KR20120043241A - 태양전지 모듈 - Google Patents

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KR20120043241A
KR20120043241A KR1020100104435A KR20100104435A KR20120043241A KR 20120043241 A KR20120043241 A KR 20120043241A KR 1020100104435 A KR1020100104435 A KR 1020100104435A KR 20100104435 A KR20100104435 A KR 20100104435A KR 20120043241 A KR20120043241 A KR 20120043241A
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강주완
문희수
윤주환
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엘지전자 주식회사
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Abstract

태양전지 모듈은 복수의 태양전지; 태양전지의 전면 및 후면에 각각 위치하는 전면 보호 부재 및 후면 보호 부재; 전면 및 후면 보호 부재 사이에 위치하며 태양전지를 밀봉하는 밀봉 부재; 및 전면 보호 부재의 상부 표면 중 적어도 일부 영역에 위치하는 안전 필름을 포함한다. 안전 필름은 기재 및 상기 기재와 전면 보호 부재 사이에 위치하는 박리층을 포함하며, 기재는 불투명 또는 반투명한 재질로 형성된다. 일례로, 기재의 내부에는 광 차단 물질이 분산될 수 있다.

Description

태양전지 모듈{SOLAR CELL MODULE}
본 발명은 인접한 태양전지들을 인터커넥터에 의해 서로 전기적으로 접속한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양 에너지로부터 전기 에너지를 생산하는 태양전지가 주목 받고 있다.
일반적인 태양전지는 p형과 n형처럼 서로 다른 도전성 타입(conductive type)의 반도체로 각각 이루어지는 기판(substrate) 및 에미터부(emitter layer), 그리고 기판과 에미터부에 각각 연결된 전극을 구비한다. 이때, 기판과 에미터부의 계면에는 p-n 접합이 형성된다.
이러한 태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내부의 전자가 광전 효과(photoelectric effect)에 의해 자유전자(free electron)(이하, '전자'라 함)가 되고, 전자와 정공은 p-n 접합의 원리에 따라 n형 반도체와 p형 반도체 쪽으로, 예를 들어 에미터부와 기판 쪽으로 각각 이동한다. 그리고 이동한 전자와 정공은 기판 및 에미터부에 전기적으로 연결된 각각의 전극에 의해 수집된다.
이때, 에미터부와 기판 위에는 에미터부와 기판에 배치된 각각의 전극을 연결하는 버스 바(bus bar)와 같은 적어도 하나의 집전부가 형성된다.
이러한 구성의 태양전지에서 생산되는 전압 및 전류는 매우 작은 편이므로 원하는 출력을 얻기 위해서는 여러 개의 태양전지를 직렬 또는 병렬로 연결한 후 방수 처리한 형태의 태양 전지 모듈을 제조하여 사용한다.
그리고 보다 큰 출력을 얻기 위해서는 복수의 태양전지 모듈을 지지 프레임에 가로 또는 세로로 설치하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양전지 모듈을 설치하는 동안 감전 등의 안전사고가 발생하는 것을 방지할 수 있는 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 태양전지 모듈은 복수의 태양전지; 태양전지의 전면 및 후면에 각각 위치하는 전면 보호 부재 및 후면 보호 부재; 전면 및 후면 보호 부재 사이에 위치하며 태양전지를 밀봉하는 밀봉 부재; 및 전면 보호 부재의 상부 표면 중 적어도 일부 영역에 위치하는 안전 필름을 포함한다.
안전 필름은 기재 및 상기 기재와 전면 보호 부재 사이에 위치하는 박리층을 포함하며, 기재는 불투명 또는 반투명한 재질로 형성된다. 일례로, 기재의 내부에는 광 차단 물질이 분산될 수 있다.
안전 필름은 전면 보호 부재의 상부 표면 중 테두리 부분에 위치하거나, 상부 표면 전체에 위치하거나, 상부 표면 중 하반부 또는 상반부에 위치하거나, 중반부에 위치할 수 있다.
태양전지 모듈은 전면 보호 부재 및 후면 보호 부재를 둘러싸는 프레임을 더 포함할 수 있다.
이러한 특징에 따르면, 안전 필름이 부착된 영역의 태양전지에는 태양광이 입사되지 않으므로, 안전 필름이 부착된 상태에서는 태양전지 모듈이 전기를 발전하지 않는다.
따라서, 안전 필름이 부착된 상태에서 태양전지 모듈을 설치하고, 설치 작업을 완료한 후에 안전 필름을 제거하면, 태양전지 모듈을 설치하는 동안 태양전지 모듈이 전기를 발전하여 작업자가 감전되는 안전사고를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 태양전지 모듈의 주요부 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시한 안전 필름의 다양한 실시예에 따른 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시한 태양전지의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈의 평면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한 어떤 부분이 다른 부분 위에 "전체적"으로 형성되어 있다고 할 때에는 다른 부분의 전체 면(또는 전면)에 형성되어 있는 것뿐만 아니라 가장 자리 일부에는 형성되지 않은 것도 포함한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 태양전지 모듈의 주요부 분해 사시도이다. 그리고 도 3 및 도 4는 도 1에 도시한 안전 필름의 다양한 실시예에 따른 단면도이며, 도 5는 도 1에 도시한 태양전지의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)은 복수의 태양전지(110)들, 인접한 태양전지(110)들을 전기적으로 연결하는 인터커넥터(120), 태양전지(110)들을 보호하는 보호막(130), 태양전지(110)들의 수광면 쪽으로 보호막(130) 위에 배치되는 투명 부재(140), 및 수광면 반대 쪽으로 보호막(130)의 하부에 배치되는 불투명 재질의 후면 시트(back sheet)(150)를 포함한다.
그리고 태양전지 모듈(100)은 라미네이션 공정에 의해 일체화 된 상기 부품들을 수납하는 프레임(160) 및 태양전지(110)들에서 생산된 전력을 수집하는 단자함(junction box)을 포함한다.
또한, 태양전지 모듈(100)은 투명 부재(140)의 상부 표면 중 적어도 일부 영역에 위치하는 안전 필름(170)을 더욱 포함한다. 도 1에서, 안전 필름(170)은 투명 부재(140)의 상부 표면 중 테두리 부분에 위치하고 있다.
후면 시트(150)는 태양전지 모듈(100)의 후면에서 습기가 침투하는 것을 방지하여 태양전지(110)를 외부 환경으로부터 보호한다. 이와 같이, 후면 보호 부재로 기능하는 후면 시트(150)는 수분과 산소 침투를 방지하는 층, 화학적 부식을 방지하는 층, 절연 특성을 갖는 층과 같은 다층 구조를 가질 수 있다.
보호막(130)은 태양전지(110)들의 상부 및 하부에 각각 배치된 상태에서 라미네이션 공정에 의해 태양전지(110)들과 일체화 되는 것으로, 습기 침투로 인한 부식을 방지하고 태양전지(110)를 충격으로부터 보호한다. 이와 같이, 밀봉 부재로 기능하는 보호막(130)은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA, ethylene vinyl acetate)와 같은 물질로 이루어질 수 있다.
보호막(130) 위에 위치하는 투명 부재(140)는 투과율이 높고 파손 방지 기능이 우수한 강화 유리 등으로 이루어져 있다. 이때, 강화 유리는 철 성분 함량이 낮은 저 철분 강화 유리(low iron tempered glass)일 수 있다. 이와 같이, 전면 보호 부재로 기능하는 투명 부재(140)는 빛의 산란 효과를 높이기 위해서 내측면이 엠보싱(embossing) 처리될 수 있다.
안전 필름(170)은 도 3에 도시한 바와 같이 기재(172a)를 포함한다. 이때, 안전 필름(170)의 기재(172a)는 반투명한 재질로 형성될 수 있다. 이 경우, 기재(172a)의 내부에는 광 차단 물질(174a)이 소정의 양으로 분산될 수 있다. 한편, 광 차단 물질(174a)을 태양광을 흡수 또는 반사할 수 있는 성질의 것이라면 물질의 종류에 특별한 제한이 없다.
이와는 달리, 도 4에 도시한 바와 같이, 안전 필름(170)이 위치하는 영역의 태양전지(110)에 태양광이 흡수되지 않도록 하기 위해 기재(172b)는 불투명한 재질로 형성될 수 있다.
안전 필름(170)은 기재(172a 또는 172b)와 투명 부재(140) 사이에 위치하는 박리층(176)을 더 포함한다. 박리층(176)은 투명 부재(140)로부터 기재(172a 또는 172b)를 쉽게 박리할 수 있도록 하기 위한 것으로, 기재(172a 또는 172b) 표면에 실리콘 조성물의 경화 피막을 형성하는 것에 따라 박리층(176)을 형성할 수 있다.
이 경우, 기재(172a 또는 172b) 표면에 실리콘 피막을 형성하는 방법으로는, 백금계 화합물을 촉매로 하여 알케닐기를 함유하는 오르가노 폴리실록산과 오르가노 하이드로겐 폴리실록산을 부가 반응시켜 박리성 피막을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
실리콘 피막은 톨루엔, 크실렌 등의 유기 용제를 함유하는 용제 타입, 또는 유기 용제를 함유하지 않는 무용제 타입일 수 있다.
복수의 태양전지(110)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 행렬 구조로 배열되어 있으며, 행과 열 방향으로 배치되는 태양전지(110)의 개수는 필요에 따라 조정이 가능하다.
각각의 태양전지(110)는 도 5에 도시한 바와 같이 기판(111), 빛이 입사되는 기판(111)의 전면(front surface), 즉 수광면에 위치하는 에미터부(112), 에미터부(112) 위에 위치하는 복수의 전면 전극(113) 및 전면 전극용 집전부(114), 전면 전극(113) 및 전면 전극용 집전부(114)가 위치하지 않는 에미터부(112) 위에 위치하는 반사방지막(115), 수광면의 반대쪽 면에 위치하는 후면 전극(116) 및 후면 전극용 집전부(117)를 포함한다.
태양전지(110)는 후면 전극(116)과 기판(111) 사이에 형성되는 후면 전계(back surface field, BSF)부를 더 포함할 수 있다. 후면 전계부(118)는 기판(111)과 동일한 도전성 타입의 불순물이 기판(111)보다 고농도로 도핑된 영역, 예를 들면, p+ 영역이다.
이러한 후면 전계부(118)는 기판(111)의 후면에서 전위 장벽으로 작용하게 된다. 따라서, 기판(111)의 후면 쪽에서 전자와 정공이 재결합하여 소멸되는 것이 감소되므로 태양전지의 효율이 향상된다.
기판(111)은 제1 도전성 타입, 예를 들어 p형 도전성 타입의 실리콘으로 이루어진 반도체 기판이다. 이때, 실리콘은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 또는 비정질 실리콘일 수 있다. 기판(111)이 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 함유한다
도시하지는 않았지만, 기판(111)의 표면을 텍스처링 표면(texturing surface)으로 형성하기 위해 상기 기판(111)은 텍스처링(texturing) 처리될 수 있다.
기판(111)의 표면이 텍스처링 표면으로 형성되면 기판(111)의 수광면에서의 빛 반사도가 감소하고, 텍스처링 표면에서 입사와 반사 동작이 이루어져 태양전지 내부에 빛이 갇히게 되어 빛의 흡수율이 증가된다.
따라서, 태양전지의 효율이 향상된다. 이에 더하여, 기판(11)으로 입사되는 빛의 반사 손실이 줄어들어 기판(11)으로 입사되는 빛의 양은 더욱 증가한다.
에미터부(112)는 기판(111)의 도전성 타입과 반대인 제2 도전성 타입, 예를 들어, n형의 도전성 타입을 구비하고 있는 불순물이 도핑(doping)된 영역으로서, 기판(111)과 p-n 접합을 이룬다.
에미터부(112)가 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(112)는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 기판(111)에 도핑하여 형성될 수 있다.
이에 따라, 기판(111)에 입사된 빛에 의해 반도체 내부의 전자가 에너지를 받으면 전자는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 따라서, 기판(111)이 p형이고 에미터부(112)가 n형일 경우, 분리된 정공은 기판(111)쪽으로 이동하고 분리된 전자는 에미터부(112)쪽으로 이동한다.
이와는 반대로, 기판(111)은 n형 도전성 타입일 수 있고, 실리콘 이외의 다른 반도체 물질로 이루어질 수도 있다. 기판(111)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우, 기판(111)은 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb) 등과 같이 5가 원소의 불순물을 함유할 수 있다.
에미터부(112)는 기판(11)과 p-n접합을 형성하게 되므로, 기판(111)이 n형의 도전성 타입을 가질 경우 에미터부(112)는 p형의 도전성 타입을 가진다. 이 경우, 분리된 전자는 기판(111)쪽으로 이동하고 분리된 정공은 에미터부(112)쪽으로 이동한다.
에미터부(112)가 p형의 도전성 타입을 가질 경우, 에미터부(112)는 붕소(B), 갈륨(Ga), 인듐(In) 등과 같은 3가 원소의 불순물을 기판(111)에 도핑하여 형성할 수 있다.
기판(111)의 에미터부(112) 위에는 실리콘 질화막(SiNx)이나 실리콘 산화막(SiO2) 또는 이산화 티탄막(TiO2) 등으로 이루어진 반사방지막(115)이 형성되어 있다. 반사방지막(115)은 태양전지(110)로 입사되는 빛의 반사도를 줄이고 특정한 파장 영역의 선택성을 증가시켜 태양전지(110)의 효율을 높인다. 이러한 반사 방지막(115)은 약 70㎚ 내지 80㎚ 의 두께를 가질 수 있으며, 필요에 따라 생략될 수 있다.
복수의 전면 전극(113)은 에미터부(112) 위에 형성되어 에미터부(112)와 전기적으로 연결되고, 인접하는 전면 전극(113)과 서로 이격된 상태로 어느 한 방향으로 형성된다. 각각의 전면 전극(113)은 에미터부(112)쪽으로 이동한 전하, 예를 들면 전자를 수집한다.
복수의 전면 전극(113)은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져 있고, 이들 도전성 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들면, 전면 전극(113)은 납(Pb)을 포함하는 은(Ag) 페이스트로 이루어질 수 있다. 이 경우, 전면 전극(113)은 스크린 인쇄 공정을 이용하여 은 페이스트를 반사방지막(115) 위에 도포하고, 기판(111)을 약 750℃ 내지 800℃의 온도에서 소성(firing)하는 과정에서 에미터부(112)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이때, 전술한 전기적 연결은 소성 과정에서 은(Ag) 페이스트에 포함된 납 성분이 반사방지막(115)을 식각하여 은 입자가 에미터부(112)와 접촉하는 것에 따라 이루어진다.
기판(111)의 에미터부(112) 위에는 전면 전극(113)과 교차하는 방향으로 전면 전극용 집전부(114)가 적어도 2개 이상 형성된다.
전면 전극용 집전부(114)는 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어져 있고, 에미터부(112) 및 전면 전극(113)과 전기적 및 물리적으로 연결된다. 따라서, 전면 전극용 집전부(114)는 전면 전극(113)으로부터 전달되는 전하, 예를 들면 전자를 외부 장치로 출력한다.
전면 전극용 집전부(114)를 구성하는 도전성 금속 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
전면 전극용 집전부(114)는 전면 전극(113)과 마찬가지로 도전성 금속 물질을 반사방지막(115) 위에 도포한 후 패터닝하고, 이를 소성하는 과정에서 펀치 스루(punch through) 작용에 의해 에미터부(112)와 전기적으로 연결될 수 있다.
후면 전극(116)은 기판(111)의 수광면 반대쪽, 즉 기판(111)의 후면에 형성되며, 기판(111) 쪽으로 이동하는 전하, 예를 들어 정공을 수집한다.
후면 전극(116)은 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어진다. 도전성 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
후면 전극(116) 아래, 또는 후면 전극과 동일한 면에는 복수의 후면 전극용 집전부(117)가 위치하고 있다. 후면 전극용 집전부(117)는 전면 전극(113)과 교차하는 방향으로 형성된다.
후면 전극용 집전부(117) 또한 적어도 하나의 도전성 물질로 이루어지고, 후면 전극(116)과 전기적으로 연결된다. 따라서, 후면 전극용 집전부(117)는 후면 전극(116)으로부터 전달되는 전하, 예를 들면 정공을 외부 장치로 출력한다.
후면 전극용 집전부(117)를 구성하는 도전성 금속 물질은 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 인듐(In), 티타늄(Ti), 금(Au) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있지만, 이외의 다른 도전성 금속 물질로 이루어질 수 있다.
이러한 구조에 따르면, 어느 한 태양전지의 전면 전극용 집전부(114)와 이웃하는 태양전지의 후면 전극용 집전부(117)를 인터커넥터(120)에 의해 전기적으로 연결하는 것에 따라 태양전지 모듈(100)에서 발생된 전류를 단자함에서 집전할 수 있다.
이상에서는 전면 전극용 집전부와 후면 전극용 집전부가 기판의 서로 다른 면에 위치하는 통상의 태양전지를 예로 들어 설명하였지만, 전면 전극용 집전부와 후면 전극용 집전부가 기판의 동일한 면에 위치하는 구조의 태양전지도 본원 발명의 범주에 속하는 것은 자명하다.
도 6내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지 모듈의 평면도이다.
도시한 바와 같이, 안전 필름(170)은 투명 부재(140)의 상부 표면 전체에 위치하거나(도 6 참조), 상부 표면 중 하반부 또는 상반부에 위치하거나(도 7 및 도 8 참조), 중반부에 위치할 수 있다(도 9 참조).
이상에서 설명한 바와 같이, 작업자가 손으로 잡을 수 있는 위치에 안전 필름(170)을 설치한 상태에서 태양전지 모듈을 설치하면, 발생한 전류로 인해 작업자가 감전되는 등의 안전사고를 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 태양전지 111: 기판
112: 에미터부 113: 전면 전극
114: 전면 전극용 집전부 115: 반사방지막
116: 후면 전극 117: 후면 전극용 집전부
118: 후면 전계부 120: 인터커넥터
130: 보호막 140: 투명 부재
150: 후면 시트 160: 프레임
170: 안전 필름 172a, 172b: 기재
174a: 광 차단 물질 176: 박리층

Claims (9)

  1. 복수의 태양전지;
    상기 태양전지의 전면 및 후면에 각각 위치하는 전면 보호 부재 및 후면 보호 부재;
    상기 전면 및 후면 보호 부재의 사이에 위치하며, 상기 태양전지를 밀봉하는 밀봉 부재; 및
    상기 전면 보호 부재의 상부 표면 중 적어도 일부 영역에 위치하는 안전 필름
    을 포함하는 태양전지 모듈.
  2. 제1항에서,
    상기 안전 필름은 기재 및 상기 기재와 전면 보호 부재 사이에 위치하는 박리층을 포함하는 태양전지 모듈.
  3. 제2항에서,
    상기 기재는 불투명 또는 반투명한 재질로 형성되는 태양전지 모듈.
  4. 제3항에서,
    상기 기재의 내부에는 광 차단 물질이 분산된 태양전지 모듈.
  5. 제3항에서,
    상기 안전 필름은 상기 전면 보호 부재의 상부 표면 중 테두리 부분에 위치하는 태양전지 모듈.
  6. 제3항에서,
    상기 안전 필름은 상기 전면 보호 부재의 상부 표면 전체에 위치하는 태양전지 모듈.
  7. 제3항에서,
    상기 안전 필름은 상기 전면 보호 부재의 상부 표면 중 하반부 또는 상반부에 위치하는 태양전지 모듈.
  8. 제3항에서,
    상기 안전 필름은 상기 전면 보호 부재의 상부 표면 중 중반부에 위치하는 태양전지 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    상기 전면 보호 부재 및 후면 보호 부재를 둘러싸는 프레임을 더 포함하는 태양전지 모듈.
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