층과 투명전극 사이에 형성된 전기분극층으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 전기분극층은 재결합 방지의 기능을 가지므로, 일반적인 결정질 실리콘 태양전지에서 재결합 방지층으로 사용되는 TiO2, Al2O3와 같은 물질로 이루어지는 절연층을 대체하여, 분극층의 형성과 재결합 방지를 동시에 구현할 수 있게 할 수 있다.
도 3은 도 2의 태양전지를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. 먼저, 붕소(boron)가 도핑된 p형 실리콘 웨이퍼의 표면에 표면 반사를 저감하기 위하여, 습식식각 방법을 사용하여 수 마이크로미터 깊이의 텍스처(texture)를 형성한다(도 3b).
텍스처가 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 POCl3와 같이 인(phosphorus)을 포함하는 기체를 이용하여 열처리함으로써, 실리콘 웨이퍼 표면에 도핑을 통하여 n형 실리콘층을 형성한다(도 3c).
상기 n형 실리콘층 상에, 증착속도에서 유리한 반응성 이온 스퍼터링 방법을 적용하여 CuSiO3를 포함하는 CuxSiyOz 박막을 약 50nm의 두께로 형성하여 전기분극층을 형성한다(도 3d). 본 발명의 실시형태에서는 반응성 이온 스퍼터링법을 사용하였으나, 전기도금, 잉크 프린팅, 스프레이 열분해법 등과 같은 저비용의 비진공법과 같이 전기분극층을 형성할 수 있는 방법이라면 특별히 제한없이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서는 전기분극층으로 CuxSiyOz 박막을 형성하였으나, MgxSiyOz, FexSiyOz, CuxTiyOz 등도 바람직한 예로서 사용될 수 있다.
이때, 스퍼터링 타겟은 Cu와 Si 및 O를 포함하는 화합물 조성을 갖는 99.99% 이상의 순도를 갖는 재료를 사용한다. 반응성 이온 스퍼터링에 의한 전기분극층의 증착 단계는 시간대별로 4개 구간으로 구분하여 진행한다. 먼저, Cu와 Si 및 O를 포함하는 물질로서 예를 들어 CuSiO3 등을 이용하여 스퍼터링 타겟 재료를 설치한 다음, Ar을 캐리어 기체로, O2를 반응 기체로 하여 주입하는 단계와, 플라즈마를 발생시켜서 Ar 이온을 이용하여 타겟 재료로부터 금속원자를 방출시키는 단계와, 산소 이온이 방출된 금속원자와 반응하여 Cu, Si가 포함된 산화물을 형성하는 단계를 통하여 CuxSiyOz를 포함하는 복합 산화물 박막을 형성한다.
상기 스퍼터링에 있어서 공정온도는 200℃ 이하, 공정 압력은 5mTorr, Ar 유량은 20 ~ 50sccm, O2 유량은 10 ~ 30sccm, 직류 전압은 300 ~ 500V를 적용하고, 시간은 10분 이내로 진행하여, 약 1nm ~ 100nm 두께의 전기분극층을 형성할 수 있으며, 보다 바람직하게는 200℃에서 4분을 적용하여 약 50nm의 CuSiO3 등의 CuxSiyOz 복합 산화물을 포함하는 전기분극층을 형성한다.
또한, 이상과 같이 전기분극물질을 형성하는 과정이나 이후 단계에 있어서, 실리콘 웨이퍼 쪽에 역방향 바이어스(bias)를 인가하여 형성되거나 형성된 전기분극층 내에 잔류분극을 형성하는 과정(폴링: poling)을 적용할 수 있다. 이때 역방향 바이어스 전압의 범위는 실리콘 다이오드의 역방향 파괴전합 이내의 범위로서 0 ~ -5V 이내의 음의 전압이 바람직하다.
이후, 상기 전기분극층 위에 투명 전도성 물질을 증착하여 투명 전극(TCE: transparent conducting electrode)를 형성하여 분극성 터널 접합의 구조를 완성한다(도 3e). 이때 투명 전극 물질로는 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), AZO(Al-doped ZnO), FTO(F-doped SnO2) 등이 사용될 수 있으며, 투명 전극은 예를 들어 스퍼터링과 같은 방법으로 형성할 수 있다.
그리고, 후면에 Al과 같은 전도성 물질의 박막을 스크린 프린팅(screen printing)과 같은 인쇄 방법으로 형성하고(도 3f), 전면과 후면에 Ag를 메인 및 서브 패턴 형태로 인쇄한 후, 소성 열처리를 함으로써 분극성 터널 접합을 갖는 실리콘 결정질 태양전지 셀이 완성된다(도 3g).

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 상호 대향되게 배치되는 두 전극 사이에 배치되는 Si를 포함하는 광흡수층과,
    상기 전극과 광흡수층 사이에 배치되는 5~100nm 두께의 전기분극물질층을 포함하고,
    상기 전기분극물질층은 형성되는 과정에 5V 이하의 전압이 인가되어 잔류분극이 형성되고,
    상기 전기분극물질층은 Cu 또는 Si 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어진, 분극성 터널 접합을 구비한, 태양전지.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전기분극물질은, MgxSiyOz, FexSiyOz, CuxTiyOz, CuxSiyOz (여기서, x, y, z는 임의의 양수) 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 태양전지.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 Si를 포함하는 광흡수층은, 비정질 Si, 다결정 Si 또는 단결정 Si 중의 하나 이상을 포함하는 태양전지.
  8. Si를 포함하는 광흡수층과 전도성 물질층을 포함하는 태양전지의 제조방법으로,
    상기 Si를 포함하는 광흡수층과 전도성 물질층 사이에 두께 5~100nm의 전기분극물질층을 형성하며,
    상기 전기분극물질은, 형성되는 과정에 5V 이하의 전압이 인가되어 잔류분극이 형성되고, Cu 또는 Si 중 하나 이상을 포함하는 산화물로 이루어지는,
    상기 광흡수층과 전도성 물질층과 전기분극물질층이 분극성 터널 접합을 형성하는 태양전지의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광흡수층상에 텍스처를 형성하고,
    상기 텍스처 상에 전기분극물질층을 형성하는 태양전지의 제조방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 전기분극물질층을, 진공증착법, 전기도금법, 잉크 프린팅법, 스프레이 열분해법 중에서 선택된 하나 이상의 방법으로 형성하는 태양전지의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 전기분극물질층은, 반응성 이온 스퍼터링 방법으로 형성되는 태양전지의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반응성 이온 스퍼터링은,
    전기분극물질의 성분을 갖는 타겟(target)을 설치하고 진공상태에서 불활성 가스와 반응성 기체를 주입하는 단계와,
    플라즈마를 발생하여 Ar 이온이 타겟에 충돌하여 방출되는 전기분극물질이 산소 플라즈마와 반응하여 산화물이 형성하는 단계를 포함하는 태양전지의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5186152B2 (ja) * 2007-08-10 2013-04-17 株式会社アルバック 薄膜形成方法
US7705523B2 (en) 2008-05-27 2010-04-27 Georgia Tech Research Corporation Hybrid solar nanogenerator cells
WO2011090336A2 (ko) 2010-01-25 2011-07-28 (주)루미나노 전기장 향상 효과에 의하여 개선된 광전환 효율을 나타내는 태양전지

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120017976A1 (en) * 2010-06-18 2012-01-26 Institut National De La Recherche Scientifique (Inrs) Combined pn junction and bulk photovoltaic device

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