CN101048875A - 太阳能电池背接触上的导电层的接触隔离方法和相应的太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

公开了一种生产包含半导体衬底(2)的太阳能电池(1)的方法，其电接触实现在半导体衬底的背面上。半导体衬底的背面包含局部掺杂区域(3)。相邻区域(4)具有与所述区域(3)不同的掺杂。根据本发明，可以避免太阳能电池的导电材料(5)的短路，由此区域(3，4)至少在其边界(6)处覆盖有电绝缘薄层(7)。然后在两区域(3，4)的整个表面上覆盖导电材料(5)。导电材料层(5)的隔离通过将蚀刻阻挡层(8)覆盖在其整个表面上来实现，随后不使用掩蔽而是例如通过激光烧蚀在绝缘层(7)上方选择性局部移除所述蚀刻阻挡层(8)。通过蚀刻溶液的后续腐蚀，从蚀刻阻挡层(8)的开口区域(9)中局部移除导电层(5)。

Description

太阳能电池背接触上的导电层的接触隔离方法和相应的太阳能电池
本发明涉及一种发射极接触和基极接触均排列在半导体衬底背面上的太阳能电池以及制造这种太阳能电池的方法。具体而言，本发明涉及一种用于电隔离排列在太阳能电池背面上的基极和发射极接触的方法。
发明背景
太阳能电池用于将光转换为电能。在这种情况下，在半导体衬底中由光所产生的电荷载流子对被pn结分离，然后经发射极接触和基极接触被供应到包含用电设备的电源电路。
现有技术
在传统太阳能电池中，发射极接触通常布置在半导体衬底的正面，即面向光源的面上。但是，在JP575149A、DE4143083和DE10142481中已经提出，将太阳能电池中的基极接触和发射极接触均布置在衬底的背面上。首先，这避免了正面被接触遮蔽，从而增强太阳能电池的效率和美感，第二，这些太阳能电池更容易串联连接，因为电池的背面不需要与相邻电池的正面电连接。
换言之，没有正面金属化的太阳能电池具有多重优点：太阳能电池的正面没有被任何接触所遮蔽，使得入射辐射能可以在半导体衬底中不受限制地产生电荷载流子。另外，这些电池能够更加容易地连接模组并且具有良好的美感。
但是，传统的所谓背接触太阳能电池具有一些缺点。它们的制造方法通常复杂。一些方法需要多个掩蔽步骤、多个蚀刻步骤和/或多个气相沉积步骤，以形成在半导体衬底背面上与发射极接触电隔离的基极接触。此外，传统背接触太阳能电池经常发生局部短路，例如由基极和发射极区域之间的反型层(inversion layer)所引起，或由发射极和基极接触之间的不充分的电绝缘所引起，从而导致太阳能电池的效率降低。
没有正面金属化的太阳能电池是已知的，例如R.M.Swanson“point contact silicon solar cells”，Electric Power ResearchInstitute Rep.AP-2859，May 1983。这种电池设计已经进一步得到持续的发展(R.A.Sinton“bilevel contact solar cells”，US专利5053083，1991)。这种点接触太阳能电池的简化方案由SunPowerCorporation在试生产线中制造(K.R.McInthosh，M.J.Cudzinovic，D-D Smith，W-P.Mulligan and R.M.Swanson“The choice of silicon wafer for theproduction of low-cost rear-contact solar cells”，3rd World Conferenceon PV Energy Conversion，Osaka 2003，in press)。
为了制造这些太阳能电池，需要在多个掩蔽步骤中产生相互邻接的不同掺杂区域，并通过覆盖局部多层金属结构来使所述不同掺杂区域金属化或接触。
在此，一个缺点是这些方法需要多个对准掩蔽步骤并因此而繁杂。
从JP 575149A中已知一种没有正面金属化的太阳能电池，该太阳能电池在其背面上具有隆起的和凹陷的区域。这种太阳能电池也只能采用多个掩蔽和蚀刻步骤来制造。另外，与具有平坦表面的太阳能电池相比，隆起和凹陷区域的形成需要附加的加工步骤。
专利DE 4143083描述了一种没有正面金属化的太阳能电池，其中对准掩蔽步骤不是绝对必要的。但是，这种电池的效率低，因为反型层接触两种接触系统，这产生低的并联电阻以及因此而导致的低的填充因子(fill factor)。
专利DE 10142481描述了一种在背面具有基极和发射极接触的太阳能电池。这种太阳能电池还具有背面结构，但是接触位于隆起(elevations)的侧面。这需要两个真空气相沉积步骤来制造该接触。另外，在这种电池中技术上要求制造局部发射极。
背接触太阳能电池所具有的特定困难在于背面接触的精细制造，其中必须绝对避免电短路。
发明目的
对本发明而言，需要避免或至少减少上述问题，并提供一种具有高效率和易于生产的太阳能电池及其制造方法。
这些要求可以根据本发明，通过独立权利要求的制造方法以及具有独立权利要求的特征的电池来达到。本发明的有利实施方案和其它的变化方案由从属权利要求获得。
具体地，本发明以简单的方式解决两种背面接触系统即基极接触和发射极接触的制造问题以及它们的无问题电隔离，并且本发明描述了一种可以通过该方法简单制造的太阳能电池。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种制造太阳能电池的方法，包括如下步骤：提供具有衬底正面和衬底背面的半导体衬底；在衬底背面上分别形成发射极区域和基极区域；在衬底背面上的至少发射极区域邻接基极区域的区域边界处的结区中形成电绝缘层；至少在衬底背面的部分区域上沉积金属层；至少在所述金属层的部分区域上沉积蚀刻阻挡层，其中所述蚀刻阻挡层基本阻挡用于蚀刻金属层的蚀刻剂；至少在所述结区的部分区域中局部移除蚀刻阻挡层；蚀刻金属层，其中在局部移除蚀刻阻挡层的部分区域中的所述金属层被基本移除。
硅晶片可以用作半导体衬底。该方法特别适合制造背接触太阳能电池，其中发射极既在太阳能电池的正面上又在其背面上形成(例如所谓EWT(发射极环绕型)太阳能电池)。由于离分隔电荷载流子体对的pn结的距离短，因此在这些太阳能电池中可以使用少数载流子的扩散长度比晶片厚度更短的较低质量的硅晶片，例如由多晶硅或Cz硅制成的硅晶片。
厚度为几微米的应用于载流子衬底的半导体薄层可用作半导体衬底。根据本发明的方法对于制造薄层太阳能电池特别有利，因为与在本说明中所列举的一些传统方法相反，本发明不需要构造衬底背面并且可应用于具有平坦背面的衬底。
太阳能电池的后续将形成的发射极区域和基极区域具有不同的n型和p型掺杂。两个区域的限定可以实施如下：例如可以利用掩模层来局部保护基极层以避免扩散，或在整个表面上扩散并接着局部蚀刻掉所产生的发射极，或利用激光烧蚀来去除它。该两个区域可以以梳状方式相互套入(“互相交叉”)。结果，在半导体衬底中所产生的电荷载流子体对仅需穿过短距离到达pn结，然后在此分离，并且可以经接触各自区域的金属化而被去除。因此可以使再结合和串联电阻损失最小化。在这种情况下，发射极区域和基极区域不需要在整个背面表面上占据相同的表面分数。
在发射极区域邻接基极区域的区域边界上方的结区中，即在pn结到达衬底背面表面处，在衬底背面上形成电绝缘层。“上方”在此理解为邻接衬底背面表面。“结区”理解为横向邻接区域边界即平行于衬底表面的那些区域。
电绝缘层可以是电介质，其表面钝化位于其下方的衬底表面和特别是暴露的pn结，并且还防止由后续布置在其上的金属层所引起的发射极区域和基极区域之间的短路。
绝缘层优选由氧化硅和/或氮化硅形成。其可以利用任意已知的方法来形成。例如，可以在硅表面上热生长氧化物，或者可以利用CVD法沉积氮化物。在这种情况下，重要的是所述层的电绝缘尽可能好。任何针孔都会不利地影响所述层的绝缘特性。因此，应该仔细保证所述层尽可能致密。热生长的氧化物通常比沉积的氮化物更加致密并因此而优选。
由于绝缘层应该仅在结区中形成，但是为了电接触，中间区域应该不被所述绝缘层覆盖，因此绝缘层可以通过掩模来选择性地覆盖，在此应该注意相对于区域边界正确定位。
作为替代方案，绝缘层可以形成在衬底背面的整个区域上方，然后局部移除，例如通过激光烧蚀或局部蚀刻形成线或点。
在另一个替代实施方案中，在发射极区域向内扩散之前，已经在基极区域上形成掩模层，以保护其免于扩散，所述掩模层可以保留在衬底背面上，并且之后用作绝缘层。因为在扩散过程中发射极掺杂剂还在掩模层下横向扩散，因此该层随后覆盖发射极和基极区域之间的区域边界。
在接下来的方法步骤中，优选在衬底的整个背面上沉积金属层。不要求例如通过光刻法来掩蔽衬底背面的各个区域。衬底背面的部分区域例如用于在沉积过程中固定衬底的部分区域可保持无金属层。优选铝用作金属层。
在沉积金属层之后，在其上沉积蚀刻阻挡层，或至少在部分区域中沉积蚀刻阻挡层。因此蚀刻阻挡层覆盖金属层，至少部分覆盖金属层。优选金属层和位于其上的蚀刻阻挡层基本覆盖整个衬底背面。
根据本发明，蚀刻阻挡层基本阻挡用于蚀刻金属层的蚀刻剂。这意味着强烈腐蚀金属层的蚀刻剂例如液体蚀刻溶液或反应气体不会或者仅仅轻微蚀刻所述蚀刻阻挡层。例如蚀刻剂相对于金属层的蚀刻速率应该大大高于相对于蚀刻阻挡层的蚀刻速率，例如为十倍。
优选的是，导电并且特别是可焊接的金属例如银或铜可用作蚀刻阻挡层。术语“可焊接”在此理解为传统的缆线或接触片可被焊接到蚀刻阻挡层上，例如这可用于相互连接多个太阳能电池。在这种情况下，可以采用简单、费效比高的焊接方法，而无需使用特种焊料或特种工具例如焊接铝或钛或这种金属的化合物所需的特种焊料或特种工具。例如可以利用传统的银焊料和传统的焊铁来焊接蚀刻阻挡层。
但是，也可以使用电介质例如氧化硅(例如SiO2)或氮化硅(例如Si3N4)并且可以在后续的制造步骤中用以接触位于其下方的金属层。
金属层和/或蚀刻阻挡层优选通过气相沉积或溅射来沉积。其中，可以在单个真空步骤过程中沉积两种层。
然后至少在结区上方的部分区域中局部移除蚀刻阻挡层。换言之，至少部分移除蚀刻阻挡层，其中衬底背面在暴露的pn结的区域边界处被电绝缘层覆盖。
蚀刻阻挡层可优选不通过掩蔽来移除，即不使用通过光刻法提供或产生的掩模来局部打开蚀刻阻挡层。
可优选利用激光烧蚀来局部移除蚀刻阻挡层。在这种情况下，蚀刻阻挡层被高能激光局部蒸发或者碎裂，从而使位于其下方的金属层被暴露。
作为替代方案，蚀刻阻挡层可以利用蚀刻溶液来移除，所述蚀刻溶液例如通过类似于喷墨打印机的分配器来局部涂覆。
在另一个实施方案中，蚀刻阻挡层还可以利用机械手段例如刻划或锯切来局部移除。
在后续的方法步骤中，将其上布置有金属层和覆盖该金属层的蚀刻阻挡层的衬底背面暴露于蚀刻剂。在被蚀刻阻挡层覆盖的区域中，金属层没有或很少被蚀刻剂腐蚀。但是在蚀刻阻挡层已被局部移除的部分区域中，蚀刻剂可以直接腐蚀金属层。在这些部分区域中，位于蚀刻阻挡层下方的金属层被蚀刻掉。形成隔离沟槽，其延伸至位于其下方的电绝缘层。结果，在基极区域中的金属层不再与发射极区域中的金属层电连接。
根据本发明的方法可以以简单的方式实现基极接触与同样位于衬底背面上的发射极接触的电绝缘。在本文中，有利的是电绝缘层不仅必须在所有的点处覆盖区域边界，并且也可以基本延伸到衬底背面的其它区域上。用作绝缘层的电介质可以表面钝化衬底背面的宽泛区域并且必须仅仅局部打开以接触发射极。可以利用LFC法(激光烧蚀接触)来驱动基极接触穿过电介质进入基极区域。作为替代方案，电介质可以在基极区域中沉积金属之前被选择性地局部打开。
此外，蚀刻阻挡层的局部移除必须仅发生在结区下方的一些区域中，并且必须使得在蚀刻步骤之后整个基极接触完全与发射极接触电隔离。这意味着使发射极接触与基极接触绝缘的隔离沟槽应该总是延伸在一定区域中，在所述区域中邻接金属层通过下方绝缘层与衬底背面绝缘。如果衬底背面的主要区域被绝缘层覆盖，则由此对于隔离沟槽的几何轮廓提供极大的自由度。它不需要在上方精确对准表面pn结的区域边界，而是可以横向延伸与该区域边界间隔开。例如，隔离沟槽可以形成为曲折形。它还可以形成为使得通过隔离沟槽相互绝缘的伸长金属化手指区域从太阳能电池的一侧边缘向对侧边缘形成锥形。
根据本发明的第二方面，提出一种太阳能电池，包含：包含衬底正面和衬底背面的半导体衬底；在衬底背面上的第一掺杂型基极区域和在衬底背面上的第二掺杂型发射极区域；介电层，其在发射极区域邻接基极区域的区域边界上方的结区中；至少在部分区域中电接触基极区域的基极接触和至少在部分区域中电接触发射极区域的发射极接触，其中基极接触和发射极接触各自具有与半导体衬底接触的金属层，其中基极接触的金属层在介电层上方通过隔离沟与发射极接触的金属层间隔开，使得基极接触和发射极接触电隔离。
具体地，太阳能电池可具有诸如上述根据本发明方法所形成的那些特征。
在一个实施方案中，构造太阳能电池，使得基极接触的金属层和发射极接触的金属层基本布置在距衬底正面相同的距离处。换言之，这意味着这两个接触被应用于平坦的衬底背面。因此，这些接触仅仅通过隔离沟被横向隔离，并且没有垂直隔离，这种垂直隔离可以在许多传统的背接触太阳能电池中发现。
在又一个实施方案中，另一金属薄层位于形成接触的金属层上方，该薄层在太阳能电池的制造过程中用作蚀刻阻挡层。优选利用可焊接金属例如银或铜来形成这种层。在这种层的辅助下，可以容易地焊接接触，所述接触的金属层可由难以焊接的铝制成，因此可以容易地将太阳能电池相互连接。
由下文结合附图对优选实施方案的详细说明获得本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1表示根据本发明的第一实施方案的太阳能电池的示意性截面图。
图2A～2C示意性说明根据本发明的加工顺序的方法步骤。
图3表示根据本发明第二实施方案的具有关于区域边界横向偏移的隔离沟槽的太阳能电池的示意性截面图。
图4表示根据本发明第三实施方案的太阳能电池的示意性截面图，其中隔离沟槽具有曲折形构造。
图5表示根据本发明第四实施方案的具有锥形接触手指的太阳能电池的示意性截面图。
具体实施方式
根据本发明的太阳能电池1和适合制造该太阳能电池的根据本发明的方法的实施方案将参考图1、2A～2C和3来说明。图2A～2C说明隔离背接触区域的方法步骤，该背接触区域参考图1中以虚线作为边界的区域A。
在用作半导体衬底2的p掺杂硅晶片的背面上，n掺杂发射极区域3被局部向内扩散。为此，用扩散阻挡层例如氮化硅保护不发生扩散的衬底2的表面，然后对衬底进行磷扩散。
然后将作为热生长氧化硅层和通过CVD沉积在其上的氮化硅形式的电绝缘层7覆盖在衬底的整个背面上。然后通过激光烧蚀在后续发射极接触的区域即在发射极区域3上方以条状形式局部移除所述层7。然后将用作金属层5的铝层开始沉积在整个衬底背面，在发射极区域3中直接接触衬底的背面，而在基极区域4和在邻近区域边界6的结区中，所述层位于绝缘层7上方。在同一气相沉积步骤中，将用作蚀刻阻挡层8的银层覆盖在金属层5上。至此，提供了如图2A所示的一系列层。
接着，在图2B所示的方法步骤中，利用激光局部打开蚀刻阻挡层8。在其中移除蚀刻阻挡层8的打开区域9的几何形状在此可以多种多样。为了防止在后续发射极接触和后续基极接触之间的短路，只需要确保打开区域9已经位于绝缘层7上方以及打开区域9位于各区域边界6上方或与其邻近。
从图4所示的实施方案可以看出，打开区域9可以具有曲折形轮廓。这样形成相互交叉的接触手指。在图5所示的另一实施方案中，相互交叉的接触手指被设计为锥形。这样的优点在于，在高电流流过的接触手指的区域中，接触手指的横截面大，由此减少电阻损失。
在图2C所示的后续方法步骤中，对覆盖有系列层的半导体衬底进行蚀刻。在这种情况下，溶液例如基于HCl的溶液或反应气体可用作蚀刻剂。这种蚀刻剂不腐蚀或几乎不腐蚀蚀刻阻挡层。但是，在打开区域9中，蚀刻剂直接作用于金属层5并将其蚀刻掉。形成隔离沟槽10，其向下延伸到绝缘层7并将发射极接触的金属层5a与基极接触的金属层5b隔离。
图3表示一个实施方案，其中隔离沟槽10位于与区域边界6横向保持一定距离的区域中。此外，在绝缘层7上局部涂覆清漆层12，以增加金属层5和下方衬底之间的电阻。当绝缘层7具有可能引起短路的微针孔时，这可能特别有利。
总而言之，本发明可以描述如下：提出一种包含半导体衬底(2)的太阳能电池(1)，其中在半导体衬底的背面上制造电接触。半导体衬底的背面具有局部掺杂区(3)。邻近的区域(4)表现出与区域(3)不同的掺杂。开始，在整个区域上用导电材料(5)覆盖两种区域(3，4)。为了使导电材料(5)不使太阳能电池短路，用电绝缘层(7)覆盖两区域(3，4)，至少覆盖在区域边界(6)上。
通过在整个表面上覆盖蚀刻阻挡层(8)来隔离导电层(5)，然后不用掩模并且例如通过激光烧蚀选择性地局部移除绝缘层(7)下面的蚀刻阻挡层(8)。通过后续蚀刻溶液的作用，在蚀刻阻挡层(8)的开口区域(9)中局部移除导电层(5)。
在已经提出并设计为水平电池(水平背面交叉区)的太阳能电池中具有以下优点：
-可容易制造相互电绝缘的基极和发射极背接触。所述接触具有包含气相沉积的金属层和蚀刻阻挡层的双层。接触隔离优选利用非接触局部激光烧蚀或局部蚀刻掉蚀刻阻挡层并且然后局部蚀刻掉金属层来实现。因此，在金属化期间没有发生太阳能电池的机械负荷。
-在整个表面上沉积金属层和蚀刻阻挡层仅需要一个真空沉积步骤。
-金属接触可以在衬底的平坦背面上被隔离；不需要对硅晶片进行表面构造；
-由于金属接触的灵活的几何构形，可以实现低接触电阻和低接触再结合以及高电导率的接触手指。
-如果使用可焊接的蚀刻阻挡层，则其可以通过与接触条焊接而被简单用来将太阳能电池连接至模组。
通过上述实施方案对根据本发明的太阳能电池和根据本发明的制造方法进行了示例性说明。应该注意，前述方法步骤原则上涉及完整加工根据本发明可使用的太阳能电池的一部分，以形成相互电绝缘的基极和发射极背接触。显然，对本领域技术人员而言，所述方法步骤和在所附权利要求范围内的变化和修改可以与其它已知的方法步骤组合，并且以这种方法可以生产各种类型的太阳能电池。例如，可以使用诸如表面结构化处理、发射极扩散、表面钝化、抗反射层沉积等各种其它步骤来形成太阳能电池的正面。

Claims (22)

1.一种制造太阳能电池(1)的方法，包括下列步骤：
提供具有衬底正面和衬底背面的半导体衬底(2)；
在所述衬底背面上分别形成发射极区域(3)和基极区域(4)；
在衬底背面上的至少所述发射极区域(3)邻接所述基极区域(4)的区域边界(6)上方的结区中形成电绝缘层(7)；
至少在所述衬底背面的部分区域上沉积金属层(5)；
至少在所述金属层(5)的部分区域上沉积蚀刻阻挡层(8)，其中所述蚀刻阻挡层(8)基本阻挡用于蚀刻所述金属层(5)的蚀刻剂；
至少在所述结区的部分区域中局部移除所述蚀刻阻挡层(8)；
蚀刻所述金属层(5)，其中在局部移除所述蚀刻阻挡层(8)的部分区域中基本移除所述金属层(5)。
2.根据权利要求1的方法，其中不通过掩蔽来局部移除所述蚀刻阻挡层(8)。
3.根据权利要求1或2的方法，其中利用激光局部移除所述蚀刻阻挡层(8)。
4.根据权利要求1或2的方法，其中利用局部涂覆蚀刻溶液来局部移除所述蚀刻阻挡层(8)。
5.根据权利要求1或2的方法，其中利用机械来局部移除所述蚀刻阻挡层(8)。
6.根据权利要求1～5中任一项的方法，其中在与所述区域边界(6)横向间隔开的区域中局部移除所述蚀刻阻挡层(8)。
7.根据权利要求1～6中任一项的方法，其中所述蚀刻阻挡层(8)是导电的。
8.根据权利要求7的方法，其中所述蚀刻阻挡层(8)可以被焊接。
9.根据权利要求1～8中任一项的方法，其中所述蚀刻阻挡层(8)和/或所述金属层(5)通过气相沉积或通过溅射来沉积。
10.根据权利要求1～9中任一项的方法，其中在曲折形区域中局部移除所述蚀刻阻挡层(8)。
11.根据权利要求1～10中任一项的方法，其中局部移除所述蚀刻阻挡层(8)，使得在其中移除所述蚀刻阻挡层(8)的区域(9)之间的伸长金属化手指区域(11)从所述太阳能电池(1)的一侧边缘朝向对侧边缘形成锥形。
12.根据权利要求1～11中任一项的方法，其中所述电绝缘层(7)包含氧化硅和/或氮化硅。
13.根据权利要求1～12中任一项的方法，其中在所述电绝缘层(7)上涂覆电绝缘清漆层(12)。
14.一种太阳能电池(1)，包含：
包含衬底正面和衬底背面的半导体衬底(2)；
在所述衬底背面上的第一掺杂型基极区域(4)和在所述衬底背面上的第二掺杂型发射极区域(3)；
介电层(7)，其在所述基极区域(4)邻接所述发射极区域(3)的区域边界(6)上方的结区中；
至少在部分区域中电接触所述基极区域(4)的基极接触(5b)和至少在部分区域中电接触所述发射极区域(3)的发射极接触(5a)，其中所述基极接触(5b)和所述发射极接触(5a)各自具有与所述半导体衬底接触的金属层(5)，
其中所述基极接触(5b)的金属层在所述介电层(7)上方通过隔离沟(10)与所述发射极接触(5a)的金属层横向间隔开，使得所述发射极接触(5a)和所述基极接触(5b)电隔离。
15.根据权利要求14的太阳能电池，其中所述隔离沟(10)至少在部分区域中与所述区域边界(6)横向间隔开。
16.根据权利要求14或15的太阳能电池，其中所述基极接触(5b)的金属层和所述发射极接触(5a)的金属层基本布置在距所述衬底正面相同的距离处。
17.根据权利要求14～16中任一项的太阳能电池，还包含可焊接的蚀刻阻挡层(8)，所述蚀刻阻挡层(8)至少部分覆盖所述基极接触和所述发射极接触的金属层(5a，5b)。
18.根据权利要求17的太阳能电池，其中所述蚀刻阻挡层(8)包含银和/或铜。
19.根据权利要求14～18中任一项的太阳能电池，其中所述发射极接触和/或所述基极接触的金属层包含铝。
20.根据权利要求14～19中任一项的太阳能电池，还包含电绝缘清漆层(12)，所述清漆层(12)至少部分覆盖所述介电层(8)。
21.根据权利要求14～20中任一项的太阳能电池，其中所述隔离沟(10)形成为曲折形。
22.根据权利要求14～21中任一项的太阳能电池，其中所述发射极接触(5a)和/或所述基极接触(5b)形成为伸长的手指(11)，所述手指(11)从所述太阳能电池(1)的一侧边缘朝向对侧边缘形成锥形。
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