CN103258871A - 量子点材料增益光电转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
量子点材料增益光电转换装置包括:量子点板,量子点材料,光电转换电池板,上层是涂量子点材料的透光量子点板或透光量子点栅板,中间层是气体,下层是光电转换电池板,太阳光或太阳能聚光照射在透光量子点板或透光量子点栅板上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,特定波长段能量的光子穿过中空腔内气体,照射在光电转换电池板上进行光电转换。
Description
技术领域:
本发明涉及量子点材料增益光电转换装置及方法。
背景技术:
光可分为不同波长,由于太阳照射到电池表面的光子能量范围很广,没有足够能量的光子穿过电池,不能使电池中电子逸出和进行光电转换,晶体硅太阳能电池主要吸收400-900nm左右的光,对紫外光和红外光具有很低的吸收率,上述两种效应就会造成电池中70%左右的辐射能损失,要提高太阳能的利用率,就必须充分利用紫外光和红外光。
量子点可以实现太阳光的宽光谱吸收和具有窄的发射谱,通过改变量子点的尺寸大小来控制量子点材料发射光谱,以CdTe量子为例,当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时,它们的发射波长可以从510nm红移到660nm,变为晶体硅太阳能电池可吸收的光,使晶体硅太阳能电池获得较高的转化收益。
现有用量子点材料提高太阳能电池转化率采用的方法是在太阳能电池芯片材料内或在太阳能电池芯片材料上填加量子点材料层,用量子点材料吸收和发射的光提高太阳能电池转化率,上述方案存在的问题是量子点材料吸收和发射光产生的热量加热太阳能电池板使太阳能电池板温度升高,太阳能电池芯片温度升高会降低太阳能电池板的转换效率。专利200910052785.6《硅基太阳能电池表面量子点光波转换层的制备方法》即存在上述问题。
太阳能电池芯片材料内填加量子点材料存在的另一问题是嵌入的量子点在禁带中产生中间能带,在增加能带吸收几率的同时,由于应力问题增加复合几率,降低量子点的转换效能。
在太阳能电池芯片材料内或材料上填加量子点材料存在的另一问题是制造工艺复杂,成本高。
发明内容:
本发明的目的是:1、利用量子点可以实现太阳光的宽光谱吸收和具有窄的发射谱的特点,将太阳光中的紫外光和红外光转变为晶体硅太阳能电池可吸收的光,提高晶体硅太阳能电池光电转化收益。2、量子点材料设在光电转换电池板上方,在量子点材料与光电转换电池板间设置气体层,气体吸收量子点材料发出的热量,防止光电转换电池板过热,提高光电转换电池板的转换效能。3、量子点材料设在光电转换电池板下方,太阳光或太阳能聚光照射在透光光电转换电池板上进行光电转换,透过电池板的光子穿过中空腔内气体照射在量子点材料上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,再次穿过中空腔内气体照射在透光光电转换电池板上进行光电转换,提高光电转换电池板的转换效能。4、量子点板与光电转换电池板分别制造,分层设置,解决了嵌入的量子点在禁带中复合问题,提高量子点光转化效率。5、量子点板与光电转换电池板分别制造,制造工艺简单,成本低。6、量子点板用压印技术压出凸凹面,防止光反射。7、量子点材料层内掺混纳米金属颗粒或量子点材料层单侧或双侧设纳米金属颗粒层,纳米金属颗粒层具有增益量子点材料光效功能和散热功能和导电功能。
本发明提出的一种量子点材料增益光电转换装置包括:量子点板,量子点材料,光电转换电池板,上层是涂量子点材料的透光量子点板或透光量子点栅板,中间层是气体,下层是光电转换电池板,太阳光或太阳能聚光照射在透光量子点板或透光量子点栅板上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,特定波长段能量的光子穿过中空腔内气体,照射在光电转换电池板上进行光电转换。
透光量子点栅板包括:点阵透光量子点栅板,条形透光量子点栅板。
为减少光反射,有机材料量子点板用纳米压印技术热压出凸凹面,无机透光玻璃量子点板是在透光玻璃涂层上用纳米压印技术压出凸凹面,凸凹面上涂量子点材料层。
本发明提出的另一种量子点材料增益光电转换装置包括:量子点板,量子点材料,光电转换电池板,上层是光电转换电池板,中间层是气体,下层是涂量子点材料的量子点板或导电量子点板,太阳光或太阳能聚光照射在透光光电转换电池板上进行光电转换,透过电池板的光子穿过中空腔内气体照射在量子点材料上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,再次穿过中空腔内气体照射在透光光电转换电池板上进行光电转换。
光电转换电池板是PNP组合透光电池板,即:上层是P型半导体,中间层是N型半导体,下层是P型半导体,PNP半导体材料间设电流输出导线。
量子点材料是由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒或薄膜,但不限于上述颗粒及其薄膜。
其中,薄膜包含二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO)、氧化铝(AL2O3)、氧化镁(MgO)、钛酸锶(SrTiO3)、氧化钽(Ta2O3)、二氧化钛(TiO2)、氟化镁(MgF2)、氧化锌(ZnO)、氧化铟锡(ITO)、硅(Si)组成中的一项。
量子点材料层内掺混纳米金属颗粒或量子点材料层单侧或双侧设纳米金属颗粒层,纳米金属颗粒包括:纳米金、纳米银、纳米铜、纳米镍、纳米铬、纳米铁、纳米钼、纳米锌、纳米钨及其组合。量子点材料层单侧或双侧金属颗粒层具有增益量子点材料光效功能和散热和导电功能。量子点材料层内掺混金属颗粒具有增益量子点材料光效功能和降低量子点材料热量功能。
中空量子点材料增益光电转换装置,由量子点板和中空腔隔条和光电转换电池板组成,量子点板插进中空腔隔条侧壁凹槽内或开口槽内,光电转换电池板插进中空腔隔条侧壁另一层凹槽内或开口槽内,量子点板与中空腔隔条与光电转换电池板组成的中空腔内填充气体。
中空腔内气体包括:空气、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)及其组合,中空腔内气体具有降温和光增益双重作用。
量子点材料增益光电转换方法,其特征是:太阳光或太阳能聚光照射在上层涂量子点材料的透光量子点板或透光量子点栅板上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,特定波长段能量的光子穿过中空腔内气体,照射在下层光电转换电池板上进行光电转换。
量子点材料增益光电转换方法,其特征是:太阳光或太阳能聚光照射在上层透光光电转换电池板上,透过电池板的光子穿过中空腔内气体,照射在下层透光量子点板的量子点材料上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,再次穿过中空腔内气体照射在透光光电转换电池板上进行光电转换。
量子点材料增益光电转换方法,其特征是:太阳光或太阳能聚光照射在上层透光光电转换电池板上,透过电池板的光子穿过中空腔内气体,照射在下层透光量子点板的量子点材料上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,再次穿过中空腔内气体照射在透光光电转换电池板上进行光电转换,无太阳光时,对量子点材料电极通电,电激发量子点材料发光,量子点材料发出光子穿过中空腔内气体照射在光电转换电池板上进行光电转换。
附图说明:
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1是具有本发明特征带有空气层的上层锯齿量子点材料和下层太阳能电池板光电转换装置结构简图。
图2是具有本发明特征带有空气层上层量子点材料和下层太阳能电池板光电转换装置结构简图。
图3是具有本发明特征带有空气层上层太阳能电池板和下层量子点材料光电转换装置结构简图。
图4是具有本发明特征带有空气层上层太阳能电池板和下层电激发量子点材料光电转换装置结构简图。
图5是具有本发明特征带有空气层的上层透光量子点栅板和下层太阳能电池板光电转换装置结构简图。
具体实施方式:
实施例1:
带有空气层上层锯齿量子点材料和下层太阳能电池板光电转换装置结构简图如图1所示,其中:1是中空腔铝合金隔条,2是量子点板槽,3是太阳能电池板镶嵌槽,4是隔条组角腔,5是隔条降温腔,6是反光凹面,7是量子点透光玻璃板,8是CdS或CdTe量子点光波转换层,9是CdS或CdTe量子点三角形压印,10是太阳能电池板,11是太阳能电池板上层透光防护膜,12是太阳能电池板半导体芯片组件,13是下层背板,14是密封胶,15是中空腔,16是惰性气体。
组装过程如下:将CdS或CdTe量子点材料掺入到二氧化硅溶胶体制得量子点光波转换材料,涂装在量子点透光玻璃板7表面,形成CdS或CdTe量子点光波转换层8,用预制的纳米压印模具在二氧化硅溶胶体量子点光波转换材料上压出CdS或CdTe量子点三角形压印9,量子点透光玻璃板7镶嵌进量子点板槽2内,用密封胶14将量子点透光玻璃板7与中空腔铝合金隔条1间的缝隙密封,太阳能电池板10镶嵌进太阳能电池板镶嵌槽3内,用密封胶14将太阳能电池板10与中空腔铝合金隔条1间的缝隙密封,量子点透光玻璃板7和中空腔铝合金隔条1和太阳能电池板10组合成中空腔15,中空腔15内填充惰性气体16。
使用时,太阳光或太阳能聚光照射在透光量子点板7上,CdS或CdTe量子点光波转换层8和9将太阳光或太阳能聚光宽光谱吸收和发射出510nm到800nm的窄光谱,CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的窄光谱穿过惰性气体16和太阳能电池板上层透光防护膜11照射在太阳能电池板半导体芯片组件12上进行光电转换,反光凹面6将CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的光多次反射后增强光能量,惰性气体16吸收量子点发射出510nm到800nm的光热量和通过隔条降温腔5散热,CdS或CdTe量子点通过吸收太阳光或太阳能聚光宽光谱和发射出适宜太阳能电池板半导体芯片组件12的光谱,提高太阳能电池板光电转换效能。
CdS或CdTe量子点三角形压印具有减少太阳光或太阳能聚光反射的作用,提高光子吸收数量。
实施例2:
带有空气层上层量子点材料和下层太阳能电池板光电转换装置结构简图如图2所示,其中:17是中空腔铝合金隔条,18是量子点板槽,19是太阳能电池板镶嵌槽,20是隔条组角腔,21是隔条降温腔,22是反光凹面,23是量子点透光玻璃板,24是CdS或CdTe量子点光波转换层,25是太阳能电池板,26是太阳能电池板上层透光防护膜,27是太阳能电池板半导体芯片组件,28是下层背板,29是密封胶,30是中空腔,31是惰性气体。
组装过程如下:将CdS或CdTe量子点材料掺入到二氧化硅溶胶体制得量子点光波转换材料,涂装在量子点透光玻璃板23下表面,形成CdS或CdTe量子点光波转换层24,量子点透光玻璃板23镶嵌进量子点板槽18内,用密封胶29将量子点透光玻璃板23与中空腔铝合金隔条17间的缝隙密封,太阳能电池板25镶嵌进太阳能电池板镶嵌槽19内,用密封胶29将太阳能电池板25与中空腔铝合金隔条17间的缝隙密封,量子点透光玻璃板23和中空腔铝合金隔条17和太阳能电池板25组合成中空腔30,中空腔30内填充惰性气体16。
使用时,太阳光或太阳能聚光照射在透光量子点板23上和CdS或CdTe量子点光波转换层24上,CdS或CdTe量子点光波转换层24将太阳光或太阳能聚光宽光谱吸收和发射出510nm到800nm的窄光谱,CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的窄光谱穿过惰性气体31和太阳能电池板上层透光防护膜26照射在太阳能电池板半导体芯片组件27上进行光电转换,反光凹面22将CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的光多次反射后增强光能量,惰性气体31吸收量子点发射出510nm到800nm的光热量和太阳能电池板光电转换的热量,通过隔条降温腔21散热,CdS或CdTe量子点通过吸收太阳光或太阳能聚光宽光谱和发射出适宜太阳能电池板半导体芯片组件27的光谱,提高太阳能电池板光的吸收数量,提高太阳能电池板光电转换效能。
实施例3:
带有空气层上层太阳能电池板和下层量子点材料光电转换装置结构简图如图3所示,其中:32是中空腔铝合金隔条,33是太阳能电池板镶嵌槽,34是量子点板槽,35是隔条组角腔,36是隔条降温腔,37是反光凹面,38是太阳能电池板透光玻璃板,39是上P型半导体层,40是中N型半导体层,41是下P型半导体层,42是太阳能电池板下层透光防护膜,43是CdS或CdTe量子点光波转换层,44是散热底板,45是密封胶,46是中空腔,47是惰性气体。
组装过程如下:将CdTe量子点材料掺入到二氧化硅溶胶体内和涂装在散热底板44表面,形成CdS或CdTe量子点光波转换层43,散热底板44镶嵌进下层量子点板槽34内,用密封胶45将散热底板44与中空腔铝合金隔条32间的缝隙密封,太阳能电池板透光玻璃板38镶嵌进太阳能电池板镶嵌槽33内,用密封胶45将太阳能电池板透光玻璃板38与中空腔铝合金隔条32间的缝隙密封,散热底板44和中空腔铝合金隔条32和太阳能电池板上层透光防护膜42组合成中空腔46,中空腔46内填充惰性气体47。
使用时,太阳光或太阳能聚光照射在太阳能电池板透光玻璃板38和上P型半导体层39和中N型半导体层40和下P型半导体层41上进行光电转换,转换的电通过导线输入到蓄电池储存或并网,透过P型半导体层39和中N型半导体层40和下P型半导体层41的光线穿过太阳能电池板下层透光防护膜42和惰性气体47照射在CdS或CdTe量子点光波转换层43上,CdS或CdTe量子点光波转换层43将太阳光或太阳能聚光透射光线吸收和发射出510nm到800nm的窄光谱,CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的窄光谱穿过惰性气体47和太阳能电池板下层透光防护膜42照射在下P型半导体层41和中N型半导体层40和上P型半导体层39上进行二次光电转换,反光凹面37将CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的光多次反射后增强光能量,量子点发射出510nm到800nm的光热量通过散热底板44和通过惰性气体47吸收散热,CdS或CdTe量子点发射出适宜太阳能电池板半导体芯片吸收的光谱再次提高电池板半导体芯片接收光的数量,提高太阳能电池板光电转换效能。
实施例4:
带有空气层上层太阳能电池板和下层电激发量子点材料光电转换装置结构简图如图4所示,其中:48是中空腔铝合金隔条,49是太阳能电池板镶嵌槽,50是量子点板槽,51是隔条组角腔,52是隔条降温腔,53是反光凹面,54是太阳能电池板透光玻璃板,55是上P型半导体层,56是中N型半导体层,57是下P型半导体层,58是太阳能电池板下层透光防护膜,59是上层透光栅板电极,60是CdS或CdTe量子点光波转换层,61是下层电极,62是散热底板,63是密封胶,64是中空腔,65是惰性气体。
组装过程如下:散热底板62上镀下层电极61,CdTe量子点材料掺入到二氧化硅溶胶体制得量子点光波转换材料,涂装在下层电极61表面,形成CdS或CdTe量子点光波转换层60,CdS或CdTe量子点光波转换层60上铺设上层透光栅板电极59,透光栅板电极59上设条形透光孔或点阵透光孔,散热底板62镶嵌进下层量子点板槽50内,用密封胶63将散热底板62与中空腔铝合金隔条48间的缝隙密封,太阳能电池板透光玻璃板54镶嵌进太阳能电池板镶嵌槽49内,用密封胶63将太阳能电池板透光玻璃板54与中空腔铝合金隔条48间的缝隙密封,散热底板62和中空腔铝合金隔条48和太阳能电池板上层透光防护膜58组合成中空腔64,中空腔64内填充惰性气体65。
使用时,太阳光或太阳能聚光照射在太阳能电池板透光玻璃板54和上P型半导体层55和中N型半导体层56和下P型半导体层57上进行光电转换,透过P型半导体层55和中N型半导体层56和下P型半导体层57的光线穿过太阳能电池板下层透光防护膜58和惰性气体65和上层透光栅板电极59照射在CdS或CdTe量子点光波转换层60上,CdS或CdTe量子点光波转换层60将太阳光或太阳能聚光透射光线吸收和发射出510nm到800nm的窄光谱,CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的窄光谱穿过上层透光栅板电极59和惰性气体65和太阳能电池板下层透光防护膜58照射在下P型半导体层57和中N型半导体层56和上P型半导体层55上进行二次光电转换,反光凹面53将CdS或CdTe量子点发射出510nm到800nm的光多次反射后增强光能量,量子点发射出510nm到800nm的光热量通过散热底板62和通过惰性气体65吸收散热,CdS或CdTe量子点发射出适宜太阳能电池板半导体芯片吸收的光谱再次提高电池板半导体芯片接收光的数量,提高太阳能电池板光电转换效能,夜间无太阳光时,对上层透光栅板电极59和下层电极61通电,电激发CdS或CdTe量子点光波转换层60量子点材料发光,量子点材料发出的光子穿过上层透光栅板电极59和惰性气体65和太阳能电池板下层透光防护膜58照射在下P型半导体层57和中N型半导体层56和上P型半导体层55上进行光电转换。
实施例5:
带有空气层的上层透光量子点栅板和下层太阳能电池板光电转换装置结构简图如图5所示,其中:66是中空腔铝合金隔条,67是量子点板槽,68是太阳能电池板镶嵌槽,69是隔条组角腔,70是隔条降温腔,71是反光凹面,72是量子点透光玻璃板,73是量子点栅,74是量子点缝隙,75是太阳能电池板,76是太阳能电池板上层透光防护膜,77是太阳能电池板半导体芯片组件,78是下层背板,79是密封胶,80是中空腔,81是惰性气体。
组装过程如下:将量子点材料掺入到二氧化硅溶胶体制得量子点光波转换材料,涂装在量子点透光玻璃板72表面,用激光将量子点层切割出量子点缝隙74,形成量子点栅73,透光玻璃板72镶嵌进量子点板槽67内,用密封胶79将量子点透光玻璃板72与中空腔铝合金隔条66间的缝隙密封,太阳能电池板78镶嵌进太阳能电池板镶嵌槽68内,用密封胶79将太阳能电池板78与中空腔铝合金隔条67间的缝隙密封,量子点透光玻璃板72和中空腔铝合金隔条66和太阳能电池板78组合成中空腔80,中空腔80内填充惰性气体81。
使用时,太阳光或太阳能聚光照射在透光量子点板72上,量子点栅73将太阳光或太阳能聚光宽光谱吸收和发射出510nm到800nm的窄光谱,量子点栅73发射出510nm到800nm的窄光谱穿过惰性气体81和太阳能电池板上层透光防护膜76照射在太阳能电池板半导体芯片组件77上进行光电转换,反光凹面71将量子点栅73发射出510nm到800nm的光多次反射后增强光能量,惰性气体81吸收量子点发射出510nm到800nm的光热量和通过隔条降温腔70散热,量子点栅73通过吸收太阳光或太阳能聚光宽光谱和发射出适宜太阳能电池板半导体芯片组件77的光谱,提高太阳能电池板光电转换效能。量子点缝隙74具有增益光和减少太阳光或太阳能聚光反射的作用,提高光子吸收数量。
Claims (10)
1.量子点材料增益光电转换装置包括:量子点板,量子点材料,光电转换电池板,其特征是:上层是涂量子点材料的透光量子点板或透光量子点栅板,中间层是气体,下层是光电转换电池板,太阳光或太阳能聚光照射在透光量子点板或透光量子点栅板上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,特定波长段能量的光子穿过中空腔内气体,照射在光电转换电池板上进行光电转换。
2.量子点材料增益光电转换装置包括:量子点板,量子点材料,光电转换电池板,其特征是:上层是光电转换电池板,中间层是气体,下层是涂量子点材料的量子点板或导电量子点板,太阳光或太阳能聚光照射在透光光电转换电池板上进行光电转换,透过电池板的光子穿过中空腔内气体照射在量子点材料上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,再次穿过中空腔内气体,照射在透光光电转换电池板上进行光电转换。
3.如权利要求1或2所述量子点材料增益光电转换装置,其特征是:量子点材料层内掺混纳米金属颗粒或量子点材料层单侧或双侧设纳米金属颗粒层。
4.如权利要求1或2所述量子点材料增益光电转换装置,其特征是:量子点板或量子点板涂层上用纳米压印技术压出凸凹面,凸凹面上涂量子点材料层。
5.如权利要求1或2所述量子点材料增益光电转换装置,其特征是:量子点材料是由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒或薄膜,但不限于上述颗粒或薄膜。
6.如权利要求1或2所述量子点材料增益光电转换装置,其特征是:中空腔内气体包括:空气、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)及其组合。
7.如权利要求1或2所述量子点材料增益光电转换装置,其特征是:中空量子点材料增益光电转换装置,由量子点板和中空腔隔条和光电转换电池板组成,量子点板插进中空腔隔条侧壁凹槽内或开口槽内,光电转换电池板插进中空腔隔条侧壁另一层凹槽内或开口槽内,量子点板与中空腔隔条与光电转换电池板组成的中空腔内填充气体。
8.量子点材料增益光电转换方法,其特征是:太阳光或太阳能聚光照射在上层涂量子点材料的透光量子点板或透光量子点栅板上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,特定波长段能量的光子穿过中空腔内气体,照射在下层光电转换电池板上进行光电转换。
9.量子点材料增益光电转换方法,其特征是:太阳光或太阳能聚光照射在上层透光光电转换电池板上,透过电池板的光子穿过中空腔内气体,照射在下层透光量子点板的量子点材料上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,再次穿过中空腔内气体照射在透光光电转换电池板上进行光电转换。
10.量子点材料增益光电转换方法,其特征是:太阳光或太阳能聚光照射在上层透光光电转换电池板上,透过电池板的光子穿过中空腔内气体,照射在下层透光量子点板的量子点材料上,量子点材料吸收高于其带隙能量的光子和发射出能够被电池板吸收的特定波长段能量的光子,再次穿过中空腔内气体照射在透光光电转换电池板上进行光电转换,无太阳光时,对量子点材料电极通电,电激发量子点材料发光,量子点材料发出光子穿过中空腔内气体照射在光电转换电池板上进行光电转换。
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2012
- 2012-02-20 CN CN 201210037380 patent/CN103258871A/zh active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130821 |