CN106892567A - 一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉及其制备方法，该玻璃粉为低熔性玻璃粉，其中各组分的重量百分比如下：PbO：10～72％、TeO2：20～50％、SiO2：2～20％、B2O3：3～20％、R2O：1～5％、TiO2：0.5～10％、V2O5：0.4～10％、ZnO：1～20％、P2O5：0.1～10％，其中，所述R2O为含有Li、Na或K的金属氧化物中的一种或几种的混合物，在保证不影响玻璃粉性能的前提下，减少了玻璃粉的原料成本。该玻璃粉是通过将按比例称取的原料进行混合球磨制得，该玻璃粉粒径较细且均匀，具有成本低廉、熔点低、玻璃化转变温度适宜等优点，大大增加了玻璃粉的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉及其制备方法，属于太阳能电池材料技术领域。
背景技术
晶体硅太阳能电池常用的浆料就是银导电浆料，银电极通常是用丝网印刷的方法制成，相比于其他技术(如蒸发和电镀技术等)具有成本低、效益高的优势且更适合于工业化生产。晶体硅太阳能电池所用的正面银浆主要包含三个组成部分：导电功能相(银粉)、无机粘结相(玻璃粉)、有机载体(树脂粘结剂)。
作为电极浆料的粘结相，玻璃粉的性能直接决定了浆料烧结完成后能否与硅基片形成良好的电化学接触。通过研究太阳能电池电子浆料用玻璃粉的相关性质，可以发现玻璃粉的软化温度是衡量玻璃粉性能的一个重要指标。若软化点温度较低且低于400℃时，在高温烧结过程中玻璃粉就会过早的开始软化，p-n结就容易被击穿，浆料烧结膜和硅基片就不能很好的接触，会导致整个电极电性能附着力不好；而当软化点温度较高且大于600℃时，在高温烧结过程中玻璃粉不容易发生熔融，因此玻璃粉在烧结时就不能和SiNx减反射膜反应并穿透其与硅接触，从而也会导致浆料烧结膜的附着力降低。而不合适的玻璃粉组成配方势必会影响玻璃粉的最终性能，而烧结温度及球磨时间随之带来的能耗成本问题也是不容忽视的，因此必须要选用比较合适的玻璃粉组成以及适当的烧结温度和球磨处理方法，使制备出的玻璃粉混到浆料中既能够保证导电粒子与硅基板有较好的电学接触，又能够从节约能耗的角度达到利益最大化。
Kenneth Warren Hang(US20130049148A1)等人介绍了一种导电银浆，该银浆中的玻璃粉是以Pb-Te-O为主要原料，后续又加入近几十种氧化物原料进行性能方面的调整导致制备工艺太过于繁琐，且该玻璃粉原料大都采用纯净氧化物或氟化物也会在一定程度上使得生产成本较高。申请号CN105271781A公布了一种Ca-B-Si系低温共烧导电银浆用无铅玻璃粉，烧结温度过高达到1300℃以上无疑会增加能耗，且该玻璃粉存在软化点温度过高、球磨时间长及粒径较大等缺点。申请号CN103435265A公布了一种Pb-B-Si-Al系正面银浆用玻璃粉，通过调节Pb-B、Pb-Si比例得到性能较好的玻璃粉，且发现Tg在400～420℃之间时最终太阳能电池转换效率及电阻值更佳，但该玻璃粉也存在烧结温度即玻璃粉熔点过高的缺点。申请号CN103992038A公布了一种Pb-Bi-Te-Zn系玻璃粉，加入二氧化碲和磷酸锌调节使得玻璃粉润湿性能增加且更有利于形成良好的欧姆接触，但该玻璃粉的软化点温度相对较低，而且玻璃粉球磨时间较长增加能耗。公开号CN102898028B公开了一种Pb-Bi-B-Si系玻璃粉，采用气流磨将玻璃粉进行粉碎得到玻璃粉粒径为2～9μm，粒径过大使得比表面积较小进而也会使活性降低影响玻璃粉的性能。综上可知，目前的玻璃粉主要存在的问题就是成本较高、熔点高导致的烧结温度过高、玻璃软化点及玻璃化转变温度过高或过低、球磨能耗高及玻璃粉粒径过大且不均匀等。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉及其制备方法，致力于解决玻璃粉烧结温度过高、玻璃化转变温度较高或过低、球磨时间长且粒径不均匀等问题。
技术方案：本发明提供了一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉，该玻璃粉为低熔性玻璃粉，其中各组分的重量百分比如下：
所述R2O为含有Li、Na或K的金属氧化物中的一种或几种的混合物。
其中：
所述玻璃粉的各组分的优选重量百分比如下：
所述R2O为含有Li、Na或K的金属氧化物中的一种或几种的混合物。
所述玻璃粉的平均粒径为1.5～2.5μm，所述玻璃粉的玻璃化转变温度为280～550℃。
本发明还提供了一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的制备方法，包括以下步骤：
1)按各组分配比称取原料，充分研磨搅拌混合均匀，得到混合料，其中R2O通过Li、Na或K的碳酸盐引入，B2O3通过H3BO3的形式引入，ZnO和P2O5通过Zn3(PO4)2·4H2O的形式引入；
2)将步骤1)得到的混合料置于坩埚中，然后放于马弗炉中加热升温至800～1000℃，保温0.5～2h得到玻璃熔融液；
3)将步骤2)得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃碎片颗粒干燥；
4)将步骤3)得到的干燥后的玻璃颗粒进行研磨，之后过筛网，得到玻璃粉粗粉；
5)将步骤4)得到玻璃粉粗粉以无水乙醇作为球磨介质进行球磨，所用研磨球为三种不同直径的球体的混合物，且直径大小为4～12mm，将球磨后得到的玻璃浆液进行静置分层和过滤烘干，得到所述晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉。
其中：
步骤1)中所述的原料均为分析纯；
步骤2)中所述的坩埚均为刚玉氧化铝坩埚；
步骤3)中所述的将玻璃碎片颗粒干燥是指在鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为70～130℃，干燥时长为1～3h；
步骤4)中所述的研磨为手动研磨；
步骤5)所述的过滤烘干是指在真空干燥箱内烘干，烘干温度为40～55℃，时长为8～14h。
当步骤4)所述的筛网为80～120目筛网时，步骤5)所述球磨具体步骤如下：
①将过滤80～120目筛网得到粒径为100～220μm的玻璃粉粗粉装入球磨罐中进行球磨，其中球磨介质为无水乙醇，研磨球为三种不同直径的球体的混合物，且直径大小为4～12mm，球磨时间为2～7h，转速为250～350r/min，球磨后得到玻璃浆液，然后将玻璃浆液静置2～5h，取下层沉淀分散在乙醇中得到玻璃分散液；
②将步骤①得到的玻璃分散液过滤，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中进行干燥，之后进行第二次球磨，球磨时间为2～5h，转速为350～450r/min，球磨后得到玻璃浆液静置2～5h分层、下层沉淀过滤后烘干得到所述晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉。
步骤①所述的球磨为行星式球磨，其中球料比为2∶1～4∶1，固液比为1∶0.6～1∶1.0，研磨球中不同直径大小球体之间的级配为大∶中∶小＝1∶1∶1～16∶4∶1。
步骤②所述的第二次球磨为行星式球磨，其中球料比为2∶1～5∶1，固液比为1∶0.6～1∶1.0，研磨球中不同直径大小球体之间的级配为大∶中∶小＝1∶1∶1～9∶3∶1。
步骤②所述的将步骤①得到的玻璃分散液过滤是指用超滤瓶进行过滤。
当步骤4)所述的筛网为325～500目筛网时，步骤5)所述球磨的具体步骤如下：将过滤325～500目筛网得到粒径为30～90μm的玻璃粉粗粉装入球磨罐中进行球磨，其中球磨介质为无水乙醇，研磨球为三种不同直径的球体的混合物，且直径大小为4～12mm，球磨时间为3～8h，转速为350～450r/min，球磨后得到玻璃浆液，然后将玻璃浆液静置2～5h，将下层沉淀分散在乙醇中得到玻璃分散液，之后过滤玻璃分散液，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中进行干燥，得到所述晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉；其中所述的球磨为行星式球磨，其中球料比为2∶1～5∶1，固液比为1∶0.6～1∶1.0，研磨球中不同直径大小球体之间的级配为大∶中∶小＝1∶1∶1～9∶3∶1。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的玻璃粉具有成本低廉、较低的熔点、适宜的玻璃化转变温度、熔融状态下对硅基板有较好的润湿性能、能够穿透减反射膜与硅基板形成良好的欧姆接触，且通过优化球磨工艺采用分级球磨能够有效控制玻璃粉粒径从而得到粒径较细且均匀的玻璃粉，同时大大增加了玻璃粉的利用率。
附图说明
图1是实施例1～6制得的晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的DSC测试对比图；
图2是实施例1～6制得的晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的XRD测试对比图；
图3是实施例6中过100目筛网的玻璃粉粗粉球磨前后SEM测试图；
图中：a表示球磨前玻璃粉粉粗，b表示第一次球磨后玻璃粉；c表示第二次球磨后玻璃粉。
具体实施方式
下面通过实施例来对本发明作进一步详细描述，但以下所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，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。本发明所采用实施例的玻璃粉原料的百分含量配比列于表1中，制得玻璃粉的物理性能测试结果也列于表1中。
实施例1
按表1实施例1中成分配比称取配料100g，充分研磨搅拌混合均匀置于刚玉氧化铝坩埚中，编号后放于马弗炉中进行加热升温，由室温逐渐增加至850℃，保温2小时，得到玻璃熔融液；将得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃颗粒在鼓风干燥箱中70℃条件下干燥3h；烘干后的玻璃颗粒进行手动研磨，分别过400目和100目筛网，分别得到30～90μm和100～220μm的玻璃粉粗粉；对过100目筛网玻璃粉进行两次球磨，所用的三种磨球的直径分别为10mm、8mm、5mm。一次球磨工艺为：球料比2∶1，大中小球的球级配比1∶1∶1，转速250r/min、固液比1∶0.6、球磨时间2h，二次球磨工艺为：球料比3.5∶1，球级配比2∶1∶1，转速350r/min、固液比1∶0.6、球磨时间2.5h；对过400目筛网玻璃粉进行行星式球磨，球磨工艺为：球料比2∶1，球级配比1∶1∶1，转速350r/min、固液比1∶0.6、球磨时间3h。
球磨后得到的玻璃浆液静置2h，之后将沉淀层分散在乙醇中得到玻璃分散液，经超滤瓶过滤后，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中，在50℃条件下干燥10h，得到平均粒径为1.5～2.5μm且分布较为均匀的玻璃粉。
实施例2
按表1实施例2中成分配比称取配料100g，充分研磨搅拌混合均匀置于刚玉氧化铝坩埚中，编号后放于马弗炉中进行加热升温，由室温逐渐增加至900℃，保温1小时，得到玻璃熔融液；将得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃颗粒在鼓风干燥箱中100℃条件下干燥2h；烘干后的玻璃颗粒进行手动研磨，分别过400目和100目筛网，分别得到30～90μm和100～220μm的玻璃粉粗粉；对过100目筛网玻璃粉进行两次球磨，所用的三种磨球的直径分别为12mm、8mm、4mm。一次球磨工艺为：球料比2.5∶1，大中小球的球级配比1∶1∶1，转速350r/min、固液比1∶0.8、球磨时间3h，二次球磨工艺为：球料比2.5∶1，球级配比2∶1∶1，转速400r/min、固液比1∶0.8、球磨时间4h；对过400目筛网玻璃粉进行行星式球磨，球磨工艺为：球料比3.5∶1，球级配比2∶1∶1，转速350r/min、固液比1∶0.8、球磨时间5h。
球磨后得到的玻璃浆液静置3h，之后将沉淀层分散在乙醇中得到玻璃分散液，经超滤瓶过滤后，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中，在40℃条件下干燥14h，得到平均粒径为1.5～2.5μm且分布较为均匀的玻璃粉。
实施例3
按表1实施例3中成分配比称取配料100g，充分研磨搅拌混合均匀置于刚玉氧化铝坩埚中，编号后放于马弗炉中进行加热升温，由室温逐渐增加至950℃，保温0.5小时，得到玻璃熔融液；将得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃颗粒在鼓风干燥箱中120℃条件下干燥1h；烘干后的玻璃颗粒进行手动研磨，分别过400目和100目筛网，分别得到30～90μm和100～220μm的玻璃粉粗粉；对过100目筛网玻璃粉进行两次球磨，所用的三种磨球的直径分别为12mm、9mm、7mm。一次球磨工艺为：球料比4∶1，大中小球的球级配比16∶4∶1，转速300r/min、固液比1∶1、球磨时间4h，二次球磨工艺为：球料比2∶1，球级配比4∶2∶1，转速380r/min、固液比1∶0.7、球磨时间2h；对过400目筛网玻璃粉进行行星式球磨，球磨工艺为：球料比5∶1，球级配比9∶3∶1，转速450r/min、固液比1∶1、球磨时间8h。
球磨后得到的玻璃浆液静置4h，之后将沉淀层分散在乙醇中得到玻璃分散液，经超滤瓶过滤后，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中，在55℃条件下干燥8h，得到平均粒径为1.5～2.5μm且分布较为均匀的玻璃粉。
实施例4
按表1实施例4中成分配比称取配料100g，充分研磨搅拌混合均匀置于刚玉氧化铝坩埚中，编号后放于马弗炉中进行加热升温，由室温逐渐增加至980℃，保温1.5小时，得到玻璃熔融液；将得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃颗粒在鼓风干燥箱中130℃条件下干燥1h；烘干后的玻璃颗粒进行手动研磨，分别过400目和100目筛网，分别得到30～90μm和100～220μm的玻璃粉粗粉；对过100目筛网玻璃粉进行两次球磨，所用的三种磨球的直径分别为9mm、7mm、4mm。一次球磨工艺为：球料比3.5∶1，大中小球的球级配比4∶1∶1，转速350r/min、固液比1∶0.7、球磨时间5h，二次球磨工艺为：球料比4∶1，球级配比5∶3∶1，转速430r/min、固液比1∶0.8、球磨时间3h；对过400目筛网玻璃粉进行行星式球磨，球磨工艺为：球料比2.5∶1，球级配比5∶3∶1，转速400r/min、固液比1∶0.7、球磨时间4h。
球磨后得到的玻璃浆液静置5h，之后将沉淀层分散在乙醇中得到玻璃分散液，经超滤瓶过滤后，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中，在40℃条件下干燥14h，得到平均粒径为1.5～2.5μm且分布较为均匀的玻璃粉。
实施例5
按表1实施例5中成分配比称取配料100g，充分研磨搅拌混合均匀置于刚玉氧化铝坩埚中，编号后放于马弗炉中进行加热升温，由室温逐渐增加至1000℃，保温1小时，得到玻璃熔融液；将得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃颗粒在鼓风干燥箱中80℃条件下干燥2.5h；烘干后的玻璃颗粒进行手动研磨，分别过400目和100目筛网，分别得到30～90μm和100～220μm的玻璃粉粗粉；对过100目筛网玻璃粉进行两次球磨，所用的三种磨球的直径分别为10mm、8mm、5mm。一次球磨工艺为：球料比3∶1，大中小球的球级配比16∶8∶1，转速330r/min、固液比1∶0.9、球磨时间6h，二次球磨工艺为：球料比4∶1，球级配比6∶3∶1，转速400r/min、固液比1∶0.9、球磨时间4h；对过400目筛网玻璃粉进行行星式球磨，球磨工艺为：球料比3.5∶1，球级配比2∶1∶1，转速430r/min、固液比1∶0.9、球磨时间7h。
球磨后得到的玻璃浆液静置2.5h，之后将沉淀层分散在乙醇中得到玻璃分散液，经超滤瓶过滤后，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中，在55℃条件下干燥12h，得到平均粒径为1.5～2.5μm且分布较为均匀的玻璃粉。
实施例6
按表1实施例6中成分配比称取配料100g，充分研磨搅拌混合均匀置于刚玉氧化铝坩埚中，编号后放于马弗炉中进行加热升温，由室温逐渐增加至800℃，保温2小时，得到玻璃熔融液；将得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃颗粒在鼓风干燥箱中100℃条件下干燥2h；烘干后的玻璃颗粒进行手动研磨，分别过400目和100目筛网，分别得到30～90μm和100～220μm的玻璃粉粗粉；对过100目筛网玻璃粉进行两次球磨，所用的三种磨球的直径分别为10mm、8mm、5mm。一次球磨工艺为：球料比2.5∶1，大中小球的球级配比10∶4∶1，转速270r/min、固液比1∶0.7、球磨时间7h，二次球磨工艺为：球料比5∶1，球级配比9∶3∶1，转速450r/min、固液比1∶1、球磨时间5h；对过400目筛网玻璃粉进行行星式球磨，球磨工艺为：球料比3.5∶1，球级配比1∶1∶1，转速400r/min、固液比1∶0.8、球磨时间5h。
球磨后得到的玻璃浆液静置3.5h，之后将沉淀层分散在乙醇中得到玻璃分散液，经超滤瓶过滤后，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中，在45℃条件下干燥12h，平均粒径为1.5～2.5μm且分布较为均匀的玻璃粉。
表1.本发明各实施例的玻璃粉原料的百分含量配比及性能指标
Claims (9)
1.一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉，其特征在于：该玻璃粉为低熔性玻璃粉，其中各组分的重量百分比如下：
PbO 10～72％
TeO2 20～50％
SiO2 2～20％
B2O3 3～20％
R2O 1～5％
TiO2 0.5～10％
V2O5 0.4～10％
ZnO 1～20％
P2O5 0.1～10％
所述R2O为含有Li、Na或K的金属氧化物中的一种或多种的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉，其特征在于：所述玻璃粉的各组分的优选重量百分比如下：
所述R2O为含有Li、Na或K的金属氧化物中的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1或2所述的一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉，其特征在于：所述玻璃粉的平均粒径为1.5～2.5μm，所述玻璃粉的玻璃化转变温度为280～550℃。
4.一种如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)按各组分配比称取原料，充分研磨搅拌混合均匀，得到混合料，其中R2O通过Li、Na或K的碳酸盐引入，B2O3通过H3BO3的形式引入，ZnO和P2O5通过Zn3(PO4)2·4H2O的形式引入；
2)将步骤1)得到的混合料置于坩埚中，然后放于马弗炉中加热升温至800～1000℃，保温0.5～2h得到玻璃熔融液；
3)将步骤2)得到的玻璃熔融液倒入去离子水中进行水淬，得到玻璃碎片颗粒，然后将玻璃碎片颗粒干燥；
4)将步骤3)得到的干燥后的玻璃颗粒进行研磨，之后过筛网，得到玻璃粉粗粉；
5)将步骤4)得到玻璃粉粗粉以无水乙醇作为球磨介质进行球磨，所用研磨球为三种不同直径的球体的混合物，且直径大小为4～12mm，将球磨后得到的玻璃浆液进行静置分层和过滤烘干，得到所述晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉。
5.根据权利要求4所述的一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的制备方法，其特征在于：当步骤4)所述的筛网为80～120目筛网时，步骤5)所述球磨的具体步骤如下：
①将过滤80～120目筛网得到粒径为100～220μm的玻璃粉粗粉装入球磨罐中进行球磨，其中球磨介质为无水乙醇，研磨球为三种不同直径的球体的混合物，且直径大小为4～12mm，球磨时间为2～7h，转速为250～350r/min，球磨后得到玻璃浆液，然后将玻璃浆液静置2～5h，取下层沉淀分散在乙醇中得到玻璃分散液；
②将步骤①得到的玻璃分散液过滤，过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中进行干燥，之后进行第二次球磨，球磨时间为2～5h，转速为350～450r/min，球磨后得到玻璃浆液静置2～5h分层，下层沉淀过滤后烘干得到所述晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉。
6.根据权利要求5所述的一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的制备方法，其特征在于：当步骤4)所述的筛网为325～500目筛网时，步骤5)所述球磨具体步骤如下：
将过滤325～500目筛网得到粒径为100～220μm的玻璃粉粗粉装入磨罐中进行球磨，其中球磨介质为无水乙醇，研磨球为三种不同直径的球体的混合物，且直径大小为4～12mm，球磨时间为3～8h，转速为350～450r/min，球磨后得到玻璃浆液，然后将玻璃浆液静置2～5h，将下层沉淀分散在乙醇中得到玻璃分散液，之后过滤玻璃分散液，将过滤出的玻璃粉滤饼在真空干燥箱中进行干燥，得到所述晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉。
7.根据权利要求4所述的一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述的将玻璃碎片颗粒干燥是指在鼓风干燥箱中干燥，干燥温度为70～130℃，干燥时长为1～3h；步骤5)所述的过滤烘干是指在真空干燥箱内烘干，烘干温度为40～55℃，时长为8～14h。
8.根据权利要求5所述的一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的制备方法，其特征在于：步骤①所述的球磨为行星式球磨，其中球料比为2∶1～4∶1，固液比为1∶0.6～1∶1.0，研磨球中不同直径大小球体之间的级配为大∶中∶小＝1∶1∶1～16∶4∶1，步骤②所述的第二次球磨为行星式球磨，其中球料比为2∶1～5∶1，固液比为1∶0.6～1∶1.0，研磨球中不同直径大小球体之间的级配为大∶中∶小＝1∶1∶1～9∶3∶1。
9.根据权利要求6所述的一种晶体硅太阳能电池正面银浆用玻璃粉的制备方法，其特征在于：所述的球磨为行星式球磨，其中球料比为2∶1～5∶1，固液比为1∶0.6～1∶1.0，研磨球中不同直径大小球体之间的级配为大∶中∶小＝1∶1∶1～9∶3∶1。
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