KR101916212B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 산화아연층(ZnO layer)을 형성하는 단계; 상기 산화아연층 상에 황 화합물(sulfur compound) 기체를 투입하는 단계; 및 상기 산화아연층을 열처리하는 단계를 포함한다.

Description

태양전지 및 이의 제조방법{SOLAR CELL AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
실시예는 태양전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
태양광 발전을 위한 태양전지의 제조방법은 다음과 같다. 먼저, 기판이 제공되고, 상기 기판 상에 후면전극층이 형성되고, 레이저에 의해서 패터닝되어, 다수 개의 이면전극들이 형성된다.
이후, 상기 이면전극들 상에 광 흡수층, 버퍼층이 차례로 형성된다. 상기 광 흡수층을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다. 상기 광 흡수층의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1 내지 1.8 eV 이다.
이후, 상기 버퍼층이 형성된다. 상기 버퍼층을 형성하기 위한 공정으로는 원자층 증착법(Atomic layer deposition)이 주로 사용된다. 즉, 상기 원자층 증착법에 의해 산화아연층과 황화아연층을 순차적으로 증착함으로써, 버퍼층을 형성할 수 있다.
그러나, 상기 원자층 증착법은 공정의 특징상 공정 시간이 길어진다는 문제점이 있으며, 이로 인해 공정 효율이 감소하는 문제점이 있다. 이에 따라, 상기 버퍼층을 형성할 때, 공정 시간의 단축 및 공정 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 버퍼층 형성 방법에 대한 필요성이 요구된다.
실시예는 향상된 광-전 변환 효율을 가지는 태양전지 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계; 상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계; 상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 버퍼층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 버퍼층을 형성하는 단계는, 산화아연층(ZnO layer)을 형성하는 단계; 상기 산화아연층 상에 황 화합물(sulfur compound) 기체를 투입하는 단계; 및 상기 산화아연층을 열처리하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 태양전지 제조방법에서는, 상기 광 흡수층 상에 산화아연층을 일정한 두께로 원자층 증착법 또는 화학 기상 증착법에 의해 증착한 후, 상기 산화아연층 상에 황을 포함하는 기체를 투입한 후 열처리하여, 상기 산화아연층 상에 상기 황화아연층을 형성할 수 있다.
종래에는, 상기 산화아연층과 상기 황화아연층을 원자층 증착법에 의해 증착하였으나, 상기 원자층 증착법의 특성상 공정 시간이 길어지게 되어 공정 효율이 감소하는 문제점이 있었다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 종래 버퍼층을 형성하는 공정에 비해 공정시간을 단축할 수 있으므로, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 2는 실시예에 따른 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정흐름도이다.
도 3 내지 도 9는 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 태양전지 제조방법을 설명하기 위한 공정흐름도이고, 도 2는 실시예에 따른 버퍼층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 공정흐름도이며, 도 3 내지 도 9는 실시예에 따른 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 실시예에 따른 태양전지 제조방법은, 후면 전극층을 형성하는 단계(ST10); 광 흡수층을 형성하는 단계(ST20); 버퍼층을 형성하는 단계(ST30); 및 전면 전극층을 형성하는 단계(ST40)를 포함한다.
상기 후면 전극층을 형성하는 단계(ST10)에서는, 도 2에 도시되어 있듯이, 지지 기판(100) 상에 후면 전극층(200)을 형성한다.
상기 지지 기판(100)은 플레이트 형상을 가지며, 상기 후면 전극층(200), 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400), 상기 전면 전극층(500) 및 상기 접속부(600)를 지지한다.
상기 지지 기판(100)은 절연체일 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 유리 기판, 플라스틱 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 더 자세하게, 상기 지지 기판(100)은 소다 라임 글래스(soda lime glass) 기판일 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 투명할 수 있다. 상기 지지 기판(100)은 리지드(rigid)하거나 플렉서블(flexible)할 수 있다.
상기 후면 전극층(200)은 상기 지지 기판(100) 상에 배치된다. 상기 후면 전극층(200)은 도전층이다. 상기 후면 전극층(200)으로 사용되는 물질의 예로서는 몰리브덴 등의 금속을 들 수 있다.
또한, 상기 후면 전극층(200)은 두 개 이상의 층들을 포함할 수 있다. 이때, 각각의 층들은 같은 금속으로 형성되거나 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 상기 후면 전극층(200)은 패터닝되어 제 1 관통홈들(TH1)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 지지기판(100) 상에 다수 개의 후면 전극들, 제 1 연결 전극 및 제 2 연결 전극이 형성된다. 상기 후면 전극층(200)은 레이저에 의해서 패터닝된다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 지지기판(100)의 상면을 노출하는 오픈 영역이다. 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서, 상기 후면전극층(200)은 다수 개의 후면전극들로 구분된다. 즉, 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서, 상기 후면전극들이 정의된다.
상기 후면 전극들은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 의해서 서로 이격된다. 상기 후면 전극들은 스트라이프 형태로 배치된다.
이와는 다르게, 상기 후면 전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 이때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 평면에서 보았을 때, 격자 형태로 형성될 수 있다.
상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 지지기판(100)의 상면을 노출하며, 약 80㎛ 내지 약 200㎛의 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 지지기판(100) 및 상기 후면 전극층(200) 사이에 확산 방지막 등과 같은 추가적인 층이 개재될 수 있고, 이때, 상기 제 1 관통홈들(TH1)은 상기 추가적인 층의 상면을 노출하게 된다.
상기 광 흡수층을 형성하는 단계(ST20)에서는, 도 5에 도시되어 있듯이, 상기 후면 전극층(200) 상에 상기 광 흡수층(300)을 형성한다. 상기 광 흡수층(300)은 상기 후면전극층(200) 상에 배치된다. 또한, 상기 광 흡수층(300)에 포함된 물질은 상기 제 1 관통홈들(TH1)에 채워진다. 상기 광 흡수층(300)은 스퍼터링 공정 또는 증발법 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 흡수층(300)을 형성하기 위해서 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 동시 또는 구분하여 증발시키면서 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)을 형성하는 방법과 금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션(Selenization) 공정에 의해 형성시키는 방법이 폭넓게 사용되고 있다.
금속 프리커서 막을 형성시킨 후 셀레니제이션 하는 것을 세분화하면, 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정에 의해서, 상기 후면전극(200) 상에 금속 프리커서 막이 형성된다.
이후, 상기 금속 프리커서 막은 셀레이제이션(selenization) 공정에 의해서, 구리-인듐-갈륨-셀레나이드계(Cu(In,Ga)Se2;CIGS계)의 광 흡수층(300)이 형성된다.
이와는 다르게, 상기 구리 타겟, 인듐 타겟, 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 상기 셀레니제이션 공정은 동시에 진행될 수 있다.
이와는 다르게, 구리 타겟 및 인듐 타겟 만을 사용하거나, 구리 타겟 및 갈륨 타겟을 사용하는 스퍼터링 공정 및 셀레니제이션 공정에 의해서, CIS계 또는 CIG계 광 흡수층(300)이 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층(300)의 에너지 밴드갭(band gap)은 약 1eV 내지 1.8eV일 수 있다.
상기 버퍼층을 형성하는 단계(ST30)에서는 상기 광 흡수층(300) 상에 상기 버퍼층(400)을 형성한다. 상기 버퍼층을 형성하는 단계는 도 2 및 도 6에 도시되어 있듯이, 산화아연층을 형성하는 단계(ST100); 황 화합물(sulfur compound) 기체를 투입하는 단계(ST200); 및 열처리하는 단계(ST300)을 포함할 수 있다.
상기 산화아연층(ZnO layer)을 형성하는 단계(ST100)에서는, 상기 광 흡수층 상에 상기 산화아연층을 형성할 수 있다. 상기 산화아연층은 다양한 방법에 의해 상기 광 흡수층 상에 형성될 수 있다. 일례로, 상기 산화 아연층은 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)에 의해 형성될 수 있다.
이때, 상기 산화아연층은 약 20㎚ 이상의 두께로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 산화아연층은 약 20㎚ 내지 약 50㎚의 두께로 형성될 수 있다. 상기 산화아연층의 두께가 20㎚ 미만이면, 이하에 설명하는 치환 반응이 잘 일어나지 않을 수 있고, 상기 산화아연층의 두께가 50㎚를 초과하게 되면, 상기 산화아연층을 형성하는 공정시간이 길어지게 되어 공정 효율이 감소할 수 있다.
상기 황 화합물 기체를 투입하는 단계(ST200)에서는, 상기 산화아연층 상에 상기 황 화합물 기체를 투입할 수 있다. 상기 황 화합물을 수소 또는 산소를 포함할 수 있다. 즉, 상기 황 화합물은 황화수소 또는 황산화물을 포함할 수 있다. 상기 황산화물은 이산화황 또는 삼산화황을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 제한되지 않고, 상기 황 화합물은 황을 포함하는 다양한 화합물을 포함할 수 있다.
상기 열처리하는 단계(ST300)에서는, 상기 황 화합물 기체가 투입된 상기 산화아연층을 열처리할 수 있다. 상기 열처리하는 단계는, 상기 황화합물 기체를 투입한 후 진행되거나 또는, 상기 황 화합물 기체가 투입되는 것과 동시에 상기 산화아연층을 열처리할 수 있다.
상기 열처리는 약 150℃에서 약 1분 이상 진행될 수 있다. 바람직하게는, 상기 열처리는 약 150℃ 내지 약 300℃의 온도에서 약 1분 내지 약 5분 동안 진행될 수 있다. 상기 온도 및 공정 시간 범위를 벗어나면, 상기 산화아연층과 상기 황 화합물의 치환 반응이 이루어지지 않거나, 완전히 반응을 하지 못하게 되어 미반응하게 되는 물질이 잔류할 수 있다.
상기 산화아연층과 상기 황 화합물 기체는 상기 열처리에 의해 상기 산화아연층 상에 황화아연층(ZnS layer)을 형성할 수 있다. 상기 산화아연층과 상기 황 화합물 기체는 하기의 화학식 1 또는 화학식 2와 같이 반응할 수 있다.
[화학식 1]
ZnO + H2S → ZnS + H2O
[화학식 2]
ZnO + SxOy → ZnS + O2(여기서 x 및 y는 1≤x≤2, 2≤y≤3 또는, SxOy는 이산화황 또는 삼산화황)
즉, 상기 산화아연층에 황을 포함하는 기체를 투입한 후, 열처리하게 되면, 상기 기체에 포함되는 황은 치환되어, 상기 산화아연층 상에는 황화아연층이 형성된다.
이에 따라, 상기 버퍼층에는 산화아연층 및 황화아연층이 혼재하면서 형성될 수 있다.
종래에는, 상기 산화아연층과 상기 황화아연층을 원자층 증착법에 의해 증착하였으나, 상기 원자층 증착법의 특성상 공정 시간이 길어지게 되어 공정 효율이 감소하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 실시예에 따른 태양전지 제조방법에서는, 상기 광 흡수층 상에 산화아연층을 일정한 두께로 원자층 증착법 또는 화학 기상 증착법에 의해 증착한 후, 상기 산화아연층 상에 황을 포함하는 기체를 투입한 후 열처리하여, 상기 산화아연층 상에 상기 황화아연층을 형성할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 태양전지 제조방법은 종래 버퍼층을 형성하는 공정에 비해 공정시간을 단축할 수 있으므로, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 7을 참조하면, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)의 일부가 제거되어 제 2 관통홈들(TH2)이 형성된다.
상기 제 2 관통홈들(TH2)은 팁 등의 기계적인 장치 또는 레이저 장치 등에 의해서 형성될 수 있다.
예를 들어, 약 40㎛ 내지 약 180㎛의 폭을 가지는 팁에 의해서, 상기 광 흡수층(300) 및 상기 버퍼층(400)은 패터닝될 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 약 200㎚ 내지 약 600㎚의 파장을 가지는 레이저에 의해서 형성될 수 있다.
이때, 상기 제 2 관통홈들(TH2)의 폭은 약 100㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 제 2 관통홈들(TH2)은 상기 후면전극층(200)의 상면의 일부를 노출하도록 형성된다.
상기 전면 전극층을 형성하는 단계(ST40)에서는, 도 8에 도시되어 있듯이, 상기 버퍼층(400) 상에 상기 전면 전극층(500)을 형성한다.
상기 전면 전극층(500)은 무산소 분위기에서 상기 투명한 도전물질이 증착되어 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 전면 전극층(500)은 산소를 포함하지 않는 불활성 기체 분위기에서 알루미늄이 도핑된 산화 아연(Al doped ZnC;AZO), 인듐 산화 아연(indium zinc oxide;IZO) 또는 인듐 산화 주석(indium tin oxide;ITO)이 증착되어 형성될 수 있다.
상기 전면 전극층을 형성하는 단계는, RF 스퍼터링 방법으로 ZnO 타겟을 사용하여 증착하는 방법 또는 Zn 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 방법으로 알루미늄이 도핑된 산화아연, 인듐 산화 아연 또는 인듐 산화 주석을 증착하여 형성될 수 있다.
이어서, 도 9를 참조하면, 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400) 및 상기 전면 전극층(500)의 일부가 제거되어 제 3 관통홈들(TH3)이 형성된다. 이에 따라서, 상기 전면 전극층(500)은 패터닝되어, 다수 개의 전면전극들 및 제 1 셀, 제 2 셀 및 제 3 셀들이 정의된다. 상기 제 3 관통홈들(TH3)의 폭은 약 80㎛ 내지 약 200㎛ 일 수 있다.
상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 버퍼층(400)의 일부 또는 전부 및 상기 전면 전극층(500)을 관통할 수 있다. 즉, 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 후면 전극층(200)의 상면을 노출시킬 수 있다.
상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 제 2 관통홈들(TH2)에 인접하는 위치에 형성된다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 제 2 관통홈들(TH2) 옆에 배치된다. 즉, 평면에서 보았을 때, 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 제 2 관통홈들(TH2) 옆에 나란히 배치된다. 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 제 1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 전면 전극층(500)을 관통한다. 더 자세하게, 상기 제 3 관통홈들(TH3)은 상기 광 흡수층(300), 상기 버퍼층(400)을 일부 또는 전부 관통할 수 있다.
상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 상기 전면 전극층(500)은 다수 개의 전면전극들로 구분된다. 즉, 상기 전면전극들은 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서 정의된다.
상기 전면 전극들은 상기 후면전극들과 대응되는 형상을 가진다. 즉, 상기 전면 전극들은 스트라이프 형태로 배치된다. 이와는 다르게, 상기 전면 전극들은 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 다수 개의 태양전지들이 정의된다. 더 자세하게, 상기 제 2 관통홈들(TH2) 및 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 상기 태양전지들이 정의된다. 즉, 상기 제 2 관통홈들(TH2) 및 상기 제 3 관통홈들(TH3)에 의해서, 실시예에 따른 태양전지는 상기 태양전지들로 구분된다. 또한, 상기 태양전지들은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 서로 연결된다. 즉, 상기 태양전지들을 통하여 상기 제 2 방향으로 전류가 흐를 수 있다.
즉, 상기 태양전지 패널은 상기 지지기판(100) 및 상기 태양전지들을 포함한다. 상기 태양전지들은 상기 지지기판(100) 상에 배치되고, 서로 이격된다. 또한, 상기 태양전지들은 상기 접속부들(600)에 의해서 서로 직렬로 연결된다.
상기 접속부들(600)은 상기 제 2 관통홈들(TH2) 내측에 배치된다. 상기 접속부들(600)은 상기 전면 전극층(500)으로부터 하방으로 연장되며, 상기 후면 전극층(200)에 접속된다. 예를 들어, 상기 접속부들(600)은 상기 제 1 셀의 전면전극으로부터 연장되어, 상기 제 2 셀의 후면전극에 접속된다.
따라서, 상기 접속부들(600)은 서로 인접하는 태양전지들을 연결한다. 더 자세하게, 상기 접속부들(600)은 서로 인접하는 태양전지들에 각각 포함된 전면전극과 후면전극을 연결한다.
상기 접속부(600)는 상기 전면전극층(600)과 일체로 형성된다. 즉, 상기 접속부(600)로 사용되는 물질은 상기 전면전극층(500)으로 사용되는 물질과 동일하다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 기판 상에 후면 전극층을 형성하는 단계;
    상기 후면 전극층 상에 광 흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광 흡수층 상에 버퍼층을 형성하는 단계; 및
    상기 버퍼층 상에 전면 전극층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 버퍼층을 형성하는 단계는,
    산화아연층(ZnO layer)을 형성하는 단계;
    상기 산화아연층 상에 황 화합물(sulfur compound) 기체를 투입하는 단계; 및
    상기 산화아연층을 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 열처리하는 단계는 150℃ 내지 300℃의 온도에서 진행되며,
    상기 열처리하는 단계는 1분 내지 5분 동안 진행되고,
    상기 황화합물은 황화수소 또는 황산화물을 포함하고,
    상기 산화아연층을 열처리하는 단계에 의해 상기 산화아연층 상에 황화아연층이 형성되고,
    상기 산화아연층 및 상기 황 화합물은 하기의 화학식 1 또는 화학식 2로 표현되는 반응식으로 반응하는 태양전지 제조방법.
    [화학식 1]
    ZnO + H2S → ZnS + H2O
    [화학식 2]
    ZnO + SxOy → ZnS + O2(여기서 x 및 y는 1≤x≤2, 2≤y≤3)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산화아연층을 형성하는 단계는,
    화학기상증착법(CVD) 또는 원자층 증착법(ALD)에 의해 형성되는 태양전지 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 산화아연층은 20㎚ 내지 50㎚의 두께로 형성되는 태양전지 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 의한 태양전지 제조방법에 의해 제조되는 태양전지.
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