DE3001463C2 - Halbleiterphotoelement - Google Patents
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Description
a-Si : H und ehern Metall von hoher Austrittsarbeit,
z. B. Platin, Gold, Palladium, Chrom, Iridium oder Rhodium, die Schottky-Sperrschicht gebildet wird. Der Wirkungsgrad
der Energieumwandlung ist bei einer derartigen Solarzelle jedoch niedrig und beträgt bei Sonnenlichteinstrahlung
nur etwa 5,5%. Die Leerlaufspannung der Solarzelle, die eines der Kriterien zur Bestimmung
des Wirkungsgrades darstellt, beträgt nur etwa 0,8 V.
Als Folge des Kontaktes des a-Si: H mit dem Metall 50 gröLSert wird. Letzteres wiederum erlaubt eine Erhöhung
der Leerlaufspannung bei Beleuchtung des Halbleiterphotoelementes. Da somit ein Zustand angestrebt
wird, in dem negativen Ladungen so gut wie möglich gehalten werden können, um so die Leerlaufspannung
diffundiert das Metall in die a-Si : Η-Schicht Hieraus ergibt sich der Nachteil einer schlechten I .agerbeständigkeit
der Solarzelle.
Ein Halbleiterphotoelement der eingangs genannten
Art(Proc. of the 13lh Photovoltaic Specialists Conferen- 55 zu erhöhen, wird eine weitestmögliche Erhöhung der
ce 5,-18. 6. 1978 in Washington, 1978, N. Y.. IEEE, Sei- ~
' " '" "~
ten 751 —754) verwendei eine MlS-Slruktur (Metall Insulator
Semiconductor) und weist zwischen der a-Si: H-Schicht und der Metallschicht eine dünne Isolierschicht
auf. Diese Isolierschicht besteht aus TiO, und hat eine m> gender Dicke der Isolierschicht aufgrund des ansteigen-
auf. Diese Isolierschicht besteht aus TiO, und hat eine m> gender Dicke der Isolierschicht aufgrund des ansteigen-
Dicke der halbleitenden Oxidschicht angestrebt. Im Gegensatz zu dem bekannten MIS-Halbleiterphotoelement
mit einer dünnen Isolierschicht als Zwischenschicht, bei dem die Kurzschluß-Stromdichte mit anstei-
Dickc von maximal 3,0 nm. Diese- geringe Dicke der
Isolierschicht ist notwendig, damit Ladungsträger die Isolierschicht zu durchtunneln vermögen. FIs hat sich
gezeigt, daß die wesentlichen Parameter, nämlich Leerbespannung.
Wirkungsgrad der Energieumwandlung
und Kur/schluß Stromdichte in starkem MaIk- von der Dicke tier Isolierschicht abhängen und Ivi I Ihc-rschrcitendei
genannten Isoliorschiehklicki· drastisch ablallen.
den relativen Widerstandes drastisch vermindert wird,
tritt ein solcher Effekt bei dem erfindungsgemäßen Halblciierphotoelcment nicht ein. Vielmehr bleibt ein
geringer relativer Widerstand auch bei den größeren Oxidschichtdicken erhalten. Die halbleiiendc Oxid
schicht verhüll sich tatsachlich nicht als Isolierschicht,
sondern als I lalbleiterschicht, so daß das llalblciierphotoelement
keine MlS-Struktur, sondern cine MSS-
Struktur (Metal-Semiconductor-Semiconducior) aufweist.
Versuche haben ergeben, daß über einen weiten Bereich
der Dicke der halbleitenden Oxidschicht die weientlichen elektrischen Parameter, wie Leerlaufspanrtung,
Wirkungsgrad und Kurzschluß-Stromdichte. gewissermaßen sattelartig auf einem sehr hohen Niveau
verlaufen. Dieser nahezu horizontale Verlauf erstreckt sich über ganz erhebliche Schichtdicken, so daß chemische
Reaktionen zwischen dem a-Si: H und der Metallschicht
systematisch ausgeschlossen werden
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Halbleiterphotoelement,
Fi g. 2 einen Querschnitt durch eine photoelcktrische
Vorrichtung, in der das in F i g. 1 dargestellte Halblciterphotoelement
verwendet wird,
F i g. 3 eine graphische Darstellung, die die Beziehung
zwischen dem Sammlungswirkungsgrad der in Fig.2
dargestellten photoelektrischen Vorrichtung und der Wellenlänge im Vergleich zu derjenigen der üblichen
photoelektrischen Vorrichtung mit Schottky-Sperrschicht veranschaulicht, und
F i g. 4 eine graphische Darstellung, die die Spannung-Strom-Charakteristik
der in F i g. 2 dargestellten photoelektrischen Vorrichtung im Vergleich zu derjenigen
der üblichen photoelektrischen Vorrichtung mit Schottky-Sperrschicht zeigt.
Das Halbleiterphotoelement umfaßt ein elektrisch leitfähiges Substrat, eine 0,1 bis 5 μπι dicke Schicht aus
a-Si: H auf dem Substrat, eine halbleitende Oxidschicht einer Dicke von 5 bis 50 nm auf einer dem Substrat
gegenüberliegenden Seite der a-Si: H-Schicht und eine
5 bis 20 nm dicke Metallschicht auf einer der a-Si: H-Schicht gegenüberliegenden Oberfläche der halbleilenden
Oxidschicht.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Halbleiterphotoelements.
Auf einer Unterlage 11 ist durch Vermittlung einer ohmschen Kontaktschicht t2 eine Schicht
13 aus a-Si: H aufgebracht, die durch Glimmentladung in Silan oder Kathodenzerstäubung, Aufdampfen oder
Ionenplattierung von Silicium in einer Wasserstoffatmosphäre
gebildet worden ist. Auf die Schicht 13 ist eine halbleitende Oxidschicht 14 aufgebracht. Über die Oxidschicht
14 ist eine Metallschicht 15 gelegt. Durch eine solche Anordnung wird ein Halbleiterphotoelement erhalten,
mit dem ein stabiler hoher Energieumwandlungswirkungsgrad unter Sonnenlichteinstrahlung erzielt
wird.
Die Unterlage Il kann aus einem beliebigen Werkstoff bestehen, der elektrisch leitfähig und in der Lage
ist, ohmschen Kontakt mit dem amorphem Siliciumhydrid zu bilden. Als repräsentative Beispiele solcher
Werkstoffe sind Metalle wie nichtrostender Stahl, Aluminium, Antimon u. dgl. sowie In2Oj und/oder SnOj auf
Glas, wobei das injOsund/oder SnO2 das leitfähige Material
ist, zu nennen. Die Schicht aus amorphem Siliciumhyrid kann vollständig aus amorphem Siliciumhydrid
bestehen, das durch eine Glimmentladung in im wesentlichen reinem Silan od. dgl. gebildet worden ist. Um jedoch
einen besseren ohmschen Kontakt mit der Unterlage 11 herzustellen, wird die Kontaktschicht 12 uuf der
amorphen Siliciumhydridschicht auf der Seite der Unterlage vorzugsweise dotiert. Um die dotierte Kontaktschicht
12 in einfacher Weise zu bilden, kann eine Methode
angewandt werden, bei der eine Glimmentladung in Silan mit Phosphin (PHj) als Dotierungsmittel (0,1 bis
10 Atom-%, bezogen auf Silan) durchgeführt wird, um amorphes Siliciumhydrid vom η-Typ in einer Dicke von
etwa 10 bis 50 nm abzuscheiden. Bei der Durchführung der Dotierung kann die Konzentration von Phosphin
relativ zu Silan konstant gehalten werden, so daß die Konzentration des Dotierungsmittels in der gesamten
ersten Schicht 12 gleichmäßig ist. Als Alternative kann dia Konzentration des dotierenden Fremdstoffs in der
ίο Kontaktschicht 12 so abgestuft werden, daß die Konzentration
des dotierenden Fremdstoffs an der Grenzfläche zwischen der Unterlage U und der Kontaktschicht
12 maximal ist und an der Grenzfläche zwischen der ohmschen Kontaktschicht 12 und der zweiten
ΐϊ Schicht 13 bis zu einer unbedeutenden Konzentration
abgenommen hat. Außer Phosphin können als dotierende Gase beispielsweise Ammoniak (NHi), Arsin (AsHj)
und Diboran (BjHt) verwendet werden. Die zweite
Schicht 13 aus amorphem Siliciumhydrid wird durch eine Glimmentladung in im wesentlichen reinem Silan
oder durch Kathodenzerstäubung, Aufdampfen oder Ionenplattierung von Silicium in einer Wasserstoffatmosphäre
gebildet werden und ist daher intrinsic. Die Dicke der amorphen Siliciumhydridschicht, die aus der
ohmschen Kontaktschicht 12 und der zweiten Schicht oder Intrinsiu-Schicht 13 besteht, beträgt 0,1 bis 5 μηι,
vorzugsweise etwa 0,5 bis 2 μηι.
Zur Bildung des amorphen Siliciumhydrids durch eine Glimmentladung in Silan wird die Unterlage 11 in einer
auf einen Druck von 1.33 ■ 10-'mbar oder weniger
evakuierten Vakuumkammer auf 100° bis 400°C erhitzt.
In die Kammer wird ein Silangas bis zu einem Druck von 0,133 bis 3 mbar eingeführt. Unter dem Ausdruck
»Silangas« ist 100%iges S1H4, mit Ar verdünntes S1H4
oder ein Gemisch von SiF< und H2 zu verstehen. Zur
Bildung der Schicht 13 wird das Silangas allein eingeführt. Zur Bildung der Schicht 12 wird ein Dotierungsgas, z. B. Phosphin, gleichzeitig mit dem Silangas eingeführt.
Bei Auslösung einer Glimmentladung wird amorphes Siliciumhydrid auf der Unterlage Il abgeschieden.
Die Art der Erzeugung, einer Glimmentladung kann entweder induktiv oder kapazitiv erfolgen.
Ferner kann im Falle der kapazitiven Erzeugung entweder eine Gleichstromentladung oder eine Wechselslromentladung
verwendet werden. Die Geschwindigkeit der Bildung des amorphen Siliciumhydrids hängt
weitgehend vom Grad des Vakuums, von der Temperatur der Entladung und vom Entladungssirom ab, liegt
jedoch im allgemeinen im Bereich von 0,01 bis 10 nm/ Sek. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß
durch Drehen der Unterlage eine gleichmäßige Schicht von amorphem Siliciumhydrid gebildet wird.
Andererseits wird zur Bildung des amorphen Siliciumhydrids durch Kathodenzerstäubung von Silicium in
einer Wasserstoffatmosphäre die Unterlage U in einer auf einen Druck von 1,33 · lO-^mbar oder weniger
evakuierten Vakuumkammer auf 100° bis 400°C erhitzt.
In die Vakuumkammer wird Wasserstoffgas bis zu einem Druck von 1,33 · 210~J bis 1,33 mbar eingeführt.
Zur Bildung der Schicht 13 wird Wasserstoffgas allein eingeführt, während zur Bildung der Kontaktschicht 12
ein dotierendes Gas. z. B. ein Phosphin, gleichzeitig mit dem Wasserstoffgas eingeführt wird. Anschließend wird
eine Kathodenzerstäubung unter Verwendung von SiIi-
h5 cium als Auffangfläche ausgelöst, wodurch amorphes
Siliciumhydrid auf der Unterlage 11 abgeschieden wird.
Wie vorstehend beschrieben, kann das amorphe Siliciumhydrid
auch durch Aufdampfen oder lonenplattie-
rung von Silicium in einer Wasserstoffatmosphäre gebildet
werden.
Auf einer der Unterlage 11 gegenüberliegenden Oberfläche der amorphen Siliciumhydridschicht wird eine
halbleitende Oxidschicht 14 gebildet. Zur Bildung der halbleitenden Oxidschicht 14 können Materialien verwendet
werden, die in der Technik als halbleitende Oxide bekannt sind. Beispiele solcher Materialien sind TiO2,
ZnO, SnO2, In2O3, BaO, SiO, Cu2O, NiO und FeO. Hiervon
werden T1O2 und ZnO besonders bevorzugt. Die halbleitende Oxidschicht 14 kann durch die bekannten
Verfahren des Aufdampfens, der Kathodenzerstäubung od. dgl. gebildet werden. Die halbleitende Oxidschicht
hat eine Dicke von 5 bis 50 nm.
Die vorstehend genannten Oxide können allein zur Bildung einer Einzelschicht oder in Kombination zur
Bildung einer Mehrfachschicht verwendet werden. Ferner ist zu bemerken, daß zur Bildung der Oxidschicht
das Oxid in reduzierender Atmosphäre, beispielsweise in einer Wasserstoffatmosphäre, abgeschieden werden
kann.
Anschließend wird auf der der amorphen Siliciumhydridschicht gegenüberliegende Seite der Oxidschicht 14
eine Metallschicht 15 gebildet. Für die Bildung der Metallschicht 15 eignen sich Metalle mit hoher Austrittsarbeit.
Beispiele solcher Metalle sind Pt, Pd, Au, Ni, Cr, Ir und Rh. Die Metallschicht kann nach den bekannten
Verfahren des Aufdampfens, der Kathodenzerstäubung od. dgl. in einer Dicke von 5 bis 20 nm so abgeschieden
werden, daß sie für Sonnenstrahlung wenigstens halbdurchlässig ist.
Mit Hilfe des in dieser Weise aufgebauten Halbleiterbauelements ist es möglich, billige Solarzellen herzustellen,
die ausgezeichneten Energieumwandlungswirkungsgrad sowie ausgezeichnete Lagerbeständigkeit
aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer photoelektrischen Vorrichtung, in der ein Halbleiterphotoelement
verwendet wird. Diese Vorrichtung weist eine elektrisch leitfähige Unterlage 21 auf, die aus einem
Blech aus nichtrostendem Stahl (SUS 304) besteht, das zu Spiegelglanz geschliffen und poliert ist. Die Unterlage
21 kann auch aus einem Metall mit niedriger Austrittsarbeit, z. B. Aluminium, bestehen, wie im Zusammenhang
mit F i g. 1 beschrieben. Die elektrisch leitfähige Unterlage 21 wird in einer Vakuumkammer auf
3500C erhitzt, und ein Gemisch von Silan und Phosphin
als Dolierungsgas (Atomverhältnis 100 :1) wird in die
Vakuumkammer bis zu einem Druck von etwa 0,67 rnbar eingeführt. Nach Auslösung einer Glimmentladung
wird dotiertes amorphes Siliciumhydrid 22 auf der Unterlage 21 abgeschieden. Nach der Abscheidung
des dotierten amorphen Siliciumhydrids als erste Schicht 22 in einer Dicke von etwa 20 nm wird die Temperatur
der Unterlage 2i auf 3000C gesenkt und ein
Silangas allein in die Vakuumkammer eingeführt. Eine Glimmentladung wird erneut gezündet, um eine Abscheidung
aus nichtdotiertem amorphem Siliciumhydrid als zweite Schicht 23 in einer Dicke von etwa 2 μηι zu
bilden. In dieser Weise wird die sogenannte amorphe Siliciumhydridschicht 201 mit ohmschem Kontakt mit
der Unterlage 2! gebildet. Die Unterlage 21 mit der darauf gebildeten amorphen Siliciumhydridschicht 201
wird in eine gewöhnliche Aufdampfvorrichtung gelegt (statt dessen kann auch eine Kathodenzerstäubungsvorrichtung
verwendet werden) und mit einem halbleitenden Oxid, z. B. ΤΊΟ2, bedampft, wobei eine halbleitende
Oxidschicht 24 einer Dicke von etwa 10 nm auf der Oberfläche der zweiten Schicht 23 gebildet wird. In diesem
Fall kann die amorphe Siliciumhydridschicht 201 erhitzt werden und/oder das Aufdampfen der halbleitenden
Oxidschicht 24 in reduzierender Atmosphäre,
0 ?.. B. einer Wasserstoff- oder Silanatmosphäre, vorgenommen
werden. Bei dieser Ausführungsform wird das halbleitende Oxid abgeschieden, während die Schicht
201 auf 12O0C erhitzt wird. Auf die Oberfläche der haibleitenden
Oxidschicht 24 wird Platin unter Bildung einer Metallschicht 25 einer Dicke von etwa 5 nm abgeschieden.
Anstelle von Platin kann auch ein anderes Metall mit hoher Austrittsarbeit. z. B. Gold oder Palladium,
verwendet werden. Auf einen Teil der Oberfläche der Metallschicht 25 wird eine Elektrode 26, die beispielsweise
Kammform aufweist, aufgebracht. Auf, der Elektrode 26 und auf der nicht von der Elektrode ίβ bedeckten
Oberfläche der Metallschicht 25 Wird eine Antireflexschicht
27 gebildet. Bezüglich der Bildung der Antireflexschicht 27 wird beispielsweise auf die japanische
Auslegeschrift 37 718/1978 verwiesen. In der beschriebenen
Weise wird eine photoelektrische Vorrichtung erhallen, in der das amorphes Siliciumhydrid enthaltende
Halbleiterphotoelement gemäß der Erfindung verwendet wird.
In F i g. 3 ist die Beziehung zwischen dem Auffahgwirkungsgrad
der in der beschriebenen Weise hergestellten photoclektrischen Vorrichtung und der Wellenlänge im
Vergleich zu dem Wirkungsgrad einer üblicher! photoelektrischen Vorrichtung mit Schottky-Sperrschicht
dargestellt. Die Kurve 3i stellt die photoelektrische
Vorrichtung gemäß der Erfindung dar; während die Kurve 31 den Wirkungsgrad einer Vorrichtung darstellt,
die in der gleichen Weise ausgebildet, jedoch nicht mit einer halbleitenden Oxidschicht versehen, d. h. eine typi-
J5 sehe photoclektrische Vorrichtung mit Schottky-Sperrschicht
ist. Wie F i g. 3 zeigt, hat das photoelektrische Halbleiterphotoelement gemüB der Erfindung einen
ausgezeichneten Auffangwirkungsgrad für Licht, insbesondere
im Bereich kurzer WeWeWätogen (auf der Seite
höherer Energie), wie die Kurve 32 zeigt, uhd demgemäß
einen hohen Energieumwandlungswirkungsgrad im Vergleich zur Kurve 31. Der Auffangwirkungsgrad
wird aus dem Verhältnis der aus dem Wert des durch Licht erzeugten Stroms berechneten Trägerdichte zur
Menge der Sonneneinstrahlung erhalten, die hinsichtlich des Wellenlängenbereichs mit Hilfe eines Filters
begrenzt ist. Es wird angenommen, daß der Grund für die Steigerung des Auffangwirkungsgrades im sogenannten
Fenstereffeki der halbleitenden Oxidschicht liegt, und daß bei einem Halbleiterphotoeiement vom
MIS-Typ eine solche Steigerung des Auffangwirkungsgrades nicht zu erwarten ist. Nur durch Einfügen der
halbleitenden Oxidschicht in das Halbleiterphotoelement ist ein Anstieg des Auffangwirkungsgrades und
demzufolge eine Steigerung des Urrrwandlütlgswirkungsgrades
erzielbar. Ferner wird durch die Einfügung der halbleitenden Oxidschicht zwischen der amorphen
Siliciumhydridschicht und der Metallschicht auch die Stabilität des Halbleiterphotoelements erhöht.
F i g. 4 zeigt die Spannung-Strom-Chärakteristik der
photoelektrischen Vofrichturtg im Vergleich zu derjenigen
der üblichen photoelektrischen Vorrichtung mit Schottky-Sperrschicht. Die Kurve 42 stellt die Charakteristik
der photoelektrischen Vorrichtung gemäß der
ö5 Erfindung dar. während die Kurve 41 die Charakteristik
einer Vorrichtung ist, die in der gleichen Weise, jedoch ohne die halbleitende Oxidschicht ausgebildet, d. h. eine
typische photoelektrische Vorrichtung mit Sfchottky-
Sperrschicht ist. Wie F i g. 4 zeigt, weist das erfindungsgemäße
photoelektrische Halbleiterphotoelemeiit einen ausgezeichneten Energieumwandlungswirkungsgrad
im Vergleich zu der üblichen photoelektrischcn
Vorrichtung mit Schottky-Sperrschicht auf. Ferner ist
zu bemerken, daß das photoelektrische Halbleiterbauelement eine Lebensdauer von mehr als einigen jähren
ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades hat.
Vorrichtung mit Schottky-Sperrschicht auf. Ferner ist
zu bemerken, daß das photoelektrische Halbleiterbauelement eine Lebensdauer von mehr als einigen jähren
ohne Verschlechterung des Wirkungsgrades hat.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen i<>
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Claims (3)
1. Halbleiterphotoelement, bestehend aus einer
elektrisch leitenden Unterlage, einer auf die Unterlage aufgebrachten Schicht aus amorphem Siliciumhydrid
(a-Si: H) mit einer Dicke von 0,1 bis 5 μιη, einer auf der Schicht aus amorphem Siliciumhydrid aufgebrachten
Oxidschicht und einer auf der Oxidschicht aufgebrachten Metallschicht mit einer Dicke von 5
bis 20nm, dadurch gekennzeichnet, daß als Oxidschicht eine halbleitende Oxidschicht (14;
24) vorgesehen ist und daß die Dicke der halbleitenden Oxidschicht (14; 24) zwischen 5 und 50 nm beträgt
2. Halbleiterphotoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitende Oxidschicht
(14; 24) aus einem oder mehreren der Oxide der aus TiO2, ZnO, SnO2, In2Oj. BaO, SiO, Cu2O, NiO
und FeO bestehenden Gruppe besteht.
3. Halbleiterphotoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht
(15; 25) aus einem oder mehreren der Metalle der aus Pt1Au, Pd, Ni1Cr, Ir und Rh bestehenden Gruppe
besteht.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3001463A DE3001463C2 (de) | 1980-01-17 | 1980-01-17 | Halbleiterphotoelement |
GB8001538A GB2067834B (en) | 1980-01-17 | 1980-01-17 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3001463A DE3001463C2 (de) | 1980-01-17 | 1980-01-17 | Halbleiterphotoelement |
GB8001538A GB2067834B (en) | 1980-01-17 | 1980-01-17 | Semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3001463A1 DE3001463A1 (de) | 1981-07-23 |
DE3001463C2 true DE3001463C2 (de) | 1984-06-20 |
Family
ID=41508356
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3001463A Expired DE3001463C2 (de) | 1980-01-17 | 1980-01-17 | Halbleiterphotoelement |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3001463C2 (de) |
GB (1) | GB2067834B (de) |
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---|---|---|---|---|
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CN109087967A (zh) * | 2018-08-10 | 2018-12-25 | 暨南大学 | 一种氧化亚铜薄膜及其制备方法与应用 |
Family Cites Families (3)
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---|---|---|---|---|
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US4064521A (en) * | 1975-07-28 | 1977-12-20 | Rca Corporation | Semiconductor device having a body of amorphous silicon |
US4117506A (en) * | 1977-07-28 | 1978-09-26 | Rca Corporation | Amorphous silicon photovoltaic device having an insulating layer |
-
1980
- 1980-01-17 DE DE3001463A patent/DE3001463C2/de not_active Expired
- 1980-01-17 GB GB8001538A patent/GB2067834B/en not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB2067834A (en) | 1981-07-30 |
GB2067834B (en) | 1983-09-07 |
DE3001463A1 (de) | 1981-07-23 |
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