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TWI705575B - 具有特定前表面電極設計之太陽能電池 - Google Patents

具有特定前表面電極設計之太陽能電池 Download PDF

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TWI705575B
TWI705575B TW104131130A TW104131130A TWI705575B TW I705575 B TWI705575 B TW I705575B TW 104131130 A TW104131130 A TW 104131130A TW 104131130 A TW104131130 A TW 104131130A TW I705575 B TWI705575 B TW I705575B
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finger
electrode
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palm
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TW104131130A
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TW201624740A (zh
Inventor
菲力普 洛斯坦
羅伯特 偉德
Original Assignee
新加坡商Ｒｅｃ太陽能公司
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Publication date
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Abstract

一種太陽能電池(104)係被揭露。該太陽能電池包含包含一前表面(156)之一基板(151)及沿該前表面(156)延伸之前表面電極(153)。其中，該等前表面電極包含：複數個匯流排電極(152)，耦接至複數個被設置於平行的指狀區域(105)之第一指狀電極(1531)及被設置於一掌指狀區域(106)之第二指狀電極(1532)。該第一指狀電極(1531)係實質彼此平行且垂直該等匯流排電極(152)。該等第二指狀電極(1532)源自該等匯流排電極(152)之末端區域且至少部份以不垂直於該等匯流排電極(152)的方向放射狀延伸於其中。其中，鄰近的第二指狀電極(1532)之一掌狀群組源自一相同關聯的匯流排電極(152)且鄰近的第二指狀電極(1532)以與該等匯流排電極(152)不同角度放射狀延伸。藉由此電極組態，遮蔽損失以及電阻損失可被降低。

Description

具有特定前表面電極設計之太陽能電池
本發明係有關於太陽能電池且特別是此太陽能電池之前表面電極的設計。
太陽能電池是被使用以藉由光電伏打效應將太陽光轉換成電的電氣裝置。電極係被設置於太陽能電池表面上以將在電池中產生的電能傳送至外部供能組件。
於光電伏打電池之受光側上，通常會使用使用具有與兩個、三個、四個或更多較寬的延伸垂直指狀電極之匯流排電極連接且被使用以供自指狀電極收集電流之許多薄的平行指狀電極之金屬網而將受光區域最佳化同時確保可接受的串聯電阻。於此最佳化程序中，典型的指狀電極寬度、指狀電極間隔、匯流排電極寬度及匯流排電極間隔係被最佳化。因此，電阻能量損失(resistive power loss)可被降低及電池效率可被提昇。
期望可達成太陽能電池中進一步的電阻能量損失的降低及較高的電池效率。
此期望可根據申請專利範圍獨立項的太陽能電池來實現。優勢的實施例係於申請專利範圍附屬項界定。
根據本發明之一態樣，太陽能電池係包含一基板，包含一前表面；及前表面電極，沿該前表面延伸。
其中，該等前表面電極包含複數個匯流排電極，其係耦接至複數個被設置於平行的指狀區域之第一指狀電極及被設置於一掌指狀區域之第二指狀電極。該第一指狀電極係實質彼此平行且垂直該等匯流排電極。該等第二指狀電極源自該等匯流排電極之末端區域且至少部份以不垂直於該等匯流排電極的方向放射狀延伸於其中。其中，鄰近的第二指狀電極之一掌狀群組源自一相同關聯的匯流排電極且鄰近的第二指狀電極以與該等匯流排電極不同角度放射狀延伸。
有關本發明之實施例的原理可基於以下構想及識別在不限制本發明之範疇的情況下被了解：於傳統電極設計中，匯流排電極可覆蓋太陽能電池前表面之明顯的部份而所造成的遮蔽會明顯的造成電池效率的損失。
已被發現，雖然在太陽能電池的某些部份中可藉由相對厚的匯流排電極達成的低串聯電阻可為重要的或至少有益的，太陽能電池上仍有不需要厚匯流排以自電極指狀部收集電荷載子的區域。尤其，在接近太陽能電池之邊緣的 第二區域中，在其中前表面電極柵沒有電連接至鄰近太陽能電池的後表面電極柵，僅低電流必須在垂直電極指狀部的方向被傳導，然而於接近太陽能電池之相反邊緣之一第一區域中，在其中前表面電極柵係電連接至另一鄰近太陽能電池的後表面電極柵，高電流必須在垂直電極指狀部的方向被傳導。因此，已被發現，雖然在第二區域中一或多個匯流排電極可為不可缺少的，在第一區域中產生的電荷載子密度可在不需要的寬或厚的匯流排電極之情況下被收集。
因此，建議提供具有第一區域(稱為平行指狀區域)及具有第二區域(稱為掌指狀區域)的前表面電極。於平行指狀區域中，第一指狀電極係連接至一或多個匯流排。通常，第一指狀電極為直的且垂直跨過匯流排電極。於掌指狀區域中，不需要匯流排。取代的是，第二指狀電極係被設於不垂直匯流排之方向。這些第二指狀電極可自其中一個匯流排之末端區域延伸(亦即自平行指狀區域之邊緣)深入掌指狀區域中，從而達成自此掌指狀區域朝相關聯匯流排的電荷載子的收集。複數個第二電極可被聚集為一個第二電極合併為一相同的匯流排電極且具有棕櫚樹之外觀的「掌群組(palm group)」。各個平行指狀區域及掌指狀區域典型具有矩形外型。合起來，平行指狀區域與掌指狀區域覆蓋幾乎整個太陽能電池基板之前表面，亦即例如至少其90%。通常，平行指狀區域直接鄰接掌指狀區域。於平行指狀區域中的匯流排電極之數量通常對應至掌 指狀區域中掌群組的數量。
此電極設計的遮蔽損失會明顯低於傳統電極設計且有同樣的小電阻損失。
根據一實施例，掌指狀區域之寬度係介於兩相鄰匯流排電極間之距離的10%及100%之間，較佳25%及75%之間。於此，掌指狀區域之寬度應在垂直拉長的匯流排之縱向方向的方向上被測量且應參照鄰近第二指狀電極之單掌狀群組的寬度。再者，掌指狀區域之長度可較佳為例如介於兩相鄰匯流排電極間之間隔的約25%及75%之間，掌指狀區域之長度係以平行拉長的匯流排之縱向方向的方向被測量。換句話說，掌指狀區域的大小係被調整以覆蓋基板之前表面的棉顯部份使得此區域中的遮蔽損失可被降低。然而，掌指狀區域的長度及/或寬度不應太大且較佳不超過鄰近匯流排電極間之距離以避免過度的電阻損失。
根據一實施例，第二指狀電極係經組構以使得鄰近第二指狀電極間的間隔少於3mm，亦即0至3mm。當鄰近第二指狀電極大致被以關於彼此間之一角度設置時，其橫向距離將依沿其縱向延伸之位置而定，但較佳應在不超過3mm的位置，以避免過度的橫向串聯電阻。
根據一實施例，太陽能電池包含一側為一鄰近側的長度之一半或較低的比值。換句話說，太陽能電池較佳不為方形但具有伸長的矩形外型。因此，太陽能電池具有兩個平行較短邊及兩個平行較長邊。較佳地，較短邊具有較長邊的長度之一半或更少。通常，各邊對應至基板的邊緣。 相鄰邊係典型地彼此垂直設置。依此外型，掌指狀區域可形成為整個電池表面之相對大的部份且可因此較佳建立其有益的效果。
根據一實施例，太陽能電池包含焊接於匯流排電極之導電帶(有時亦稱為焊帶)。這些導電帶可增加沿匯流排電極之電傳導性。通常，導電帶內之串聯電阻係低於匯流排內之串聯電阻。較佳地，導電帶不延伸至掌指狀區域。因此，遮蔽可被最小化同時提供足夠的電傳導性。再者，導電帶之材料成本可被降低。
根據一實施例，匯流排電極之長度在平行匯流排電極的方向小於基板之長度的90%，較佳小於70%。換句話說，匯流排電極較佳不沿太陽能電池基板之整個長度延伸，但僅在例如平行指狀區域延伸。
根據一實施例，第二指狀電極在放射狀延伸遠離相關聯匯流排電極時被分成數個分支。舉例來說，接近相關聯的匯流排，介於2與20之間的數量之第二指狀電極可從匯流排電極之末端區域顯現。較遠離此位置，這些第二指狀電極中的某些或各個可被分成二或更多分支。因此，鄰近指狀電極或其分支之橫向距離可被最小化，從而保持小電阻。
根據一實施例，相對於鄰近的第二指狀電極之一掌狀群組的第二指狀電極之一相關聯的匯流排電極之末端區域係經由實質彼此平行且垂直該等匯流排電極而延伸之第三指狀電極而互連至鄰近的第二指狀電極之一鄰近的掌狀群 組的第二指狀電極之末端區域。換句話說，第二指狀電極可不僅於其一末端電連接至其相關聯匯流排電極，且其另一末端可經由第三指狀電極電連接至自相鄰匯流排顯現之第二指狀電極。此可降低整體電阻。
根據一實施例，第二指狀電極具有小於匯流排電極之寬度的寬度。舉例來說，匯流排可典型為介於0.5及3mm間，而指狀電極可為介於10及200μm間。
根據一實施例，第二指狀電極之其中至少一者延伸至遠離基板之邊緣最多少於3mm的位置，較佳少於1.5mm。換句話說，第二指狀電極自相關聯匯流排電極延伸跨過基本上整個掌指狀區域最多至基板之相對邊緣。因此，電荷載子可透過整個掌指狀區域被收集。
根據一實施例，基板具有至少25cm2之表面積，較佳至少50cm2。舉例來說，基板可具有100×50mm2、125×62.5mm2或156×78mm2之尺寸。換句話說，太陽能電池可被設計為平面面板，亦即用於大面積太陽能模組，但非用於集中應用。
於此揭露之本發明的目標及可能的優點與特徵將藉由參考以下說明及所附圖式而變得淺顯易懂。再者，應了解的是，此處所說明之各種實施例的特徵並非互斥地排除的且可存在於各種組合及排列。
41‧‧‧太陽能電池
42‧‧‧太陽能電池
50‧‧‧基板
52‧‧‧匯流排
A‧‧‧虛線
511‧‧‧太陽能電池基板
512‧‧‧太陽能電池基板
56‧‧‧前表面
53‧‧‧指狀部
1041‧‧‧太陽能電池
1042‧‧‧太陽能電池
1511‧‧‧太陽能電池基板
1512‧‧‧太陽能電池基板
105‧‧‧指狀電極區域
1531‧‧‧第一指狀電極
106‧‧‧掌指狀區域
150‧‧‧方形基板
156‧‧‧前表面
153‧‧‧指狀電極
152‧‧‧匯流排電極152
1532‧‧‧第二指狀電極
lp‧‧‧掌指狀區域之長度
d‧‧‧兩個相鄰匯流排電極間的距離
w‧‧‧掌狀群組的寬度
160‧‧‧端部
1541‧‧‧分支
1542‧‧‧分支
21‧‧‧金屬帶
121‧‧‧金屬帶
23‧‧‧後側匯流排
123‧‧‧後側匯流排
52‧‧‧前側匯流排
152‧‧‧前側匯流排
於所附圖式中，不同圖式中相同的元件符號通常表示 相同或類似的部份。同樣的，圖式僅用以說明本發明之原理而非必須依比例來強調。於以下說明中，各種實施例係參考所附圖式加以說明，其中：第1圖顯示傳統電極設計中待切成兩片的基板之前表面。
第2a、2b圖分別顯示根據本發明之實施例之用以形成太陽能電池的特定電極設計之基板的前表面在切成兩片之前與之後再排列。
第3圖分別顯示根據本發明之另一實施例之用以形成太陽能電池的另一特定電極設計之基板的前表面在切成兩片之後再排列。
第4圖顯示以金屬帶連接傳統鄰近太陽能電池之組件的側視圖。
第5圖顯示根據本發明之實施例以金屬帶連接鄰近太陽能電池之組件的側視圖。
實施例大致有關於例如用以將光能轉換成電能的裝置。更具體言之，該等裝置可為太陽能電池元件或包含複數個太陽能電池元件之太陽能電池模組。
第1圖顯示一對切半的太陽能電池41及42。其可藉由將用於太陽能電池之15.6×15.6cm2的一般全尺寸基板50沿著實質垂直匯流排57的方向(如虛線A-A所示)切成兩個相等部份而獲得，從而形成拉長的矩形太陽能電池 基板511及512。亦可使用其他尺寸的基板50，例如約12.5×12.5cm2或約10×10cm2。平行的指狀部53垂直匯流排52之傳統電極設計係被設於基板50之前表面56上。
第2a圖顯示基板1511及1512上之一對切半的太陽能電池1041及1042之一實施例，其於平行的指狀電極區域105中有線性第一指狀電極1531之電極組態且於掌指狀區域106中有掌指狀電極組態。兩個太陽能電池1041及1042可藉由於一共同方形基板150產生兩個電極組態且接著將基板150沿著線A-A切成半基板1511及1512而被提供。
以方形基板實現掌指狀區域電極設計於一般全尺寸電池亦有其優點，但其優勢係低於具有拉長的矩形基板之分切電池，此係由於掌指狀區域覆蓋電池區域成比例較低的部份。太陽能電池可藉由雷射切割。其他切割方式亦為可能。藉由將太陽能電池切半，顯示對電池的長度有拋物線相依(parabolic dependence)之電阻能量損失可被有效地降低。電源輸出可被提升約2%，亦即相較於以相同電池技術之全尺寸方形電池，將電池切半成拉長的矩形可給予約2%相對增加於模組電源。太陽能電池被沿著三個平行的等距線切成四個各有一掌指狀電極設計的部份之設計將有進一步減輕的串聯電阻。
於一實施例中，如第2a圖所示，對於各切半之太陽能電池1041或1042的基板150之前表面156包含複數個 前表面電極。第2b圖顯示在切割之後切半的太陽能電池於太陽能電池組件中如何排列。
前表面電極可包含連接至垂直指狀電極153延伸且被使用以收集來自指狀電極153之電流的複數個較寬匯流排電極152之許多薄平行指狀電極153。
舉例來說，前表面電極可包含四個前表面匯流排電極152及大量的前表面指狀電極153(如第2a與2b圖所示)或五個前表面匯流排電極152(如第3圖所示)。亦可使用其他數量的前表面匯流排電極，例如兩個或三個或六個或更多。
前表面指狀電極153可為經組構以收集光致載體之電極。於一實施例中，複數個前表面指狀電極153係被實質平行彼此且平行拉長的基板1511之一長邊緣且幾乎遍及平行的指狀區域105(亦即在沒有掌指狀電極的區域中)中之基板的前表面而設置。前表面指狀電極153之寬度可在約30μm至100μm間，例如約60μm。前表面指狀電極153可或可不全具有相同寬度。前表面指狀電極153可具有固定寬度或寬度可沿前表面指狀電極之長度改變且前表面指狀電極可例如朝其端部自約60μm或約30μm以上或以下而逐漸變細。在沒有掌指狀電極的區域中之前表面指狀電極可為等距分開。兩相鄰前表面指狀電極間之間隔可在約1mm至3mm間，例如約2mm。亦可使用不平均間隔之前表面指狀電極。
於一實施例中，自第1圖中匯流排電極152之長度的 一端至一部分的部份係被掌指狀區域106中之第二指狀電極1532取代。匯流排電極被第二指狀電極1532取代之長度(亦即掌指狀區域之長度，如第2b圖所示)可為例如介於兩個相鄰匯流排電極152間的距離d或間隔之25%至75%間。掌指狀區域之鄰近的第二指狀電極1532之單掌狀群組的寬度w可為例如介於兩個相鄰匯流排電極152間的距離d之10%至100%間，較佳介於25%至75%間。
於一實施例中，第二指狀電極1532源自匯流排電極152的端部160且延伸至合併第三指狀電極1533。於其間，某些或各第二指狀電極1532可分成分支1541、1542。第二指狀電極1532可被以鄰近第二指狀電極1532間之間隔落於約0至3mm的範圍內的方式來組構。指狀電極間隔應被最佳化使得發射器之電源損失與遮蔽損失保持最小。該組構亦允許太陽能電池基板使用較少的銀膠。此組構之一例示實施例係顯示於第2a圖，第二指狀電極1532自匯流排電極160之端部放射。
匯流排電極之數量可為四個或五個，如第2a與2b圖及第3圖所示。亦可使用其他數量的匯流排電極，例如兩個、三個或六個或更多。
前表面匯流排電極152係實質平行彼此且在沒有掌指狀電極的區域中實質垂直前表面指狀電極153。前表面匯流排電極之寬度可在約0.5mm至2.5mm間，例如約1.5mm。前表面匯流排電極可具有連續的寬度或寬度可沿前表面匯流排電極之長度改變且前表面匯流排電極可例如 朝其端部而逐漸變細。前表面匯流排電極可或可不全具有相同寬度。前表面匯流排電極可為等距分開。兩相鄰前表面匯流排電極間之間隔可依電池尺寸與匯流排電極之數量而定。舉例來說，對於具有四個前表面匯流排電極152之15.6×15.6cm2光電伏打電池元件，兩相鄰前表面匯流排電極間之間隔可為約39mm。亦可使用不平均間隔之前表面匯流排電極152。前表面匯流排電極152及指狀電極153可用相同或不同材料製成且較佳可用可焊接材料製成，且相較於指狀電極可具有相同或不同厚度。
前表面指狀電極可用包含銅、銀、這些金屬之其中一者為主要成份合金或任何其他導電材料之膏(paste)製成。舉例來說，前表面指狀電極153以及前表面匯流排電極152可使用各種方法製成，例如工業用生產方法，如網式印刷、輥式印刷、噴墨印刷等。
複數個切半電池可被組合於太陽能電池單元中。每兩個切半電池可被以一切半電池之掌指狀結構可鄰近相鄰的切半電池之匯流排電極152的方式來排列，如第2b圖與第3圖所示。
第4圖與第5圖顯示以金屬帶21、121連接之太陽能電池41、1041之串的部份之側視圖，金屬帶21、121係分別被裝設至後側匯流排23、123與前側匯流排52、152。
此及類似組態可導致較少的膏消耗及較高的電池效率，此係由於較少的遮蔽損失。再者，藉由以第二指狀電極1532取代部份的前表面匯流排電極152，前表面匯流排 電極152之減少可降低電池基板1511上的應力。此外，由於於模組裝配時導電金屬帶121可被焊接至前表面匯流排電極152，金屬帶121至少可不需被焊接於由第二指狀電極1532所佔據的區域，如第5圖所示。因此，相較於如第4圖所示之金屬帶的標準連接，減少的前表面匯流排電極152亦可導致金屬帶消耗的減少。
本發明可在不超出本發明之範疇的情況下體現於其他特定形式。因此，前述實施例應被了解為說明而非限制本發明。本發明之範疇因此由後附申請專利範圍而非前述說明所界定，且申請專利範圍之意義及等效的範圍之所有改變係被包含於此。
用於特定距離或尺寸之用語，例如「約」，係被解釋為自特定距離或尺寸不排除不明顯的誤差且可包含例如達20%的誤差。再者，用語例如「實質平行」或「實質垂直」係被解釋為自特定排列不排除不明顯的誤差且可包含例如達10°或甚至達20°的誤差。特別地，所屬技術領域中具有通常知識者將了解自嚴格平行排列之不明顯的誤差可被接受，只要其不導致過多的串聯電阻損失，其係被假設為只要此誤差不超過10°或20°。
最後，應注意的是，用語「包含」不排除其他元件或步驟且「一」不排除複數個。說明於不同實施例之元素亦可被結合。亦應注意的是，申請專利範圍中的元件符號不應被用於限制申請專利範圍的範疇。
1041‧‧‧太陽能電池
1511‧‧‧太陽能電池基板
152‧‧‧匯流排電極152
1531‧‧‧第一指狀電極
1532‧‧‧第二指狀電極
1533‧‧‧第三指狀電極
1541‧‧‧分支
1542‧‧‧分支
156‧‧‧前表面
160‧‧‧端部
d‧‧‧兩個相鄰匯流排電極間的距離
lp‧‧‧掌指狀區域之長度
w‧‧‧掌狀群組的寬度

Claims (15)

  1. 一種太陽能電池(104)，包含：一基板(151)，包括一前表面(156)；及複數個前表面電極(153)，沿該前表面(156)延伸，其中該等前表面電極包含：複數個拉長的匯流排電極(152)，耦接至複數個被設置於平行的指狀區域(105)中之拉長的第一指狀電極(1531)及被設置於一掌指狀區域(106)中之拉長的第二指狀電極(1532)，該等第一指狀電極(1531)係實質彼此平行且垂直該等匯流排電極(152)，該等第二指狀電極(1532)源自該等匯流排電極(152)之複數個末端區域且至少部份以不垂直於該等匯流排電極(152)的方向放射狀延伸於其中，其中該等第二指狀電極(1532)於放射狀延伸遠離一相關聯的匯流排電極(152)處被分成數個分支(1541、1542)，並且其中鄰近的第二指狀電極(1532)及其分支(1541、1542)之一掌狀群組源自一相同關聯的匯流排電極(152)且鄰近的第二指狀電極(1532)及其分支(1541、1542)之該掌狀群組的每一個電極和每一個分支相較於鄰近的第二指狀電極(1532)及其分支(1541、1542)之該掌狀群組的每一個其他電極和每一個其他分支以相對於該等匯流排電極(152)之不同角度而放射狀延伸。
  2. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該掌指 狀區域(106)之鄰近的第二指狀電極(1532)之單掌狀群組的寬度(w)係介於兩個鄰近的匯流排電極(152)之間的距離(d)之10%與100%之間，該寬度(w)係以垂直於該等匯流排電極(152)之縱向方向被測量。
  3. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該掌指狀區域(106)之鄰近的第二指狀電極(1532)之單掌狀群組的寬度(w)係介於兩個鄰近的匯流排電極(152)之間的距離(d)之25%與75%之間，該寬度(w)係以垂直於該等匯流排電極(152)之縱向方向被測量。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之太陽能電池，其中該等第二指狀電極(1532)係經組構以使得鄰近的第二指狀電極(1532)的間隔(s)為0至3mm。
  5. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，包含一側為一鄰近側的長度之一半或較低的比值。
  6. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，包含焊接於該等匯流排電極(152)上之導電帶(121)。
  7. 如申請專利範圍第6項之太陽能電池，其中該等導電帶(121)不延伸至該掌指狀區域(106)。
  8. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該等匯流排電極(152)在平行於該等匯流排電極(152)的方向具有小於該基板(151)之長度的90%之長度(lb)。
  9. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該等匯流排電極(152)在平行於該等匯流排電極(152)的方向具有小於該基板(151)之長度的70%之長度(lb)。
  10. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該等分支(1541、1542)至少在其部分中沿不垂直於該等匯流排電極(152)的方向放射狀延伸。
  11. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中相對於鄰近的第二指狀電極(1532)之一掌狀群組的第二指狀電極(1532)之一相關聯的匯流排電極(152)之末端區域係經由實質彼此平行且垂直該等匯流排電極(152)而延伸之第三指狀電極(1533)而互連至鄰近的第二指狀電極之一鄰近的掌狀群組的第二指狀電極之末端區域。
  12. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該等第二指狀電極(1532)具有小於該等匯流排電極(152)之寬度的寬度。
  13. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中至少一該等第二指狀電極(1532)延伸上至離該基板(151)之邊緣小於3mm之一位置。
  14. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該掌指狀區域(106)之長度(lp)係介於兩個鄰近的匯流排電極(152)之間的距離(d)之25%與75%之間，該長度(lp)係以平行於該等匯流排電極(152)之縱向方向被測量。
  15. 如申請專利範圍第1項之太陽能電池，其中該基板(151)具有至少25cm2之表面積。
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