CN218957743U - 一种裹覆型光伏电池及光伏组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种裹覆型光伏电池及光伏组件，涉及光伏电池及组件技术领域，所述裹覆型光伏电池包括单元电池组件，所述单元电池组件包括内电极、感光及电荷传输层和透明外电极，所述内电极连接设置有第一引线，所述透明外电极连接设置有第二引线，所述感光及电荷传输层和所述透明外电极依次裹覆在所述内电极外侧，所述光伏组件包括所述裹覆型光伏电池；本实用新型采用裹覆型结构，不但光线可从四周进入至感光及电荷传输层内，可在较大范围内实现正面入射，采光效率高效，光能利用率高，而且若裹覆型光伏电池设置为线状、条状等结构时，可进行随意弯曲、折叠，便于铺设或编制成各种形状，适用于多种场景，适用范围广泛。

Description

一种裹覆型光伏电池及光伏组件

技术领域

本实用新型涉及光伏电池及组件技术领域，具体涉及一种裹覆型光伏电池及光伏组件。

背景技术

光伏电池是一种利用光伏效应将光能转化为电能的装置，是能够通过吸收光线并直接进行发电的光电半导体薄片。光伏电池主要利用半导体PN结特性，PN结内存在载流子浓度差，多数载流子经扩散复合后形成空间电荷区，在空间电荷区内部形成一个内建电场，从而使多数载流子反向漂移，最后达到动态平衡。光照在PN结上，当光子能量大于PN结材料的禁带宽度时，则在PN结附近产生电子空穴对，在内建电场的作用下，电子空穴对被分离向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，这时如果将其两端与外电路连接就会形成电流，称为光生伏特效应，简称光伏效应。PN结的空间电荷区在P型和N型材料的界面处，内建电场的势垒厚度有限，如果在PN结中间加入本征i层，内建电场就会贯穿整个i层。由于i层厚度比界面厚度更大，因此能够吸收大量的光子并转换为载流子，提高感光灵敏度。

光伏电池的主要应用就是太阳能发电，故也称太阳能电池。根据半导体材料形态的不同，太阳能电池可被分为晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池。目前，晶硅电池是太阳能电池的主流，是最早开始研究、最先进入应用的第一代太阳能电池技术，以材料的形态不同，可分为单晶硅电池和多晶硅电池。晶硅电池是将单晶硅棒或者多晶硅锭进行切片，然后在其表面制作PN结和电极后进行封装。硅片切片厚度一般在160～190μm，因此晶硅电池相对较厚，其为刚性电池。为了扩展光伏电池的应用，当前还开发了薄膜电池，薄膜电池主要采用真空沉积或液态印刷的方式制作，其厚度仅有几μm，因此制作在柔性基板上时具有可挠性，应用范围较为广泛。目前具有成熟产品的薄膜电池材料有非晶硅，GaAs，CdTe，CIGS，钙钛矿电池，染料敏化电池，有机化合物电池等。然而，无论是晶硅电池，还是薄膜型电池，受采光面积、生产工艺、产品特性等限制，均为平面型结构，典型的结构如图7所示。

现有的平面型电池为平面层级结构，其在基板101上制作下电极102，然后依次制作现有感光及电荷传输层103、透明上电极104和现有透明保护层105。平面型电池主要结构特点为各层呈平行平面布局。通常，现有感光及电荷传输层103根据使用材料的不同有p-i-n，n-i-p，p-n，n-p型等多种结构，pn结间形成了自上而下或自下而上的内建电场。光线穿过上表面的现有透明保护层105和透明上电极104到达现有感光及电荷传输层103中，激发感光材料形成空穴和电子，空穴和电子对经由PN结的内建电场向上下电极运动，到达上下电极后被引出，形成电流。

平面型结构的光伏电池只有上表面能够接收光照，无法利用侧面和背面的散射光，其采光有限，光能利用率低。

此外，平面结构电池在很多场合因为无法实现形状的多样化而无法被应用，即使是现有的平面型柔性电池，其虽然能够承受一定程度的卷曲，但折叠、弯曲有限，使用具有限制，应用范围较窄。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种裹覆型光伏电池及组件，以解决现有技术中的平面型光伏电池采光效率低、适用范围窄的问题；本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果；详见下文阐述。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供的一种裹覆型光伏电池，包括单元电池组件，所述单元电池组件包括内电极、感光及电荷传输层和透明外电极，其中：所述内电极连接设置有第一引线，所述透明外电极连接设置有第二引线；所述感光及电荷传输层和所述透明外电极依次裹覆在所述内电极外侧。

优选地，所述感光及电荷传输层设置为多层结构，所述感光及电荷传输层包括沿内电极表面法向设置的p型传输层和n型传输层，以形成沿法向分布的内建电场。

优选地，所述感光及电荷传输层包括i型感光层，所述i型感光层设置在所述p型传输层和所述n型传输层之间。

优选地，所述感光及电荷传输层其相邻层级之间均设置有修饰层；所述感光及电荷传输层与所述内电极之间设置有修饰层；所述感光及电荷传输层与所述透明外电极之间设置有修饰层。

优选地，所述裹覆型光伏电池包括透明保护层，所述透明保护层裹覆在所述单元电池组件的外侧。

优选地，所述裹覆型光伏电池设置为部分裹覆型结构，所述感光及电荷传输层和所述透明外电极依次裹覆在所述内电极的部分外壁上，所述透明保护层裹覆在所述透明外电极外侧；所述内电极未裹覆的部分能形成所述第一引线；或者，所述第一引线由所述内电极未裹覆的部分引出，穿过所述透明保护层；或者所述第一引线由所述内电极被裹覆的部分引出，依次穿过所述感光及电荷传输层、所述透明外电极和所述透明保护层。

优选地，所述裹覆型光伏电池设置为完全裹覆型结构，所述感光及电荷传输层、所述透明外电极和所述透明保护层依次裹覆在所述内电极的全部外壁上，所述第一引线依次穿过所述感光及电荷传输层、所述透明外电极和所述透明保护层，所述第一引线与其它各层接触部分应作绝缘处理。

优选地，所述内电极设置为线状、柱状、条状、片状、放射状、球状、部分球状、多面体状或者曲面体状等，所述感光及电荷传输层、所述透明外电极和所述透明保护层均与所述内电极相适配。

优选地，所述单元电池组件包括多个感光及电荷传输层，所有所述感光及电荷传输层依次裹覆在所述内电极和所述透明外电极之间，相邻的所述感光及电荷传输层之间设置有电荷复合层。

优选地，所述单元电池组件的数量设置为多个，所有所述单元电池组件串联或者并联设置。

本实用新型提供一种光伏组件，包括上述任一所述裹覆型光伏电池。

本实用新型提供的一种裹覆型光伏电池及组件至少具有以下有益效果：

所述裹覆型光伏电池包括单元电池组件，所述单元电池组件包括内电极、感光及电荷传输层和透明外电极，所述内电极连接设置有第一引线，所述透明外电极连接设置有第二引线，工作时，光线通过透明外电极，到达感光及电荷传输层中激发电子空穴对，经内建电场分离后沿法向分别传输到内电极和透明外电极，之后流通至引线，并由引线引流至外部负荷，对外部形成供电。

所述感光及电荷传输层和所述透明外电极依次裹覆在所述内电极外侧，采用裹覆型结构，光线可从周周进入至感光及电荷传输层内，相较于平面型电池，其可在较大范围内实现正面入射，采光效率高效，光能利用率高，并且，裹覆型结构的光伏电池，其结构主要取决于内电极，若内电极为线状、条状等时，可进行随意弯曲、折叠，便于铺设或编制成各种形状，适用于多种场景，适用范围广泛。

本实用新型单元电池组件采用裹覆型结构，不但光能利用率高，采光效率高效，而且结构灵活，可根据实际需求设定为不同的结构形状，适用于多种应用场景，适用范围广泛。此外，保护层的全裹覆状态使大部分光敏材料隔绝于空气水蒸气等外部因素，从而提高了产品的寿命和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型裹覆型光伏电池的结构示意图；

图2是本实用新型裹覆型线状光伏电池的结构示意图；

图3是本实用新型裹覆型线状或球状部分裹覆结构光伏电池的剖视示意图；

图4是本实用新型裹覆型球状光伏电池的结构示意图；

图5是本实用新型裹覆型球状多叠层光伏电池的结构示意图；

图6是本实用新型裹覆型线状光伏电池串联的结构示意图；

图7是现有平面型光伏电池的结构示意图。

附图标记

1、内电极；11、内层绝缘层；12、外层导电层；2、感光及电荷传输层；21、p型传输层；22、n型传输层；23、i型感光层；3、透明外电极；4、透明保护层；5、第一引线；6、第二引线；7、绝缘层；8、电荷复合层；101、基板；102、下电极；103、现有感光及电荷传输层；104、透明上电极；105、现有透明保护层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

实施例1：

本实用新型提供了一种裹覆型光伏电池，如图1所示，所述裹覆型光伏电池包括单元电池组件，所述单元电池组件包括内电极1、感光及电荷传输层2和透明外电极3。

内电极1连接设置有第一引线5，透明外电极3连接设置有第二引线6，内电极1可以设置为实芯结构或者空心结构，透明外电极3需具有良好导电性和透光性，感光及电荷传输层2和透明外电极3沿法向依次裹覆在内电极1外侧，感光及电荷传输层2内能形成沿法向分布的内建电场。

使用时，第一引线5和第二引线6连接外部负荷。

光线从四周方向入射，透过透明外电极3到达至感光及电荷传输层2中，激发电子空穴对，经内建电场分离后，分别经内电极1和透明外电极3流通第一引线5和第二引线6，从而对外部负荷形成供电。

本实用新型内电极1、感光及电荷传输层2和透明外电极3采用裹覆型结构，不但能够采集四周方向的光照，相比较现有平面型光伏电池，能够显著提高采光效率，提高光能利用率，而且所述裹覆型光伏电池其结构灵活，可根据实际使用者的需求设定不同的结构形状，适用于多种场景，适用范围广泛。

实施例2

实施例2建立在实施例1的基础上：

如图1和图2所示，感光及电荷传输层2设置为多层结构，感光及电荷传输层2包括沿法向设置的p型传输层21和n型传输层22，以形成沿法向分布的内建电场。

可选地，p型传输层21位于内层，n型传输层22位于外层，感光及电荷传输层2由内至外形成p-n型结构。

另一可选地，p型传输层21位于外层，n型传输层22位于内层，感光及电荷传输层2由内至外形成n-p结构。

作为可选地实施方式，感光及电荷传输层2包括i型感光层23，i型感光层23设置在p型传输层21和n型传输层22之间，能够形成p-i-n型结构及n-i-p型结构。

i型感光层23其感光材料可采用如硅基、硒基等IV族半导体材料，GaAs等III-V族半导体材料，CdTe等II-VI族半导体材料，CIGS等化合物材料，卤化物材料、钙钛矿类材料，染料敏化电池材料，有机化合物电池材料等。

p型传输层和n型传输层其材料根据i型感光层23其实际感光材料进行适应性选择。

如图2所示，在工作的过程中，由于载流子扩散，在p型传输层21、i型感光层23和n型传输层22之间会形成一个由n型传输层22指向p型传输层21的内建电场，当光线透过透明外电极3到达i型感光层23时，i型感光层23会吸收能量大于能量间隙的光子，并将价带电子激发到导带中，形成电子空穴对，在所述内建电场的作用下，电子和空穴分开，其中，电子逆着所述内建电场方向(即由i型感光层23向n型传输层22方向)运动至透明外电极3，空穴则沿着所述内建单场方向(即由i型感光层23向p型传输层21)运动至内电极1，电子及空穴分别到达透明外电极3和内电极1后，经引线引出，形成电流。

另一可选地，针对于部分单层、混合型成或分子型D-A材料制作的电池，可没有明显p型传输层21、i型感光层23和n型传输层22多层结构，其电荷在供体和受体界面处形成，然后沿供体和受体材料内部迁移至能级匹配的内电极1和透明外电极3。

作为可选地实施方式，感光及电荷传输层2其相邻层级之间均可设置有修饰层，感光及电荷传输层2与所述内电极1之间设置有修饰层，感光及电荷传输层2与透明外电极3之间设置有修饰层。

通过对各界面进行优化，能够确保电荷能良好的导出，从而有效增加电池转换效率。

作为可选地实施方式，如图1和图2所示，所述裹覆型光伏电池包括透明保护层4，透明保护层4裹覆在所述单元电池组件的外侧。

透明保护层4为一种绝缘材料，其具有良好的透光性，具有防水、防氧化、耐腐蚀、耐磨性等，能够有效对电池表面进行保护。

透明保护层4可采用玻璃涂层、有机涂层、透明陶瓷等。

作为可选地实施方式，如图1和图2所示，所述裹覆型光伏电池设置为部分裹覆型结构，感光及电荷传输层2、透明外电极3和透明保护层4依次裹覆在内电极1的周壁上，内电极1的端部未裹覆，第一引线5由内电极1的端部引出。

内电极1设置为线状、柱状、条状、片状或放射状，感光及电荷传输层2、透明外电极3和透明保护层4均与内电极1相适配，内电极1为实芯结构或空心结构，内电极1可采用金属线、金属丝、金属管、碳纤维、导电纤维等，也可采用外表面包覆有导电层的绝缘线、绝缘丝、绝缘纤维、绝缘管等。

透明外电极3可采用透明导电薄膜，如ITO(氧化铟锡)透明导电膜、FTO(氟掺杂氧化锡)透明导电膜等，也可采用填充有透明材料的导电栅网，如金属网、碳纤维网等。

如图1和图2所示，实施例2给出了线状的裹覆型光伏电池，其截面可为多种样式，直径可根据实际需求进行设定，其具有良好的柔韧性，可根据实际需求进行编织，从而形成大面积电池模组，不但具有较大的采光面，而且可满足各种应用需求。

实施例3

实施例3与实施例2的不同点在于：

参考图3所示，所述裹覆型光伏电池设置为部分包裹结构，感光及电荷传输层2和透明外电极3依次裹覆在内电极1的部分外壁上，透明保护层4完全裹覆在透明外电极3的外侧。

内电极1设置为线状、柱状、条状、片状、放射状、球状、部分球状、多面体状或者曲面体状，感光及电荷传输层2、透明外电极3和透明保护层4均与内电极1相适配。内电极1可采用金属线、金属丝、金属管、金属条、金属块、碳纤维、导电纤维、金属球、部分金属球体、金属多面体、金属曲面体等，也可采用外表面包覆有导电层的绝缘线、绝缘柱、绝缘片、绝缘条、绝缘球、绝缘部分球体、绝缘多面体、绝缘曲面体等。

可选地，内电极1其未裹覆部分能穿过透明保护层4，以形成第一引线5。

另一可选地，从内电极1其未裹覆部分连接设置有第一引线5，穿过透明保护层4。

又一可选地，从内电极1其裹覆部分连接设置有第一引线5，依次穿过感光及电荷传输层2、透明外电极3和透明保护层4。

当第一引线5经过感光及电荷传输层2和透明外电极3时，应在第一引线5的外侧设置有绝缘层7，避免电接触。

如图3所示，给出了实施例3中线状或球状的其周壁部分裹覆的光伏电池，其具体裹覆及未裹覆的位置、形状、结构，可根据实际需求进行设定。

实施例4

实施例4与实施例3的不同点在于：

如图4所示，所述裹覆型光伏电池设置为完全裹覆型结构，感光及电荷传输层2、透明外电极3和透明保护层4依次包覆在内电极1外侧，第一引线5依次穿过感光及电荷传输层2、透明外电极3和透明保护层4，第一引线5的外侧设置有绝缘层7，避免第一引线5接触其他层级。

内电极1设置为线状、柱状、条状、片状、放射状、球状、部分球状、多面体状或者曲面体状，感光及电荷传输层2、透明外电极3和透明保护层4均与内电极1相适配，

考虑到所述裹覆型光伏电池的重量，因此球状、部分球状、多面体状或曲面体的内电极1一般采用空心结构。

如图4所示，给出了实施例4中球状的裹覆型光伏电池，其球径可根据实际需求进行设定，其可全方位采集光能，能够确保光线在任何角度均能实现直射，进一步扩展了应用需求。

实施例2-实施例4给出的电池均为单电池结构。

实施例5

实施例5建立在实施例4的基础上：

所述单元电池组件包括多个感光及电荷传输层2，所有感光及电荷传输层2依次裹覆在内电极1和透明外电极3之间，相邻的感光及电荷传输层2之间设置有电荷复合层8。

如图5所示，图5给出了球状双叠层裹覆型光伏电池，其包括两个叠层设置的n-i-p层结构电池，每个n-i-p层结构其内建电场的方向由球心指向球面，因此在工作的过程中，电子沿法向向球心方向运动，空穴则沿法向向球面运动，内层电池的电子经内电极1和第一引线5导出，空穴则到达电荷复合层8，外层电池的空穴经透明外电极3和第二引线6导出，电子则到达电荷复合层8，内层电池的空穴和外层电池的电子在电荷复合层8发成复合。

为保证内层电池的效率，电荷复合层8应具备良好的透光性。

类似地，所述裹覆型光伏电池包括两个p-i-n层结构，或者两个p-n层结构或者p-n层结构。

实施例5为球状、部分球状、多面体状或曲面体状等多叠层裹覆型光伏电池。

实施例6

实施例6建立在实施例2的基础上：

所述单元电池组件包括多个感光及电荷传输层2，所有所述感光及电荷传输层2依次裹覆在内电极1和透明外电极3之间，相邻的感光及电荷传输层2之间设置有电荷复合层8。

实施例6为线状、柱状、条状、片状、放射状等多叠层裹覆型光伏电池。

实施例7

实施例7建立在上述任一实施例的基础上：

所述单元电池组件的数量设置为多个，所有所述单元电池组件串联或者并联设置，所述单元电池组件串联，输出电压高，所述单元电池组并联，输出电流大，在实际使用的过程中，使用者根据实际需求进行选择。

如图6所示，图6给出了线状裹覆型光伏电池的串联结构，其在透明保护层4内依次设置三个所述单元电池组件，并沿轴向串联而成，采用轴向串联的方式，能够保证串联电池组的光电流一致性，使电池组周向面均可实现光线的采集。

串联电池的结构需要保证两个要求：

其一，其所述单元电池组件的内电极1至少具有两层结构，包括内层绝缘层11和外层导电层12，其中，内层绝缘层11采用绝缘材料制成，可以采用绝缘线、绝缘管或绝缘纤维等，外层导电层12需具备良好的导电性能。

其二，在各层裹覆制程中，需对各层进行切割，根据串联类型的不同，可沿轴向切割或法向切割，以图6三个所述单元电池组件沿轴向串联为例，其沿法向切割，具体为：

首先，将制作好的内电极1依照三个单元电池组件的结构，依次进行环切，将外层导电层12分割为三个独立的单元段，在环切的过程中，需要保证内层绝缘层11的完整性，如此，能够有效确保最终电池组的连续性。

其次，在内电极1的外侧裹覆感光及电荷传输层2，并对其进行环切，形成三个独立的单元段，相邻两端之间的缝隙应留下外电极过孔通道。

之后，制作透明外电极3，将透明外电极3裹覆在感光及电荷传输层2外侧，并进行第三次环切，形成独立的三个独立的单元段，此时，形成三个独立的单元电池组件。

经三次错位环切和成膜后，通过环切口依次串联连接三个所述单元电池组件的内外电极，为了保护电池组，再在最外层制作透明绝缘保护层，完成制作。

实施例8

本实用新型提供一种光伏组件，所述光伏组件包括所述裹覆型光伏电池。

具有所述裹覆型光伏电池的光伏组件，不但结构灵活，适用于多种应用场景，适用范围广泛，而且能够多角度采集光能，采集效果显著，光能利用率高。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种裹覆型光伏电池，其特征在于，包括单元电池组件，所述单元电池组件包括内电极、感光及电荷传输层和透明外电极，其中：

所述内电极连接设置有第一引线，所述透明外电极连接设置有第二引线；

所述感光及电荷传输层和所述透明外电极依次裹覆在所述内电极外侧。

2.根据权利要求1所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述感光及电荷传输层设置为多层结构，所述感光及电荷传输层包括沿内电极表面法向设置的p型传输层和n型传输层，以形成沿法向分布的内建电场。

3.根据权利要求2所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述感光及电荷传输层包括i型感光层，所述i型感光层设置在所述p型传输层和所述n型传输层之间。

4.根据权利要求3所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述感光及电荷传输层其相邻层级之间均设置有修饰层；

所述感光及电荷传输层与所述内电极之间设置有修饰层；

所述感光及电荷传输层与所述透明外电极之间设置有修饰层。

5.根据权利要求2或3所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述裹覆型光伏电池包括透明保护层，所述透明保护层裹覆在所述单元电池组件的外侧。

6.根据权利要求5所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述感光及电荷传输层和所述透明外电极依次裹覆在所述内电极的部分外壁上，所述透明保护层裹覆在所述透明外电极外侧；

所述内电极未裹覆的部分能形成所述第一引线；

或者，所述第一引线由所述内电极未裹覆的部分引出，穿过所述透明保护层；

或者，所述第一引线由所述内电极被裹覆的部分引出，依次穿过所述感光及电荷传输层、所述透明外电极和所述透明保护层。

7.根据权利要求5所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述感光及电荷传输层、所述透明外电极和所述透明保护层依次裹覆在所述内电极的全部外壁上，所述第一引线依次穿过所述感光及电荷传输层、所述透明外电极和所述透明保护层。

8.根据权利要求1所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述单元电池组件包括多个感光及电荷传输层，所有所述感光及电荷传输层依次裹覆在所述内电极和所述透明外电极之间，相邻的所述感光及电荷传输层之间设置有电荷复合层。

9.根据权利要求1所述的裹覆型光伏电池，其特征在于，所述单元电池组件的数量设置为多个，所有所述单元电池组件串联或者并联设置。

10.一种光伏组件，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述裹覆型光伏电池。

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