CN104321883A - 光伏电池及其形成方法 - Google Patents

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约尔格·霍尔泽尔
尼古拉斯·E·鲍威尔
卢瓦克·图斯
唐纳德·阿德里安·伍德
阿德里安娜·佩特科娃·赞姆博娃
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Abstract

本发明提供一种包括底部基板的光伏(PV)电池,所述底部基板包含硅并且包括上掺杂区。涂层设置于所述上掺杂区上,并且具有外表面。指状物设置于所述涂层中。每个指状物具有与所述上掺杂区电接触的下部,和通过所述外表面向外延伸的上部。每个指状物包含第一金属。汇流条与所述上掺杂区间隔开,所述上掺杂区不与所述汇流条物理接触。所述汇流条与所述指状物的所述上部电接触。所述汇流条包含第二金属和不同于所述第一金属和第二金属的第三金属。所述第三金属具有不超过约300℃的熔融温度。本发明还提供一种形成所述PV电池的方法。

Description

光伏电池及其形成方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2011年12月13日提交的美国临时专利申请No.61/569,992的权益,该临时专利申请以引用方式整体并入本文。
技术领域
本发明整体涉及光伏(PV)电池以及形成PV电池的方法。
背景技术
前表面金属化是光伏(PV)电池的重要方面,其允许收集电荷载流子并将其传输到汇流条。金属化通常是栅格形式,其包括连接至较宽汇流条的导电材料的窄线或“指状物”。将连接片(tabbing),如互联条焊接至汇流条以将多个PV电池连接在一起(如串联)。通常,栅格使用浆料形成,该浆料包括由于其优异导电性而作为主要组分的银(Ag)。遗憾的是,由于依赖于存在于PV电池的指状物和汇流条二者中的Ag,该金属化占据了大部分总制造成本。因此,仍有机会提供改善的PV电池及其形成方法。
发明内容
本发明提供光伏(PV)电池。PV电池包括包含硅的底部基板,并且包括上掺杂区。涂层设置于底部基板的上掺杂区上,并且具有外表面。多个彼此间隔开的指状物设置于涂层中。每个指状物具有与底部基板的上掺杂区电接触的下部。每个指状物还具有与下部相对的上部,所述上部通过涂层的外表面向外延伸。每个指状物包含第一金属,其大量存在于每个指状物中。汇流条与底部基板的上掺杂区间隔开。底部基板的上掺杂区不与汇流条物理接触。汇流条与指状物的上部电接触。汇流条包含大量存在于汇流条中的第二金属。汇流条还包含不同于指状物的第一金属和汇流条的第二金属的第三金属。第三金属具有不超过约300℃的熔融温度。底部基板的上掺杂区通过指状物与汇流条电连通。
本发明还提供形成本发明的PV电池的方法。该方法包括将组合物施加于指状物上部的至少一部分以形成层的步骤。底部基板的上掺杂区不与由组合物形成的层物理接触。第二金属大量存在于该组合物中。第三金属也存在于该组合物中。该方法还包括将层加热至不超过约300℃的温度以形成汇流条的步骤。底部基板的上掺杂区通过指状物与汇流条电连通。本发明的PV电池可用于将多种不同波长的光转化为电。
附图说明
参考下文的“具体实施方式”并结合附图可更好地理解本发明,从而更容易地认识本发明,附图中:
图1是PV电池实施例的前视图,该电池包括底部基板、涂层、指状物和一对汇流条;
图2是沿图1的线2-2截取的局部剖面侧视图,其示出了底部基板的上掺杂区、涂层、指状物和一个汇流条;
图3是PV电池实施例的剖面侧视图,其示出了底部基板的上和下掺杂区、涂层、指状物、汇流条和电极;
图4是PV电池实施例的局部剖面透视图,其示出了底部基板的上掺杂区、涂层、指状物和一对汇流条;
图5是PV电池的另一个实施例的局部剖面透视图,其示出了底部基板的上掺杂区、纹理化表面、涂层和一对延伸进入底部基板的指状物;
图6是示出形成PV电池的方法的实施例步骤的流程图;
图7是示出形成另一个PV电池实施例的方法的另一个实施例步骤的流程图;
图8是示出用于形成PV电池汇流条的组合物的聚合物固化和焊料流的图示;
图9是另一个PV电池实施例的局部剖面透视图,其示出了底部基板的上掺杂区、涂层、指状物、一对汇流条和一对互联条,其中一个互联条设置于一个汇流条上;
图10是PV电池实施例的示意性前视图,其包括钝化层、不连续指状物和汇流条;
图11是PV电池实施例的示意性前视图,其包括钝化层、不连续指状物、补充指状物和汇流条;
图12是PV电池实施例的示意性前视图,其包括钝化层、指状物、汇流条和补充汇流条垫;
图13是PV电池实施例的示意性前视图,其包括钝化层、指状物、一对汇流条和补充汇流条;
图14是PV电池实施例的示意性前视图,其包括钝化层、具有垫的指状物和汇流条;
图15是PV电池实施例的示意性前视图,其包括钝化层、具有中空垫的指状物和汇流条;
图16是PV电池实施例的示意性前视图,其包括钝化层、不连续指状物、补充指状物和汇流条;
图17是示出比较例和本发明例子的短路电流密度(Jsc)的盒图。
图18是示出比较例和本发明例子的开路电压(Voc)的盒图;
图19是示出比较例和本发明例子的电池效率(NCell)的盒图;
图20是示出比较例和本发明例子的效率百分比的盒图;
图21是示出比较例和本发明例子的Jsc的另一个盒图;
图22是示出比较例和本发明例子的Voc的另一个盒图;
图23是示出本发明的连接汇流条、指状物和钝化层的剖面光学显微照片(转化为绘制图的形式);
图24是示出湿热老化后比较例和本发明例子的Jsc的线图;
图25是示出湿热老化后比较例和本发明例子的Voc的线图;并且
图26是示出湿热老化后比较例和本发明例子的薄层电阻率(rs)的线图。
具体实施方式
参见附图,其中在所有几个视图中,相同的标号表示相同的部件,光伏(PV)电池实施例通常以20示出。PV电池20用于将多种不同波长的光转化为电。因此,PV电池20可用于多种应用。例如,多个PV电池20可用于太阳能模块(未示出)。太阳能模块可用于多个位置以及多种应用,例如用于住宅、商业或工业应用。例如,太阳能模块可用于发电,其可用于为电气设备(如灯和电动机)供电,或太阳能模块可用于为物体遮挡太阳光(如为停放在太阳能模块下的汽车遮挡太阳光,所述太阳能模块设置于停车位上)。PV电池20不限于任何具体类型的用途。附图未按比例绘制。因此,PV电池20的某些部件可大于或小于图中所示。
参见图1,PV电池20以具有圆角的正方形构型示出,即伪正方形。当示出该构型时,PV电池20可构造为各种形状。例如,PV电池20可为具有拐角的矩形、具有圆角或弯角的矩形、圆形等。PV电池20不限于任何具体形状。PV电池20可具有各种尺寸,例如4×4英寸(10.2×10.2cm)正方形、5×5英寸(12.7×12.7cm)正方形、6×6英寸(15.2×15.2cm)正方形等。PV电池20不限于任何具体尺寸。
参见图2,PV电池20包括底部基板22。底部基板22包含硅。硅在本领域中也称为半导体材料。可使用各种类型的硅,例如单晶硅、多晶硅、非晶硅或它们的组合。在某些实施例中,底部基板22包含晶体硅,如单晶硅。PV电池20在本领域中通常称为晶片型PV电池20。晶片为硅的薄片,所述薄片通常通过从单晶或多晶硅锭中机械锯出晶片而形成。或者,晶片可通过浇铸硅、通过外延层剥离技术、通过从硅熔体直拉硅片等形成。
底部基板22通常为平面的,但也可为非平面的。底部基板22可包括纹理化表面24。纹理化表面24用于降低PV电池20的反射率。纹理化表面24可具有各种构型,例如锥体、倒锥体、随机锥体、等方体等。纹理化的例子在图5中示出。纹理化可通过各种方法赋予底部基板22。例如,蚀刻溶液可用于纹理化底部基板22。PV电池20不限于任何具体类型的纹理化工艺。底部基板22(如晶片)可具有各种厚度,例如从约1至约1000、约75至约750、约75至约300、约100至约300或约150至约200,通常用μm作厚度单位。
底部基板22通常分为p-型或n-型硅基板(基于掺杂)。底部基板22包括上(或前侧)掺杂区26,其通常为向上/面向阳光侧。上掺杂区26在本领域中也可称为面发射极或有源半导体层。在某些实施例中,底部基板22的上掺杂区26是n-型掺杂区26(如n+发射极层),使得底部基板22的其余部分通常为p-型。在其他实施例中,底部基板22的上掺杂区26为p-型掺杂区26(如p+发射极层),使得底部基板22的其余部分通常为n-型。上掺杂区26可以具有各种厚度,例如从约0.1至约5、约0.3至约3或约0.4,通常用μm作厚度单位。可施加上掺杂区26以使得例如在“选择性发射极”技术中指状物36下的掺杂(如下所述)增加。
参见图3,底部基板22通常包括与上掺杂区26相对的下掺杂区28。下掺杂区28在本领域中也可称为背表面场(BSF)。通常,一个掺杂区,如上掺杂区26是n-型,另一个掺杂区,如下掺杂区28是p-型。也可使用相反的构造,即上掺杂区26是p-型,下掺杂区28是n-型。此类相反掺杂区26,28交接的构造在本领域中称为p-n结(J),用于光激发电荷分离,前提条件是存在至少一个阳极(p)区和一个阴极(n)区。具体地讲,当两个不同掺杂区相邻时,其间限定的边界在本领域中通常称为结。当掺杂的极性相对时,则结(J)通常称为p-n结(J)。当掺杂仅仅具有不同的浓度时,“边界”可称为界面,例如类似区之间的界面,如p和p+区之间的界面。通常如附图所示,此类结(J)可以是任选的,取决于底部基板22中所用的掺杂类型。PV电池20不限于结(J)的任何具体数量或位置。例如,PV电池20可以仅包括仅一个前面或后面的结(J)。
各种类型的掺杂剂和掺杂方法可用于形成底部基板22的掺杂区26,28。例如,扩散炉可用于形成n-型掺杂区26,28以及所得的n-p(或“p-n”)结(J)。合适气体的例子为磷酰氯(POCl3)。除磷之外或替代磷,也可使用砷形成n-型区26,28。周期表V族元素的至少一者,如硼或镓可用于形成p-型区26,28。PV电池20不限于任何具体类型的掺杂剂或掺杂过程。
底部基板22的掺杂可以各种浓度进行。例如,底部基板22可以不同的掺杂剂浓度掺杂,以实现从约0.5至约10、约0.75至约3或约1Ω·cm(Ω.cm)的电阻率。上掺杂区26可以不同的掺杂剂浓度掺杂,以实现从约50至约150、或约75至约125或约100Ω/(Ω/方块)的薄层电阻率。一般来讲,较高掺杂浓度可导致较高开路电压(Voc)和较低电阻,但较高掺杂浓度也可导致电荷复合耗尽电池性能,并且在晶体中引入缺陷区。
通常,存在设置于与上掺杂区26相对的下掺杂区28上的电极30。电极30可覆盖整个下掺杂区28或仅覆盖其一部分。如果后者,通常为钝化层(未示出),如SiNx层用于保护下掺杂区28的暴露部分,但钝化层不用于电极30和下掺杂区28的部分之间直接物理接触和电接触。电极30可采取层的形式,所述层为具有局部接触的层,或包括指状物和汇流条的接触栅格。合适构型的例子包括p-型底部构型、n-型底部构型、PERC或PERL型构型、双面BSF型构型、具有本征薄层(HIT)的异质结构型等。PV电池20不限于任何具体类型的电极30或电极构型。这些实施例的一些以及其他实施例在下文详细描述。
在下掺杂区28为p-型的实施例中,电极30通常包含周期表III族元素的至少一者,如铝(Al)。Al可用作p-型掺杂剂。例如,可将铝浆施加于底部基板22,然后焙烧形成电极30,同时还形成下p+-型掺杂区28。铝浆可通过各种方法,例如通过丝网印刷工艺施加。其他合适的方法在下文有所描述。
如图2和3中清楚示出,涂层32设置在上掺杂区26上。涂层32用于增加PV电池20的太阳光吸收,如通过降低PV电池20的反射率,以及通常通过表面和本体钝化增加晶片寿命。涂层32具有与上掺杂区26相对的外表面34。涂层32在本领域中也可称为介电钝化层或抗反射涂层(ARC)。
涂层32可由各种材料形成。在某些实施例中,涂层32包含SiOx、ZnS、MgFx、SiNx、SiCNx、AlOx、TiO2、透明导电氧化物(TCO)或它们的组合。合适的TCO例子包括掺杂金属氧化物,例如掺锡氧化铟(ITO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺铟氧化镉、掺氟氧化锡(FTO)或它们的组合。在某些实施例中,涂层32包含SiNx。由于其优异的表面钝化性质,SiNx的利用是有用的。氮化硅也用于防止PV电池20表面的载流子复合。
涂层32可由两个或更多个子层(未示出)形成,使得涂层32也可称为层叠件。此类子层可包括底部ARC(B-ARC)层和/或顶部ARC(T-ARC)层。此类子层也可称为介电层,并且由相同或不同的材料形成。例如,可存在两个或更多个SiNx子层;SiNx子层和AlOx子层;等等。
涂层32可通过各种方法形成。例如,涂层32可使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺形成。在其中涂层32包含SiNx的实施例中,硅烷、氨和/或其他前体可用于PECVD炉,以形成涂层32。涂层32可以具有各种厚度,例如从约10至约150、约50至约90或约70,通常用nm作厚度单位。足够的厚度可通过涂层材料和底部基板22的折射率确定。PV电池20不限于任何具体类型的涂覆工艺。
多个指状物36彼此间隔开,并且设置在涂层32中。每个指状物36具有与底部基板22的上掺杂区26电接触的下部38。实际电接触的下部38可以相当小,例如指状物36尖端/末端。每个指状物36还具有与下部38相对的上部40,所述上部通过涂层32的外表面34向外延伸。指状物36通常设置成栅格图案,如图1和4中清楚地示出。通常,指状物36设置成使得指状物36相对较窄,同时足够厚以使电阻损失最小化。指状物36的取向和数量可变化。
如图5中所示,在某些实施例中,指状物36向下延伸进入底部基板22。此类构型在本领域中可称为“埋栅电池”。可通过激光在底部基板22中形成沟槽,使得PV电池20在本领域中可称为激光刻槽埋栅(LGBG)PV电池20。通常,此类PV电池20包括围绕沟槽的局部“选择性发射极”层42,例如n++发射极层。除激光之外,其他方法也可用于形成沟槽,例如锯切、蚀刻等。
指状物36可以具有各种宽度,例如从约10至约200、约70至约150、约90至约120或约100,通常用μm作宽度单位。指状物36可以各种距离彼此间隔开,例如从约1至约5、约2至约4或约2.5,通常用mm作间隔单位。指状物36可以具有各种厚度,例如从约5至约50、约5至约25或约10至约20,通常用μm作厚度单位。
每个指状物36包含第一金属,其大量存在于每个指状物36中。第一金属可包括各种类型的金属。在某些实施例中,第一金属包括银(Ag)。在其他实施例中,第一金属包括铜(Cu)。所谓“大量”,通常意指第一金属是指状物36的主要组分,使得其存在量大于也可存在于指状物36中的任何其他组分。在某些实施例中,此类大量的第一金属如Ag各自基于指状物36的总重量计,通常大于约35、大于约45或大于约50重量%(wt%)。
指状物36可通过各种方法形成。合适的方法包括溅射;气相沉积;条状或块状涂层;喷墨印刷、丝网印刷、凹版印刷、凸版印刷、热敏印刷、分配或转印;压印;电镀;无电镀;或它们的组合。一种通常称为蚀刻/焙烧工艺的方法类型在下文有所描述并且在图6中示出。合适的形成指状物36的组合物在下文进一步描述。
在某些实施例中,指状物36通过电镀工艺(而不是蚀刻/焙烧工艺)形成。在这些实施例中,指状物36通常包括电镀或层叠式结构(未示出)。例如,指状物36可包括如下层中的两者或多者:镍(Ni)、Ag、Cu和/或锡(Sn)。层可为各种顺序,前提条件是Cu层(如果存在)不直接物理接触底部基板22的上掺杂区26。通常,包含Ag或除Cu之外的金属如Ni的种子层接触上掺杂区26。在某些实施例中,种子层包含硅化镍。然后,后续层设置在种子层上,形成指状物36。当指状物36包括Cu时,钝化层例如Sn或Ag设置在Cu层上,以防止氧化。在某些实施例中,指状物36的下部38包含Ni,指状物36的上部40包含Sn,并且Cu设置于Ni和Sn之间。这样,Ni、Sn以及周围涂层32保护Cu不被氧化。此类层可通过各种方法形成,例如气溶胶印刷和焙烧;电化学沉积;等。一个方法在下文有所描述并且在图7中示出。PV电池20不限于形成指状物36的任何具体类型的工艺。
汇流条44与底部基板22的上掺杂区26间隔开。如图1和4中所示,PV电池20通常具有两个汇流条44。在某些实施例中,PV电池20可具有多于两个汇流条44(未示出),例如三个汇流条44、四个汇流条44、六个汇流条44等。每个汇流条44与指状物36的上部40电接触。汇流条44用于收集来自指状物36的电流,所述指状物已收集来自上掺杂区26的电流。如图4中清楚地示出,每个汇流条44设置于涂层32的外表面34上并且围绕每个指状物36,以提供与指状物36的上部40的紧密物理接触和电接触。通常,汇流条44横跨指状物36。换句话讲,汇流条44可相对于指状物36成各种角度,包括垂直。实际物理接触/电接触的上部40可以很小,例如仅指状物36的尖端/末端。此类接触将汇流条44置于承载直接来自指状物36的电流的位置。指状物36本身与底部基板22的上掺杂区26紧密物理接触和电接触。
汇流条44可具有各种宽度,例如从约0.5至约10、约1至约5或约2,通常用mm作宽度单位。汇流条44可以具有各种厚度,例如从约0.1至约500、约10至约250、约30至约100或约30至约50,通常用μm作厚度单位。汇流条44可以各种距离间隔开。通常,汇流条44的间隔将指状物36的长度分为大约相等的区,如图1中所示。
汇流条44包含第二金属,其大量存在于汇流条44中。“第二”用于区分汇流条44的金属与指状物36的“第一”金属,并且不意指数量或顺序。第二金属可包括各种类型的金属。在某些实施例中,汇流条44的第二金属与指状物36的第一金属相同。例如,第一和第二金属均可以是Cu。在其他实施例中,汇流条44的第二金属不同于指状物36的第一金属。在这些实施例中,第一金属通常包含Ag,并且第二金属通常包含Cu。在其他实施例中,第二金属包含Ag。所谓“大量”,通常意指第二金属是汇流条44的主要组分,使得其存在量大于任何其他可能也存在于汇流条44中的组分。在某些实施例中,此类大量的第二金属如Cu各自基于汇流条44的总重量计,通常大于约25、大于约30、大于约35或大于约40wt%。
汇流条44通常还包含第三金属。第三金属不同于指状物36的第一金属。第三金属也不同于汇流条44的第二金属。通常,金属是不同的元素,而非仅仅相同金属的不同氧化状态。“第三”用于区分汇流条44的金属与指状物36的“第一”金属,并且不意指数量或顺序。第三金属在低于第一金属和第二金属熔融温度的温度下熔融。通常,第三金属具有不超过约300、不超过约275或不超过约250℃的熔融温度。此类温度用于在低温下形成汇流条44,如下文进一步描述。
在某些实施例中,第三金属包括焊料。焊料可包含各种金属或其合金。这些金属中的一种通常为锡、铅、铋、镉、锌、镓、铟、碲、汞、铊、锑、银、硒和/或两种或更多种这些金属的合金。在某些实施例中,焊料包含Sn合金,例如低共熔合金如Sn63/Pb37。在某些实施例中,焊料粉包含两种不同的合金,例如Sn合金和Ag合金,或者超过两种不同的合金。第三金属可以各种含量,通常以小于第二金属的量存在于汇流条44中。除第二和第三金属之外,汇流条44通常包含至少一种聚合物,如下面进一步描述。
如图4中清楚地示出,底部基板22的上掺杂区26不与汇流条44(直接)物理接触。具体地讲,涂层32用作汇流条44和上掺杂区26之间的“屏障”。不受任何具体理论的束缚或限制,据信出于至少两个原因,汇流条44和上掺杂区26的物理分离是有益的。第一,此类分离防止第二金属如Cu扩散进入上掺杂区26。据信防止此类扩散防止了上掺杂区26如p-n结(J)被汇流条44的第二金属分流。第二,据信此类物理分离减少了金属和硅界面处的少量载流子复合。据信通过减少金属/硅界面的面积,通常减少了由于复合导致的损失,而且开路电压(Voc)和短路电流密度(Jsc)通常也增加。由于涂层32设置于多个汇流条44和上掺杂区26之间,该面积减少,指状物36是仅有的与底部基板22的上掺杂区26接触的金属组分。PV电池20的另外实施例将马上在下文描述。
图10的PV电池20类似于图1的,但包括不连续指状物36。汇流条44设置于在指状物36之间限定的间隙47上。该间隙47可具有各种宽度,前提条件是汇流条44与指状物36电接触。指状物36可包含大量的一种金属如Ag,而汇流条44则包含另一种金属如Cu。由于具有间隙47,可减少制造成本(例如通过减少所用的Ag的总量),和/或可对粘附产生正面影响。
图11的PV电池20类似于图10的,但还包括设置于指状物36a上的补充指状物36b。补充指状物36b可包含与汇流条44相同的材料如Cu,或不同的材料。补充指状物36b和汇流条44可以是分离的(如一个位于另一个之上)或一体的。通过使用补充指状物36b,可减小指状物36a(如Ag指状物)的尺寸,从而可减少制造成本和/或提高粘附。
图12的PV电池20包括指状物36、汇流条44a以及设置于指状物36和汇流条44a上的补充汇流条垫44b。指状物36和汇流条44a可以是分离的或一体的。指状物36和汇流条44a可包含相同的多数金属如Ag,或彼此不同。汇流条垫44b可包含Cu或另一种金属,如在由本发明组合物形成时。通过利用汇流条垫44b,可减小汇流条44a(如Ag汇流条)的尺寸。
图13的PV电池20类似于图10和12的,但包括一对汇流条44a和设置于汇流条44a上的补充汇流条44b。指状物36和汇流条44a可以是分离的或一体的。指状物36和汇流条44a可包含相同的多数金属如Ag,或彼此不同。补充汇流条44b可包含Cu或另一种金属。通过利用补充汇流条44b,可减小汇流条44a的尺寸。
图14和15的PV电池20类似于图10的,但包括具有代替间隙47的垫的指状物36。带垫指状物36可帮助改善与汇流条44的电接触、粘附,同时减少所用的Ag的量并且降低制造成本。图15的指状物36具有中空垫,即内部间隙47,其可减少制造成本,并且对粘附产生正面影响。汇流条44的一部分可设置于中空带垫指状物36的间隙47中。
图16的PV电池20类似于图10的,但包括不连续指状物36a,其上设置有补充指状物36b。不连续指状物36a可为各种形状,例如矩形、正方形、点或它们的组合。可对此类指状物36a进行电镀、印刷或以另一种方式形成。多个间隙47由不连续指状物36a限定。补充指状物36b和汇流条44可以是分离的或一体的。通过利用不连续指状物36a和补充指状物36b,可降低制造成本。不连续指状物36a通常接触发射极26,而补充指状物36b和汇流条44承载电流。
本发明还提供形成PV电池20的方法。该方法包括将组合物施加于指状物36的上部40以形成层44”的步骤。如本文所用,引号(”)通常表示相应组分的不同状态,例如在固化前,在烧结前等。组合物可通过各种方法施加,如上所述。在某些实施例中,组合物印刷于指状物36的上部40的至少一部分上,以形成层44”。可利用各种类型的沉积方法,例如通过丝网或模版或其他方法印刷,例如气溶胶、喷墨、凹版或胶版印刷。在某些实施例中,组合物直接丝网印刷在涂层32的部分和指状物36的上部40上。
如图6和7中所示,底部基板22的上掺杂区26不与层44”(直接)物理接触。该组合物可施加于涂层32并且围绕每个指状物36,以使得指状物36的上部40与层44”直接物理接触和电接触。
如上所述,用于形成层44”(最终为汇流条44)的组合物包含大量存在于组合物中的第二金属。此类含量如上所述。通常,第二金属是Cu。组合物还包含第三金属。通常,第三金属是焊料,如Sn63Pb37。组合物通常不含能够蚀刻到覆盖层中的组分,如烧结玻璃,使得覆盖片不被组合物蚀刻。
各种类型的铜浆可用作组合物以形成层44”。在某些实施例中,组合物包含作为第二金属的铜粉,以及作为第三金属的焊料粉。焊料粉在低于铜粉熔融温度的温度下熔融。组合物还包含聚合物,或可聚合产生聚合物的单体。聚合物通常是热固性树脂,例如环氧树脂、丙烯酸树脂、硅树脂、聚氨酯或它们的组合。组合物还可包含聚合物的交联剂和/或促进聚合物交联的催化剂。交联剂可选自羧化聚合物、二聚脂肪酸和三聚脂肪酸。组合物也可包括调节流变性的溶剂。也可包括其他添加剂,例如二羧酸和/或单羧酸、增粘剂、消泡剂、填料等。用作组合物的合适铜浆及其组分的另外例子在授予Craig的美国专利No.7,022,266和授予Craig等人的美国专利No.6,971,163中有所公开,两个专利在它们不与本发明的一般范围冲突的范围内全文均以引用方式并入本文。
该方法还包括将层44”加热至不超过约300℃的温度以形成汇流条44的步骤。加热在图6和7中以垂直波浪线表示。层44”通常加热至从约150至约300、约175至约275、约200至约250或约225℃的温度。在某些实施例中,层44”在约250℃或更低温度下加热,以形成汇流条44。此类温度通常烧结层44”中的第三金属(如焊料),但不烧结层44”中的第二金属(如Cu),以形成汇流条44。此类加热在本领域中也可称为回流或烧结。
参见图8,据信焊料48”粒子烧结,并且在层44”的加热期间涂覆Cu46粒子,以形成汇流条44。同时在此期间,聚合物45”可丧失挥发性,并且交联成最终固化状态45。此类涂覆使得涂覆Cu46的焊料能够承载PV电池20的电流,并且也可防止Cu46的氧化。由于温度较低,Cu46基于其具有约1000℃的熔融温度,通常在加热期间不烧结。该加热步骤的低温通常允许使用温敏底部基板22,如非晶硅。
层44”可加热不同量的时间,以形成汇流条44。通常,层44”仅加热汇流条44形成所需的时间段。此类时间可通过常规实验确定。惰性气体如氮气(N2)覆盖层可用于防止涂覆焊料48”之前Cu46的过早氧化。不必要地对汇流条44长时间过度加热可损坏PV电池20的上掺杂区26或其他组件,包括汇流条44。
参见图6,在一个实施例中,在形成汇流条44之前,该方法包括将涂层组合物施加于底部基板22的上掺杂区26以形成涂层32的步骤。涂层组合物可包含各种组分,例如适于形成上述涂层32的那些。涂层组合物可通过各种方法施加,如上所述。例如,可使用PECVD工艺。在其中涂层32包含SiNx的实施例中,硅烷、氨和/或其他前体可用于PECVD炉,以形成涂层32。
该方法还包括将金属组合物以对应于要形成的指状物36的指状物图案施加于涂层32的部分的步骤。如图6中所示,每个指状物图案36”具有与涂层32接触的其下部38”以及施加后与涂层32间隔开的其上部40”。金属组合物可通过各种方法施加,如上所述。在某些实施例中,金属组合物印刷于涂层32的部分上,以形成指状物图案36”。可使用各种类型的印刷方法,例如丝网、模版、气溶胶、喷墨、凹版或胶版印刷。在某些实施例中,金属组合物直接丝网印刷于涂层32上,以形成指状物图案36”。在其他实施例中,金属组合物电化学沉积于涂层32的部分上,以形成指状物图案36”。其他合适的方法在上文有所描述。
金属组合物包含大量存在于金属组合物中的第一金属。此类含量如上所述。通常,第一金属是Ag。金属组合物通常包括蚀刻到涂层32中的一种或多种组分。此类组分通常包括烧结的含铅玻璃。除含铅玻璃之外或替代含铅玻璃,也可使用其他组分,例如无铅或低铅玻璃。
各种类型的烧结银浆可用作金属组合物。此类浆料通常包括有机载体。在高温加工或“焙烧”下,有机载体被烧掉并从本体组合物中移除。Ag粒子分散于整个载体中。可包括溶剂以调节浆料的流变性。烧结浆料包括玻璃料,其通常包含PbO、B2O3和SiO2。该方法不限于任何具体的烧结银浆,前提条件是该浆料可通过覆盖片在高温下蚀刻,如下所述。合适的烧结银浆的例子可从俄亥俄州梅菲尔德高地福禄公司(Ferro of MayfieldHeights,OH)和宾夕法尼亚州西康舍霍肯贺利氏材料技术有限责任公司(Heraeus Materials Technology,LLC of West Conshohocken,PA)商购获得。
该方法还包括加热指状物图案36”以形成指状物36的步骤。指状物图案36”通常加热至从约250至约1000、从约500至约900或约720℃的温度。此类温度通常以指状物图案36”烧结第一金属,以形成指状物36。该加热步骤通常在相对于用于形成汇流条44的加热步骤更高的温度下进行。此外,玻璃料允许指状物图案36”通过涂层32在冷却、相分离时蚀刻。这允许指状物36直接电接触底部基板22的上掺杂区26。此类加热在本领域中也可称为焙烧。
指状物图案36”可加热不同量的时间以通过涂层32蚀刻。通常,指状物图案36”仅加热指状物36均匀接触上掺杂区26所需的时间段。此类时间可通过常规实验确定。不必要地对指状物36长时间过度加热可损坏PV电池20的上掺杂区26或其他组件。在加热指状物图案36”使得它们可通过涂层32蚀刻后,该方法还包括将组合物施加于指状物36的上部40的至少一部分以形成层44”的步骤,如上所述。
参见图7,在其他实施例中,指状物44以与上述实施例所述不同的方式形成。涂层32可以如上所述形成。在形成涂层32后,在其中形成孔52。孔52可通过各种方法形成,例如激光烧蚀、化学蚀刻、物理蚀刻等。此类蚀刻不同于上述指状物36“蚀刻”。然后指状物36在孔52中形成。这些指状物36通常为上述电镀指状物36。指状物36可通过将各种金属沉积于孔52中而形成。可使用各种工艺,并且不同的工艺可用于指状物36的每个层。电化学镀层工艺可用于形成孔52中的层。通常,此类工艺不需要上述单独的加热/焙烧步骤。在形成指状物36后,该方法还包括将组合物施加于指状物36的上部40的至少一部分以形成层44”的步骤,如上所述。
汇流条44是可直接焊接的,其可用于将多个PV电池20连接在一起,例如将互联带或互连件附接到PV电池20的汇流条44。换句话讲,通常不存在需要在直接焊接于其上之前从汇流条44移除的顶涂层、保护层或最外层。这减少了制造时间、复杂性和成本。例如,连接片50可直接焊接至汇流条44,无需采取附加步骤。在某些实施例中,除此之外可添加助熔步骤。通常,如果焊料可在加工后在表面上润湿,则表面是可直接焊接的。例如,如果可将线直接焊接至基板(在商业上合理的时间范围内并且通常使用施加的助焊剂),可使用镀锡焊铁将焊料层置于汇流条上,或仅加热基板并查看润湿电极表面的焊料,则材料将为可直接焊接的。在非可焊接系统的情况下,即使在施加助焊剂和大规模加热后,焊料也不润湿表面,并且无焊点可形成。通过使用汇流条44和连接片,可有效收集来自指状物36的电流。如上所述,PV电池20可用于各种应用。
参见图9,连接片50设置于汇流条44上。在某些实施例中,连接片50可直接焊接至PV电池20的汇流条44。在其他实施例中,另外的焊料(未示出)可用于汇流条44和连接片50之间。助焊装置可用于帮助焊接,例如助焊笔或助焊床。连接片50本身也可包括助焊剂,例如Sn或Sn合金和助焊剂。连接片50可由各种材料形成,例如Cu、Sn等。此类连接片50可用于连接一系列PV电池20。例如,PV电池模块(未示出)可包括多个PV电池20。连接片50,如互联带通常与PV电池20的汇流条44物理接触,以便串联电连接PV电池20。连接片50在本领域中也可称为互连件。PV模块也可包括其他组件,例如接合层、基板、覆板和/或提供强度和稳定性的另外材料。在多个应用中,对PV电池20进行封装以提供额外的保护,使其免受环境因素(例如风雨)的侵害。
各种类型PV电池20的另外实施例利用本发明的组合物形成一个或多个结构/组件,例如导体、电极和/或由本发明组合物形成的汇流条,这些实施例在与本专利申请同时提交、共同待审的PCT专利申请No.______(代理人案卷号DC11370PSP1;071038.01091)中有所描述,其全部公开内容在其不与本发明的一般范围冲突的范围内以引用方式并入。
在上述实施例和本文所述的其他实施例中,本发明组合物通常包含:金属粉;焊料粉,其具有比金属粉的熔融温度低的熔融温度;聚合物;羧化聚合物,其不同于用于金属粉助焊和聚合物交联的聚合物;二羧酸,其用于金属粉助焊;以及单羧酸,其用于金属粉助焊。该组合物任选地还可包含添加剂,例如溶剂和/或增粘剂。
金属粉可包含铜,并且焊料粉可具有不超过约300℃的熔融温度。焊料粉可包含锡-铋(SnBi)合金、锡-银(SnAg)合金或它们的组合中的至少一种。在具体实施例中,焊料粉包含如下锡(Sn)合金中的至少一种,并且不超过0.5重量%(wt%):汞、镉和/或铬;和/或铅。
在各种实施例中,金属和焊料粉共同以从约50至约95wt%的量存在;金属粉以从约35至约85wt%的量存在;和/或焊料粉以从约25至约75wt%的任何量存在;各自基于组合物的总重量计。
聚合物可包含环氧树脂,并且羧化聚合物可包含丙烯酸聚合物,例如苯乙烯-丙烯酸共聚物。在各种实施例中,聚合物和羧化聚合物共同以从约2.5至约10wt%的量存在;聚合物以从约0.5至约5wt%的量存在;和/或羧化聚合物以从约1至约7.5wt%的量存在;各自基于组合物的总重量计。在某些实施例中,聚合物和羧化聚合物的重量比为从约1:1至约1:3(聚合物:羧化聚合物)。
二羧酸可以是十二烷二酸(DDDA),并且单羧酸可以是新癸酸。在各种实施例中,二羧酸以从约0.05至约1wt%的量存在;和/或单羧酸以从约0.25至约1.25wt%的量存在;各自基于组合物的总重量计。这些组合物的另外方面可参考共同待审的专利申请理解。
以下说明PV电池20和本发明方法的实例是旨在说明而非限制本发明。每个用于形成组合物的组分的量和类型在下表1至3中示出,除非另外指明,否则所有值基于各自组合物的总重量计,单位为wt%。
表1
第二金属1  是铜粉,可从日本三井矿业冶炼公司(Mitsui Mining&Smelting Co.of Japan)商购获得。
第二金属2  是常规银粉,可从福禄公司(Ferro)商购获得。
第三金属1  是Sn42/Bi58合金,具有约221℃的熔融温度,可从美国铟泰科技公司(Indium Corporation of America)商购获得。
第三金属2  是Sn63/Pb37合金,具有约183℃的熔融温度。
第三金属3  是Sn96.5/Ag3.5合金,具有约221℃的熔融温度,可从美国铟泰科技公司(Indium Corporation of America)商购获得。
聚合物1  是包含表氯醇和双酚A的反应产物的固体环氧树脂,并且具有500-560g/eq的环氧当量(EEW),可从密歇根州米德兰市的陶氏化学公司(Dow Chemical of Midland,MI)商购获得。
聚合物2  是硅树脂,可从密歇根州米德兰市的道康宁公司(DowCorning Corp.of Midland,MI)商购获得。
聚合物3  是固体上的具有约238的酸值的低分子量苯乙烯-丙烯酸共聚物,可从新泽西州弗伦翰公园的巴斯夫公司(BASF Corp.of Florham Park,NJ)商购获得。
聚合物4  是聚氨酯树脂,可从巴斯夫公司(BASF Corp.)商购获得。
添加剂1  是单萜醇,可从伊利诺伊州芝加哥西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich of Chicago,IL)商购获得。
添加剂2  是二溴化苯乙烯,可从西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich)商购获得。
添加剂3  是十二烷二酸,可从西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich)商购获得。
添加剂4  是丙二醇,可从西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich)商购获得。
添加剂5  是新癸酸,可从伊利诺伊州卡彭特斯维尔瀚森特种化学品公司(Hexion Specialty Chemicals of Carpentersville,IL)商购获得。
添加剂6  是苄醇,可从西格玛奥德里奇公司(Sigma Aldrich)商购获得。
添加剂7  是钛酸盐增粘剂,可从肯瑞奇石油化工有限公司(KenrichPetrochemicals Co.)商购获得。
添加剂8  是包含2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷的硅烷增粘剂,可从道康宁公司(Dow Corning Corp.)商购获得。
添加剂9  是丁基卡必醇,可从陶氏化学公司(Dow Chemical)商购获得。
表2
表3
制备一系列5英寸(12.7cm)单晶硅电池(晶片),用于施加银和铜浆。浆料根据上述实例制备。每种浆料用1重量%丁基卡必醇稀释,以改善印刷流变性。每种浆料印刷于晶片上,通过得自赛发(Sefar)的汇流条筛(不锈钢筛325或165目,12.7μm乳剂厚度(PEF2),筛孔旋转22°或45°)形成Cu汇流条。印刷使用AMI丝网印刷机对平台上的200μm空白晶片在~0.68kg下压力进行。印刷速度在采用印刷-印刷模式时设置在3-5英寸/秒之间。印刷晶片并使其通过BTU Pyramax N2回流焊炉。
确定Cu汇流条在湿热(DH;85℃,85%相对湿度)老化条件下的耐用性。硅上Cu汇流条的未封装印刷用于监测Cu体电阻率(ρ)。连接片/Cu汇流条的质量也利用TLM方法使用接触电阻率(ρc)监测。在实例5中,在暴露至DH 1000小时后,未观察到Cu汇流条相对于Ag汇流条的降解。
电流-电压(I-V)测量使用闪点测定仪(PSS10II)进行。与对比的Ag汇流条相比,根据实例5的Cu汇流条显示出Voc和Jsc的增加。具体地讲,相对于包括Ag汇流条的电池,包括Cu汇流条的电池显示出Voc和Jsc的显著增加。所述增加通常对应于Voc和Jsc分别相对增加0.6%和2.59%。据信所述增加归因于金属/硅接触面积的减少,如上所述。
另一批丝网印刷Al BSF晶片使用背面接触垫制备。该晶片包括前Ag和前Cu印刷,背面均为Ag汇流条。Cu汇流条根据上述实例5使用Cu浆印刷。电池手工连接,并且在封装之前测试。电池可使用典型的工业连接片连接。在这些例子中,连接可使用390℃下的焊铁和助焊剂手工进行。测量前栅极电阻,以与I-V和Suns Voc一起确定电池和金属化的质量。测量结果在图17至19中示出。该批示出了增加的Voc和Jsc,也归因于金属/硅接触面积的减小。
参见图20,其描述了示出比较例和本发明PV电池的效率百分比的盒图,而图21示出了实例的Jsc,并且图22示出了实例的Voc。具体地讲,测量样品的IV数据。Ag实例为149-1至149-15,Cu F实例为149-A至149-S。还示出了平均值。比较例和本发明实例与上文在前面实例附图中所述相同。从数据清晰地示出,本发明Cu汇流条的使用显著提高电池性能。所述提高据信来自金属/硅界面面积减少以及高温焙烧Ag金属化点减少产生的复合减少。
图23是剖面光学显微照片,其示出了本发明的连接汇流条。具体地讲,Cu汇流条印刷在SiNx钝化层顶部上以及Ag指状物顶部上,随后被连接。本发明组合物的各种组分在剖面中示出。其示出了结合到连接件/汇流条和汇流条/指状物的直接焊料,以及Cu汇流条和基板之间的粘附接触。
图24是示出湿热老化后比较例和本发明PV电池例子的Jsc的线图。图25是示出湿热老化后比较例和本发明PV电池的Voc的线图,图26是示出湿热老化后比较例和本发明PV电池例子的薄层电阻率(rs)的线图。从这些图中可清晰地看出Cu浆在腐蚀条件下不会使性能下降。
上述数值中的一个或者多个可变化±5%、±10%、±15%、±20%、±25%等,只要差异保持在本发明的范围之内。可以从独立于所有其他成员的马库什(Markush)组的每个成员中获得意料不到的结果。每个成员可以被单独地和/或组合地依赖,并且为所附权利要求的范围内的具体实施例提供足够的支持。本文明确设想到独立权利要求和从属权利要求(单项从属和多项从属)的所有组合的主题。本公开的说明文字是示例性的,而不是限制性的。按照上述教导内容,本发明的许多修改形式和变型形式是可能的,并且本发明可以不按具体描述那样实施。

Claims (20)

1.一种光伏电池,其包括:
底部基板,其包含硅并且包括上掺杂区;
涂层,其设置于所述底部基板的所述上掺杂区上并且具有外表面;
多个彼此间隔开并且设置于所述涂层中的指状物,并且每个所述指状物具有与所述底部基板的所述上掺杂区电接触的下部,和与所述下部相对的上部,所述上部通过所述涂层的所述外表面向外延伸,其中每个所述指状物包含大量存在于每个所述指状物中的第一金属;以及
汇流条,其与所述底部基板的所述上掺杂区间隔开,使得所述底部基板的所述上掺杂区不与所述汇流条物理接触,其中所述汇流条与所述指状物的所述上部电接触,并且包含大量存在于所述汇流条中的第二金属;
其中所述汇流条还包含不同于所述指状物的所述第一金属和所述汇流条的所述第二金属的第三金属,其中所述第三金属具有不超过约300℃的熔融温度;并且
其中所述底部基板的所述上掺杂区通过所述指状物与所述汇流条电连通。
2.一种光伏电池,其包括:
底部基板,其包含硅并且包括上掺杂区;
涂层,其设置于所述底部基板的所述上掺杂区上并且具有外表面;
多个彼此间隔开并且设置于所述涂层中的指状物,并且每个所述指状物具有与所述底部基板的所述上掺杂区电接触的下部,和与所述下部相对的上部,所述上部通过所述涂层的所述外表面向外延伸,其中每个所述指状物包含大量存在于每个所述指状物中的第一金属;并且
汇流条,其与所述底部基板的所述上掺杂区间隔开,使得所述底部基板的所述上掺杂区不与所述汇流条物理接触,其中所述汇流条与所述指状物的所述上部电接触,并且包含大量存在于所述汇流条中的第二金属;
其中所述汇流条在不超过约300℃的温度下由包含所述第二金属的组合物形成,并且使所述汇流条能够在所述温度下形成;并且
其中所述底部基板的所述上掺杂区通过所述指状物与所述汇流条电连通。
3.一种光伏电池,其包括:
底部基板,其包含硅并且包括上掺杂区;
涂层,其设置于所述底部基板的所述上掺杂区上并且具有外表面;
多个设置于所述涂层中的指状物,并且每个所述指状物具有与所述底部基板的所述上掺杂区电接触的下部,和与所述下部相对的上部,所述上部通过所述涂层的所述外表面向外延伸,其中每个所述指状物包含大量存在于每个所述指状物中的第一金属;并且
汇流条,其与所述底部基板的所述上掺杂区间隔开,使得所述底部基板的所述上掺杂区不与所述汇流条物理接触,其中所述汇流条与所述指状物的所述上部电接触,并且包含大量存在于所述汇流条中的第二金属;
其中所述指状物的所述第一金属不同于所述汇流条的所述第二金属。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述底部基板还包括与所述上掺杂区相对的下掺杂区。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述汇流条设置于所述涂层的所述外表面上并且围绕每个所述指状物,以与所述指状物的所述上部物理接触和电接触,其中所述涂层设置于所述汇流条和所述底部基板的所述上掺杂区之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述底部基板的所述上掺杂区是n-型掺杂区或p-型掺杂区。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述涂层包含SiOx、ZnS、MgFx、SiNx、SiCNx、AlOx、TiO2、透明导电氧化物(TCO)或它们的组合。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述指状物的所述第一金属包括银或铜,所述汇流条的所述第二金属包括铜或银,并且所述汇流条的所述第三金属包括焊料。
9.一种光伏电池,其包括:
底部基板,其包含硅并且包括:
选自n-型掺杂区或p-型掺杂区的上掺杂区,以及
与所述上掺杂区相对的下掺杂区;
设置于所述底部基板的所述上掺杂区上并且具有外表面的涂层,其中所述涂层包含SiOx、ZnS、MgFx、SiNx、SiCNx、AlOx、TiO2、透明导电氧化物(TCO)或它们的组合;
多个彼此间隔开并且设置于所述涂层中的指状物,并且每个所述指状物具有与所述底部基板的所述上掺杂区电接触的下部,和与所述下部相对的上部,所述上部通过所述涂层的所述外表面向外延伸,其中每个所述指状物包含大量存在于每个所述指状物中的银或铜;以及
汇流条,其与所述底部基板的所述上掺杂区间隔开,使得所述上掺杂区不与所述汇流条物理接触,其中所述汇流条与所述指状物的所述上部电接触,并且包含大量存在于所述汇流条中的铜以及焊料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述指状物的所述第一金属是银,并且所述汇流条的所述第二金属是铜。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述焊料包含锡合金。
12.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述汇流条由组合物形成,所述组合物包含:
作为所述第二金属的铜粉,
作为所述第三金属的焊料粉,其在低于所述铜粉的温度下熔融,以及
聚合物。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,其中所述汇流条可直接焊接。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,还包括多个补充指状物,所述补充指状物设置于所述多个指状物上并且与所述多个指状物电接触,其中每个所述补充指状物包含大量存在于每个所述补充指状物中的银或铜,并且其中所述补充指状物不同于所述多个指状物。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,还包括补充汇流条,所述补充汇流条设置于所述汇流条上并且与所述汇流条电接触,并且其中所述补充汇流条不同于所述汇流条。
16.一种光伏电池模块,其包括多个根据前述权利要求中任一项所述的光伏电池,并且还包括至少一个与所述光伏电池的所述汇流条物理接触的互联带,使得所述光伏电池通过所述互联带彼此电连通。
17.一种形成光伏电池的方法,所述光伏电池包括包含硅并且包括上掺杂区的底部基板,设置于所述上掺杂区上的涂层,彼此间隔开并且设置于所述涂层中并且与所述底部基板的所述上掺杂区电接触并且包含大量存在于每个指状物中的第一金属的多个指状物,以及与所述上掺杂区间隔开并且与所述指状物电接触的汇流条,所述方法包括如下步骤:
将组合物施加于所述指状物的所述上部的至少一部分以形成层,使得所述底部基板的所述上掺杂区不与所述层物理接触,所述组合物包含大量存在于所述组合物中的第二金属以及第三金属;以及
加热所述层至不超过约300℃的温度,以形成所述汇流条;
其中所述汇流条的所述第三金属不同于所述指状物的所述第一金属和所述组合物的所述第二金属;并且
其中所述底部基板的所述上掺杂区通过所述指状物与所述汇流条电连通。
18.根据权利要求17所述的方法,其中所述指状物的所述第一金属包括银或铜,所述组合物的所述第二金属包括铜或银,并且所述组合物的所述第三金属包括焊料。
19.根据权利要求17或18所述的方法,其中施加所述组合物还定义为将所述组合物印刷于所述指状物的所述上部,以限定所述汇流条。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的方法,其中所述组合物包含:
作为所述第二金属的铜粉,
作为所述第三金属的焊料粉,其在低于所述铜粉熔融温度的温度下熔融,以及
聚合物。
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