CN102651416A - 三结叠层GaAs激光光伏电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种三结叠层GaAs激光光伏电池,包括GaAs的衬底,以及在所述衬底上依次设置的N型GaAs导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、中电池、第三隧穿结、顶电池、窗口层以及GaAs接触层。本发明还提供一种如上述的三结叠层GaAs激光光伏电池制备方法,包括步骤:(1)提供GaAs衬底;(2)在衬底上依次生长N型GaAs导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、中电池、第三隧穿结、顶电池、窗口层与GaAs接触层。
Description
技术领域
本发明涉及激光光伏电池领域,尤其涉及三结叠层GaAs激光光伏电池及其制备方法。
背景技术
激光供能系统是一个创新的能量传递系统,凭借这个系统,将激光光源发出的光通过光纤输送到激光光伏电池上,可以提供稳定的电源输出。通过光纤传导光转化为电比传统的金属线和同轴电缆电力传输技术有更多的优点,可以应用在需要消除电磁干扰或需要将电子器件与周围环境隔离的情况下,在无线电通信、工业传感器、国防、航空、医药、能源等方向有重要应用。激光光伏电池的工作原理与太阳能电池类似,只是有可获得更高的转换效率,更大的输出电压,能传递更多的能量,与一般太阳能电池不同的是,光源采用适合光纤传输的790 nm - 850 nm波长的激光。
GaAs是III/V族半导体材料,室温下的禁带宽度Eg是1.428 eV,GaAs PN结电池可以用于将808 nm的激光能量转换为电能,用作激光供能系统中的激光电池,但是GaAs电池的开路电压只有为1 V,不能够直接用于电子器件电路中的电源。早期的激光光伏电池是将几个单结电池单元串联以获得所需的输出电压,通过刻蚀隔离沟槽的方式将单位面积的电池芯片进行隔离,再通过引线的方式将几个单结电池单元串联。隔离沟槽的个数越多就会导致电池的有效受光面积就越小,为解决此问题我们提出将每个电池单元设计为通过隧穿结连接的双结电池结构,这样可以减小隔离沟槽的影响,增大激光光电池的有效受光面积,减小电池互联的串联电阻,有助于提高器件的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供三结叠层GaAs激光光伏电池及其制备方法。
为了解决上述问题,本发明提供了一种三结叠层GaAs激光光伏电池,包括GaAs的衬底,以及在所述衬底上依次设置的N型GaAs导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、中电池、第三隧穿结、顶电池、N型窗口层以及GaAs接触层。
所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,进一步包括隔离槽,所述隔离槽为从接触层向衬底方向贯穿,直至显露出衬底,并且所述隔离槽中填充有氧化硅或聚酰亚胺胶。
所述第一隧穿结、第二隧穿结和第三隧穿结均包括按照远离衬底方向依次生长的N型(Al)GaAs((Al)GaInP)层、N型GaAs(Ga0.51In0.49P)层、P型 (Al)GaAs层和P型AlGaAs((Al)GaInP)层。
所述底电池、中电池和顶电池均为基于GaAs的PN结电池,且所述底电池、中电池和顶电池各自的P区、N区均依次远离衬底。
所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,进一步包括正电极窗口,所述正电极窗口为从接触层往导电层方向贯穿,直至显露出导电层。
所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,进一步包括材料为ZnSe/MgF或TiO2/SiO2的减反射膜,置于所述窗口层的裸露表面上。
为了解决上述问题,本发明还提供了一种一种如上述的三结叠层GaAs激光光伏电池制备方法,包括步骤:(1)提供GaAs衬底;(2)在衬底上依次生长N型GaAs导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、中电池、第三隧穿结、顶电池、窗口层与GaAs接触层。
所述的三结叠层GaAs激光光伏电池的制备方法,进一步包括步骤:(3)采用干法或湿法刻蚀方法从接触层向衬底方向刻蚀,直至显露出衬底表面,形成隔离槽;(4)在隔离槽中填充氧化硅或聚酰亚胺胶。
所述的三结叠层GaAs激光光伏电池的制备方法,进一步包括步骤:(5)采用干法或湿法刻蚀方法从接触层往导电层方向刻蚀,直至显露出导电层,形成正电极窗口。
所述的三结叠层GaAs激光光伏电池的制备方法,进一步包括步骤:采用干法或湿法刻蚀方法刻蚀指定区域的GaAs接触层,直至裸露出窗口层的表面;在窗口层的裸露表面上生长减反射膜,所述生长减反射膜的方法为化学气相淀积、蒸发和溅射中任意一种。
本发明提供三结叠层GaAs激光光伏电池及其制备方法,优点在于:
1. 三结叠层GaAs激光光伏电池实现了每个单元有三个电池串联,减小了串联电阻,有利于电池效率的提高;
2. 本发明中,对于同等开路电压的光伏电池,减少了隔离沟槽所占受光面积的比例,减少了入射光在隔离沟槽上的损失,有利于电池效率的提高;
3. 本发明中,GaAs接触层和导电层都采用N型GaAs,在电池工艺中一步可以完成正、负电极的欧姆接触金属的蒸发或电镀加厚,减少一步光刻、一步剥离工艺,减少一张光刻版,节省工艺加工时间和降低成本;
4. 本发明提供的三结叠层GaAs激光光伏电池通过N个单元串联可获得约3N伏的输出电压。
附图说明
图1是本发明提供的三结叠层GaAs激光光伏电池第一具体实施方式的电池截面示意图;
图2是本发明提供的三结叠层GaAs激光光伏电池第一具体实施方式的电池隔离槽截面示意图;
图3是本发明提供的三结叠层GaAs激光光伏电池第一具体实施方式的电池产品结构截面示意图;
图4A至图4D分别是本发明提供的3V、6V、9V、12V三结叠层GaAs激光光伏电池的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的三结叠层GaAs激光光伏电池及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
图1为所述三结叠层GaAs激光光伏电池第一具体实施方式的电池截面示意图。
图2为三结叠层GaAs激光光伏电池第一具体实施方式的电池隔离槽截面示意图。
本实施方式提供一种三结叠层GaAs激光光伏电池,如图1所示,包括GaAs的衬底01,以及在衬底01上依次设置的N型GaAs的导电层02、第一隧穿结23、底电池24、第二隧穿结25、中电池26、第三隧穿结27、顶电池28、窗口层21与GaAs接触层22。
如图2所示,所述三结叠层GaAs激光光伏电池进一步包括隔离槽30,所述隔离槽30为从GaAs接触层22往衬底01方向贯穿,直至显露出衬底01,并在隔离槽30中通过填聚酰亚胺胶(Polyimide,简称PI胶)或氧化硅等电绝缘材料进行隔离。
本实施方式中在隔离槽30中填充的氧化硅或聚酰亚胺胶,而本发明不限于此,在隔离槽30中填充物还可包括其他类似PI胶的光敏性的胶。
第一隧穿结23包括按照远离衬底01方向依次生长的第一势垒层03、第一N型GaAs(Ga0.51In0.49P)层04、第一P型(Al)GaAs层05和第二势垒层06。
其中,本申请中所出现的GaAs(Ga0.51In0.49P)为GaAs或Ga0.51In0.49P之意。
其中,本申请中所出现的(Al)GaAs为AlxGa1-xAs之意,其中x大于等于0且小于等于1。
所述第二势垒层06也可作为底电池24的背场层。
第二隧穿结25包括按照远离衬底01方向依次生长的第三势垒层09、第二N型GaAs(Ga0.51In0.49P)层10、第二P型(Al)GaAs层11和第四势垒层12。
所述第三势垒层09也可作为底电池24的窗口层;第四势垒层12也可作为中电池26的背场层。
第三隧穿结27包括按照远离衬底01方向依次生长的第五势垒层15、第三N型GaAs(Ga0.51In0.49P)层16、第三P型(Al)GaAs层17和第六势垒层18。
所述第五势垒层15可作为中电池26的窗口层;第六势垒层18也可作为顶电池28的背场层。
第一势垒层03、第三势垒层09和第五势垒层15的材料均为N型(Al)GaAs((Al)GaInP);所述第二势垒层06、第四势垒层12和第六势垒层18的材料均为P型AlGaAs((Al)GaInP)。
其中,本申请中所出现的(Al)GaAs((Al)GaInP)为AlxGa1-xAs或AlxGa1-xInP之意,其中x为大于等于0且小于等于1。
其中,本申请中所出现的AlGaAs((Al)GaInP)为AlGaAs或AlxGa1-xInP之意,其中x为大于等于0且小于等于1。
窗口层21的材料为N型AlGaAs(Ga0.51In0.49P),可作为顶电池28的窗口层。
底电池24、中电池26和顶电池28均为基于GaAs的PN结电池。
底电池24包括依次远离衬底01的第一P区07和第一N区08;中电池26包括依次远离衬底01的第二P区13和第二N区14;顶电池28包括依次远离衬底01的第三P区19和第三N区20。
GaAs接触层22的材料为N型的GaAs。
图3所示为三结叠层GaAs激光光伏电池第一具体实施方式的电池产品结构截面示意图。
本具体实施方式中的三结叠层GaAs激光光伏电池进一步包括正电极窗口,如图3所示,正电极窗口为从GaAs接触层22往导电层02方向贯穿,直至显露出导电层02。
所述三结叠层GaAs激光光伏电池进一步包括将除了负电极31正下方以外的GaAs接触层22去除,裸露出窗口层21。
所述三结叠层GaAs激光光伏电池进一步包括正电极32和负电极31,所述正电极32置于所述正电极窗口中导电层02的裸露表面上;所述负电极31置于接触层22的裸露表面上。正电极32和负电极31通过电极引线34连接。
所述的三结叠层GaAs激光光伏电池进一步包括材料为ZnSe/MgF或TiO2/SiO2的减反射膜33,置于所述窗口层21的裸露表面上。
根据按图1的结构制备获得电池的串联电阻比在相同电压输出情况下通过引线连接的多个单PN结构电池的串联电阻更低,有利于电池接收更高的光功率密度并提高电池效率,因此上述结构具有比PN结电池更高的转换效率,具有很好的实际应用价值。
第二具体实施方式
制备结构如图1所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,包括步骤:
(1) 在半绝缘GaAs的衬底01上用MOCVD或MBE方法生长N型GaAs导电层02;
(2) 在N型GaAs导电层上生长N型AlGaAs((Al)GaInP)的第一势垒层03;
(3) 在第一势垒层03上生长N型掺杂浓度大于1×1019cm-3的第一GaAs(Ga0.51In0.49P)层04,再生长P型掺杂浓度1×1019cm-3以上的第一(Al)GaAs层05,形成第一隧穿结23;
(4) 在第一隧穿结23上生长P型AlGaAs((Al)GaInP)的第二势垒层06,并作为GaAs电池的背场层;
(5) 在上述第二势垒层06上生长P型GaAs吸收层,即第一P区07,在第一P区07上生长N型GaAs吸收层,即第一N区08,形成一个PN结,作为底电池24;
(6) 在底电池24上生长N型AlGaAs((Al)GaInP) 的第三势垒层09;
(7) 在第三势垒层09上生长N型掺杂浓度1×1019cm-3以上的第二GaAs(Ga0.51In0.49P)层10,再生长P型掺杂浓度1×1019cm-3以上的第二(Al)GaAs层11,形成第二隧穿结25;
(8) 在第二隧穿结25上生长P型AlGaAs((Al)GaInP)的第四势垒层12,并作为GaAs电池的背场层;
(9) 在上述第四势垒层12上生长P型GaAs吸收层,即第二P区13,在第二P区13上生长N型GaAs吸收层,即第二N区14,形成一个PN结,作为中电池26;
(10) 在中电池26上生长N型AlGaAs((Al)GaInP)的第五势垒层15;
(11) 在第五势垒层15上生长N型掺杂浓度1×1019cm-3以上的第三GaAs(Ga0.51In0.49P)层16,再生长P型掺杂浓度1×1019cm-3以上的第三(Al)GaAs层17,形成第三隧穿结27;
(12) 在第三隧穿结27上生长P型AlGaAs((Al)GaInP)的第六势垒层18,并作为GaAs电池的背场层;
(13) 在上述第六势垒层18上生长P型GaAs吸收层,即第三P区19,在第三P区19上生长N型GaAs吸收层,即第三N区20,形成一个PN结,作为顶电池28;
(14) 在N型GaAs吸收层20上生长N型AlxGa1-xAs(Ga0.51In0.49P)的窗口层21;
(15) 在上述窗口层21上生长N型高掺杂浓度的GaAs接触层22,用作欧姆接触。
上述步骤(1)至(15)均采用MOCVD或MBE方法制备所述三结叠层GaAs激光光伏电池。
若步骤(1)至(15)中的生长均采用MOCVD法, 则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S以及Te中任意一种,所述P型掺杂的掺杂原子为Zn、Mg以及C中任意一种。
若步骤(1)至(15)中的生长均采用MBE法生长,则所述N型掺杂的掺杂原子为Si、Se、S、Sn以及Te中任意一种,所述P型掺杂的掺杂原子为Be、Mg以及C中任意一种。
进一步应用电池标准工艺进行如图3中三结叠层GaAs激光光伏电池产品的制备,包括步骤:
(16) 按照电池标准工艺,通过干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层22往衬底01方向刻蚀,直至显露出N型半绝缘GaAs的衬底01,再通过填聚酰亚胺胶或氧化硅等电绝缘材料进行隔离,形成隔离槽30;
(17) 按照电池标准工艺,通过干法或湿法刻蚀方法从GaAs接触层22往导电层02方向刻蚀,直至显露出N型GaAs的导电层02,形成电池的正电极窗口;
(18) 按照电池标准工艺,电池的负电极31和正电极32通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式制备,所述负电极31和正电极32的均为AuGe/Ni/Au;Ag;Au金属材料,并分别与GaAs接触层22和导电层02形成欧姆接触;
(19) 按照电池标准工艺,将除负电极31正下方的GaAs接触层22以外的GaAs接触层22去除,裸露出窗口层21。
(20) 按照电池标准工艺,电池的减反射膜33通过化学气相淀积、蒸发或溅射的方法在裸露的窗口层21上制备ZnSe/MgF或TiO2/SiO2减反射层;
(21) 按照电池标准工艺,用电极引线34对电池进行相邻单元正电极32与负电极31互联实现电池串联。
接下来给出本发明的一实施例。
一种三结叠层GaAs激光光伏电池的制作方法,结构如图1所示,具体包括下列步骤:
一、应用MOCVD或MBE的方法生长GaAs三结叠层GaAs激光光伏电池。
1)、采用半绝缘GaAs衬底01,厚度范围为200微米至500微米;
2)、进入MOCVD或MBE生长室,在半绝缘GaAs衬底01裸露表面上先生长一层厚度范围为1000nm至5000nm的N型GaAs导电层02,掺杂浓度高达1×1018至1×1019cm-3;
3)、在导电层02上生长掺杂浓度1×1018 cm-3以上的厚度范围为10nm至50 nm的N型AlGaAs((Al)GaInP)的第一势垒层03,
4)、在第一势垒层03裸露表面上生长N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的厚度范围为10nm至50 nm的第一GaAs(Ga0.51In0.49P)层04,再生长P型掺杂浓度大于1×1019cm-3的厚度范围为10nm至50nm的第一(Al)GaAs层05,形成第一隧穿结23,使底电池24的第一P区07和下面的N型GaAs的导电层02能够很好连接;
5)、在第一隧穿结23上生长掺杂浓度1×1018cm-3以上的厚度范围为50nm至100nm的P型AlGaAs((Al)GaInP)的第二势垒层06,并作为底电池24的背场层;
6)、在第二势垒层06的裸露表面上生长厚度范围为2500nm至3500nm的 P型的掺杂浓度为5×1016至5×1017cm-3的GaAs吸收层,即第一P区07,作为底电池24的基区,再生长厚度范围为100nm至300nm的 N型掺杂浓度为1×1017至4×1018 cm-3的GaAs吸收层,即第一N区08,作为底电池24的发射区;形成一个PN结,作为底电池24;
7)、在第一N区08上生长掺杂浓度1×1018cm-3以上的厚度范围为20nm至100nm的N型AlGaAs((Al)GaInP)的第三势垒层09,作为底电池24的窗口层,同时也是第二隧穿结的势垒层;
8)、生长N型掺杂浓度大于1×1019cm-3的厚度范围为10nm至50nm的第二GaAs(Ga0.51In0.49P)层10,再生长P型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的厚度范围为10nm至50nm的第二(Al)GaAs层11,形成第二隧穿结25;
9)、在第二隧穿结25上生长掺杂浓度1×1018 cm-3以上的厚度范围为50nm至100nm的P型AlGaAs((Al)GaInP)的第四势垒层12,并作为中电池26的背场层;
10)、生长厚度范围为300nm至600nm的P型的掺杂浓度为5×1016至1×1017cm-3的GaAs吸收层,即第二P区13,作为中电池26的基区,再生长厚度范围为100nm至300nm的N型掺杂浓度为1×1017至4×1018 cm-3的GaAs吸收层,即第二N区14,作为中电池26的发射区;形成一个PN结,并作为中电池26,且第二P区13和第二N区14的总厚度范围为600nm至800nm;
11)、在第二N区14上生长掺杂浓度1×1018 cm-3以上的厚度范围为20nm至100nm的N型AlGaAs((Al)GaInP)的第五势垒层15,作为中电池26的窗口层,同时也是第三隧穿结27的势垒层;
12)、在第五势垒层15生长N型掺杂浓度大于1×1019 cm-3的厚度范围为10nm至50nm的第三GaAs(Ga0.51In0.49P)层16,再生长P型掺杂浓度大于1×1019cm-3的厚度范围为10nm至50nm的第三(Al) GaAs层17,形成第三隧穿结27;
13)、 在第三隧穿结27上生长掺杂浓度1×1018 cm-3以上的厚度范围为50nm至100nm的P型AlGaAs((Al)GaInP)的第六势垒层18,并作为顶电池28的背场层;
14)、生长厚度范围为200nm至500nm的P型的掺杂浓度为5×1016至1×1017cm-3的GaAs吸收层,即第三P区19,作为顶电池28的基区,再生长100nm至300nm的N型掺杂浓度为1×1017至4×1018cm-3的GaAs吸收层,即第三N区20,作为顶电池28的发射区;形成一个PN结,并作为顶电池28,且第三P区19和第三N区20的总厚度范围为300nm至600nm;
15)、在第三N区20上生长厚度范围为1000nm至3000nm的掺杂浓度1×1018cm-3以上的N型的AlxGa1-xAs(x大于等于0.2)或Ga0.51In0.49P的窗口层21;
16)、在窗口层21上生长厚度范围为100nm至300nm的掺杂浓度1×1018cm-3以上的N型的GaAs接触层22,用来做欧姆接触。
二、应用标准工艺制备三结叠层GaAs激光光伏电池。
17)、电池的隔离槽30通过干法或湿法刻蚀GaAs接触层22,窗口层21,顶电池28,第三隧穿结27,中电池26,第二隧穿结25,底电池25,第一隧穿结23,导电层02,直到显露出半绝缘 GaAs衬底01,再通过填聚酰亚胺胶、氧化硅等电绝缘材料进行隔离,如图2。
18)、电池的正电极窗口通过干法或湿法刻蚀GaAs接触层22,窗口层21,顶电池28,第三隧穿结27,中电池26,第二隧穿结25,底电池25,第一隧穿结23,直到显露出N型GaAs导电层02,如图3。
19)、通过电子束蒸发、热蒸发或磁控溅射等方式制备AuGe/Ni/Au=35/10/100nm;Ag=1μm;Au=100nm金属材料的负电极31和正电极32形成欧姆接触,如图3,图4。
20)、通过湿法刻蚀将除负电极31正下方的GaAs接触层22以外的GaAs接触层22去除,显露出窗口层21。
21)、通过化学气相淀积技术、蒸发或溅射方式或镀膜的方法在裸露的窗口层21上制备减反射膜33,应用ZnSe/MgF或TiO2/SiO2等作减反射材料,如图3。
22)、制备电极引线34,实现电池串联,如图3。
图4A、图4B、图4C、图4D所示分别为3V、6V、9V、12V的三结叠层GaAs激光光伏电池俯视图。
依照本实施例提供的三结叠层GaAs激光光伏电池制作方法制成的电池,通过几个电池单元串联以获得所需的输出电压。一个三结叠层GaAs激光光伏电池单元的开路电压约为3V,这样每个电池元件有几个单元串联就有约几伏的输出电压(如3V、6V、9V、12V)。激光电池生长在半绝缘GaAs衬底上以便在随后的电池加工工艺中实现每个单元之间电学隔离,然后将一个电池的正极与另一个相邻电池单元的负极相连而制作几个单元的串联连接。这样设计的结果是电池的正电极和负电极都从电池的外延面一侧引出,为了减少电极的遮光比、充分吸收照射到电池光敏面上的激光能量,底电极在电池光敏面的外围,和电池底部的导电层相连。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种三结叠层GaAs激光光伏电池,其特征在于,包括GaAs的衬底,以及在所述衬底上依次设置的N型GaAs导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、中电池、第三隧穿结、顶电池、N型窗口层以及GaAs接触层。
2.根据权利要求1所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,其特征在于,进一步包括隔离槽,所述隔离槽为从接触层向衬底方向贯穿,直至显露出衬底,并且所述隔离槽中填充有氧化硅或聚酰亚胺胶。
3.根据权利要求1所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,其特征在于,所述第一隧穿结、第二隧穿结和第三隧穿结均包括按照远离衬底方向依次生长的N型(Al)GaAs((Al)GaInP)层、N型GaAs(Ga0.51In0.49P)层、P型(Al)GaAs层和P型AlGaAs((Al)GaInP)层。
4.根据权利要求1所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,其特征在于,所述底电池、中电池和顶电池均为基于GaAs的PN结电池,且所述底电池、中电池和顶电池各自的P区、N区均依次远离衬底。
5.根据权利要求2所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,其特征在于,进一步包括正电极窗口,所述正电极窗口为从接触层往导电层方向贯穿,直至显露出导电层。
6.根据权利要求1所述的三结叠层GaAs激光光伏电池,其特征在于,进一步包括材料为ZnSe/MgF或TiO2/SiO2的减反射膜,置于所述窗口层的裸露表面上。
7.一种如权利要求1所述的三结叠层GaAs激光光伏电池制备方法,其特征在于,包括步骤:(1)提供GaAs衬底;(2)在衬底上依次生长N型GaAs导电层、第一隧穿结、底电池、第二隧穿结、中电池、第三隧穿结、顶电池、窗口层与GaAs接触层。
8.根据权利要求7所述的三结叠层GaAs激光光伏电池的制备方法,其特征在于,进一步包括步骤:(3)采用干法或湿法刻蚀方法从接触层向衬底方向刻蚀,直至显露出衬底表面,形成隔离槽;(4)在隔离槽中填充氧化硅或聚酰亚胺胶。
9.根据权利要求8所述的三结叠层GaAs激光光伏电池的制备方法,其特征在于,进一步包括步骤:(5)采用干法或湿法刻蚀方法从接触层往导电层方向刻蚀,直至显露出导电层,形成正电极窗口。
10.根据权利要求7所述的三结叠层GaAs激光光伏电池的制备方法,其特征在于,进一步包括步骤:采用干法或湿法刻蚀方法刻蚀指定区域的GaAs接触层,直至裸露出窗口层的表面;在窗口层的裸露表面上生长减反射膜,所述生长减反射膜的方法为化学气相淀积、蒸发和溅射中任意一种。
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