JP6300787B2 - 太陽電池モジュール - Google Patents
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本願は、2013年3月28日に、日本に出願された特願2013−069401号及び2013年11月26日に、日本に出願された特願2013−243865号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1)すなわち、本発明の第一の態様に係る太陽電池モジュールは、透明基材中に蛍光体が設けられてなり、光入射面から入射した光を前記蛍光体によって吸収し、前記蛍光体から放射された光を内部で伝播させて前記光入射面よりも面積の小さい光射出面から射出させる集光部材と、前記集光部材の前記光射出面に配置され、前記光射出面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、前記集光部材の光入射面又は前記光入射面と反対側の面の少なくとも一方に空気層を介して配置され、前記蛍光体の吸収スペクトルのピーク波長に対する透過率よりも前記蛍光体の発光スペクトルのピーク波長に対する透過率のほうが小さい吸収フィルターと、を含むことを特徴とする。
前記光入射面の法線と平行な方向から見たときの前記バンドパスフィルターの反射スペクトルを第1の反射スペクトルとし、前記光入射面の法線に対して30°〜90°の任意の角度で傾いた方向から見たときの前記バンドパスフィルターの反射スペクトルを第2の反射スペクトルとしたとき、前記第1の反射スペクトルのピーク波長が前記蛍光体の発光スペクトルのピーク波長よりも大きく、かつ、前記第2の反射スペクトルの反射帯域は前記角度が大きくなるにつれて短波長側にシフトしており、前記第2の反射スペクトルのうち少なくとも一つの反射スペクトルのピーク波長が前記蛍光体の発光スペクトルのピーク波長よりも小さいことを特徴とする。
図1は、本発明の第1実施形態に係る太陽電池モジュール1を示す断面図である。
図1に示すように太陽電池モジュール1は、集光板2(集光部材)と、集光板2の端面2cから射出された光を受光する太陽電池素子3と、集光板2の第1主面2a側に空気層7を介して配置された第1吸収フィルター4と、集光板2の第1主面2aとは反対側の第2主面2b側に空気層7を介して配置された第2吸収フィルター5と、集光板2と太陽電池素子3と第1吸収フィルター4と第2吸収フィルター5とを一体に保持する枠体6と、を備えている。
このような有機蛍光体としては、クマリン系色素、ペリレン系色素、フタロシアニン系色素、スチルベン系色素、シアニン系色素、ポリフェニレン系色素,キサンテン系色素,ピリジン系色素、オキサジン系色素、クリセン系色素、チオフラビン系色素、ペリレン系色素、ピレン系色素、アントラセン系色素、アクリドン系色素、アクリジン系色素、フルオレン系色素、ターフェニル系色素、エテン系色素、ブタジエン系色素、ヘキサトリエン系色素、オキサゾール系色素、クマリン系色素、スチルベン系色素、ジ−およびトリフェニルメタン系色素、チアゾール系色素、チアジン系色素、ナフタルイミド系色素、アントラキノン系色素等が好適に使用され、具体的には、3−(2’−ベンゾチアゾリル)−7−ジエチルアミノクマリン(クマリン6)、3−(2’−ベンゾイミダゾリル)−7−N,N−ジエチルアミノクマリン(クマリン7)、3−(2’−N−メチルベンゾイミダゾリル)−7−N,N−ジエチルアミノクマリン(クマリン30)、2,3,5,6−1H,4H−テトラヒドロ−8−トリフルオロメチルキノリジン(9,9a,1−gh)クマリン(クマリン153)などのクマリン系色素や、クマリン色素系染料であるベーシックイエロー51や、ソルベントイエロー11、ソルベントイエロー116などのナフタルイミド系色素や、ローダミンB、ローダミン6G、ローダミン3B、ローダミン101、ローダミン110、スルホローダミン、ベーシックバイオレット11、ベーシックレッド2などのローダミン系色素、1−エチル−2−〔4−(p−ジメチルアミノフェニル)−1,3−ブタジエニル〕ピリジニウム−パークロレート(ピリジン1)などのピリジン系色素、さらには、シアニン系色素、あるいはオキサジン系色素などが用いられる。
さらに、各種染料(直接染料、酸性染料、塩基性染料、分散染料など)も、蛍光性があれば本発明の蛍光体として使用可能である。
図2において、横軸は波長(nm)、左側の縦軸は吸光度、右側の縦軸は発光強度(a.u.)である。符号Sp1は蛍光体21の発光スペクトル、符号Sp2は蛍光体21の吸収スペクトルである。
図3に示すように、各吸収色素の吸収スペクトルのピーク波長は互いに異なる。透明板中に分散させる吸収色素として複数の吸収色素を組み合わせることにより、特定の波長帯域の光を吸収可能な吸収フィルターを得ることができる。例えば、吸収色素は、インディゴ社製の吸収色素を用いることができる。
本実施形態では、吸収フィルターとして厚みが0.5mmのPMMA板に、図4に示すように、インディゴ社製ABS626、ABS647、ABS674、ABS691を0.02%ずつ混入したものを用いる。これにより、概ね600nm〜720nmの波長を吸収可能な吸収フィルターを得ることができる。そのため、発光スペクトルのピーク波長が概ね610nmである蛍光体の発光を見えにくくすることができる。
図6Aは、カーポートへの適用例を示す図である。図6Bは、窓への適用例を示す図である。図6Cは、ビルの壁への適用例を示す図である。
また、本実施形態の太陽電池モジュール1では集光板2が樹脂で形成されているため、従来のシリコン基板を敷き詰めた構成の太陽電池モジュールに比べて、重量が40%程度に軽量化できる。カーポートに従来の重い太陽電池モジュールを設置する場合には、支柱や土台を耐荷重設計にしなければならないため、高コストとなる。また、設置場所によっては重量の関係で太陽電池モジュールを設置できない場合がある。これに対し、本実施形態によれば、カーポートと略同じ重量で太陽電池モジュール1を組み込むことができる。
また、窓においても、カーポートと同様に軽量化を生かした設置ができる。
また、ビルの壁においても、カーポートと同様に軽量化を生かした設置ができる。ビルの壁面に従来の重い太陽電池モジュールを設置するには、壁面に垂直に固定する必要がある。そのため、屋根に設置するよりも強固な固定方法で行わなければならず、太陽電池モジュールの設置領域が限定されてしまう。これに対し、本実施形態によれば、従来よりも軽い太陽電池モジュール1を用いているため、強固な固定方法を必要としない。従って、太陽電池モジュール1の設置領域を大幅に拡大することができる。
例えば、吸収フィルターが、集光板2の第1主面2a側に空気層7を介して配置された第1吸収フィルター4のみを有していてもよいし、集光板2の第2主面2b側に空気層7を介して配置された第2吸収フィルター5のみを有していてもよい。すなわち、吸収フィルターは、集光板2の第1主面2a又は第2主面2bの少なくとも一方に空気層7を介して配置されていればよい。
図7は、本発明の第2実施形態に係る太陽電池モジュール100を示す断面図である。
図7においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第1実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
そのため、円柱状のスペーサー80によれば、球状のスペーサー8に比べて、外部からの衝撃を分散させ易くなる。
その結果、球状のスペーサー8を有する太陽電池モジュールでは、吸収フィルターに傷が生じた。これに対し、円柱状のスペーサー80を有する太陽電池モジュールには、傷が生じなかった。このようにスペーサーの形状を変えることで、衝撃に対する耐性を改善することができた。
図9は、本発明の第3実施形態に係る太陽電池モジュール101を示す断面図である。
図9においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第2実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図10は、本発明の第4実施形態に係る太陽電池モジュール102を示す断面図である。図10においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第3実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
本材料を用いれば、可視光下において98%以上の高い反射率を実現できる。尚、反射層9としては、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等の金属膜からなる反射層を用いてもよい。
図11は、本発明の第5実施形態に係る太陽電池モジュール103を示す断面図である。図11においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第2実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
その結果、赤外線吸収フィルター10を設けていない太陽電池モジュールでは、集光板の温度は75℃程度であった。これに対し、赤外線吸収フィルター10を設けた太陽電池モジュールでは、集光板の温度は50℃で程度であった。このように赤外線吸収フィルター10を設けることで、集光板の温度上昇を低く抑えることができた。
図13は、本発明の第6実施形態に係る太陽電池モジュール104を示す断面図である。図13においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第2実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
その結果、反射防止層11を設けていない太陽電池モジュールでは、太陽電池モジュール表面(第1吸収フィルター表面)の反射率は4%程度であった。4%程度であるが、太陽光が入射するとかなり眩しく、蛍光色もギラギラした感じであった。これに対し、反射防止層11を設けた太陽電池モジュールでは、太陽電池モジュール表面(反射防止層表面)の反射率は0.1%程度であった。太陽光が入射してもほとんど反射せず、見た目の印象がかなり柔らかくなった。このように反射防止層11を設けることで、表面反射が抑えられ、見た目のギラギラ感がなくなり、違和感がなくなった。また、反射率を低く抑えることができるので、太陽光の集光板への入射率が高くなった。発電効率は、反射防止層11を設けていない場合よりも0.5%向上した。
図15は、本発明の第7実施形態に係る太陽電池モジュール105を示す断面図である。図15においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第2実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図17は、本発明の第8実施形態に係る太陽電池モジュール106を示す断面図である。図17においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第7実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図18は、本発明の第9実施形態に係る太陽電池モジュール107を示す断面図である。図18においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第7実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図19は、本発明の第10実施形態に係る太陽電池モジュール108を示す断面図である。図19においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第9実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図20は、本発明の第11実施形態に係る太陽電池モジュール109を示す断面図である。図20においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第7実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図21は、本発明の第12実施形態に係る太陽電池モジュール110を示す断面図である。図21においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
すなわち、本実施形態においては、吸収フィルターが第1吸収フィルター4のみを有している。
尚、本実施形態において第11実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図22は、本発明の第13実施形態に係る太陽電池モジュール111を示す断面図である。図22においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第7実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図23は、本発明の第14実施形態に係る太陽電池モジュール112を示す断面図である。図23においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
すなわち、本実施形態においては、吸収フィルターが第1吸収フィルター4のみを有している。
尚、本実施形態において第13実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図24は、本発明の第15実施形態に係る太陽電池モジュール113を示す断面図である。図24においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第13実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図25は、本発明の第16実施形態に係る太陽電池モジュール114を示す断面図である。図25においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
すなわち、本実施形態においては、吸収フィルターが第1吸収フィルター4のみを有している。
尚、本実施形態において第15実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図26は、本発明の第17実施形態に係る太陽電池モジュール115を示す断面図である。図26においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第15実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図27は、本発明の第18実施形態に係る太陽電池モジュール116を示す断面図である。図27においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
すなわち、本実施形態においては、吸収フィルターが第1吸収フィルター4のみを有している。
尚、本実施形態において第17実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図28は、本発明の第19実施形態に係る太陽電池モジュール117を示す断面図である。図28においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第2実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図30は、本発明の第20実施形態において、集光板2に分散された蛍光体の発光特性及び吸収特性を蛍光体層の発光特性及び吸収特性とともに示す図である。図30において、横軸は波長(nm)、縦軸は吸収特性に関しては吸光度であり発光特性に関しては発光強度である。符号Sp1は蛍光体の発光スペクトル、符号Sp2は蛍光体の吸収スペクトル、符号Sp5は蛍光体層の発光スペクトル、符号Sp6は蛍光体層の吸収スペクトルである。
尚、本実施形態において、太陽電池モジュールの図示は省略し、第19実施形態と共通する構成要素については、詳細な説明は省略する。
図31は、本発明の第21実施形態において、集光板2に分散された蛍光体の発光特性及び吸収特性を蛍光体層の発光特性及び吸収特性とともに示す図である。図31において、横軸は波長(nm)、縦軸は吸収特性に関しては吸光度であり発光特性に関しては発光強度である。符号Sp1は蛍光体の発光スペクトル、符号Sp2は蛍光体の吸収スペクトル、符号Sp7は蛍光体層の発光スペクトル、符号Sp8は蛍光体層の吸収スペクトルである。
尚、本実施形態において、太陽電池モジュールの図示は省略し、第19実施形態と共通する構成要素については、詳細な説明は省略する。
図32は、本発明の第22実施形態において、集光板2に分散された蛍光体の発光特性及び吸収特性を蛍光体層の発光特性及び吸収特性とともに示す図である。図32において、横軸は波長(nm)、縦軸は吸収特性に関しては吸光度であり発光特性に関しては発光強度である。符号Sp1は蛍光体の発光スペクトル、符号Sp2は蛍光体の吸収スペクトル、符号Sp9は蛍光体層の発光スペクトル、符号Sp10は蛍光体層の吸収スペクトルである。
尚、本実施形態において、太陽電池モジュールの図示は省略し、第19実施形態と共通する構成要素については、詳細な説明は省略する。
さらに、集光板2に分散されている蛍光体の発光スペクトルSp1のピーク波長と蛍光体層の吸収スペクトルSp10のピーク波長とが概ね一致しているため、集光板2から発光して上下に抜け出てきた光を蛍光体層に十分に吸収させることができる。また、集光板2に分散されている蛍光体の吸収スペクトルSp2のピーク波長と蛍光体層の発光スペクトルSp9のピーク波長とが概ね一致しているため、蛍光体層から放射された光が再度集光板2に入射し、蛍光体を再発光させることで、集光板2の内部を伝播する光の光量を大きくすることができる。そのため、発電効率を向上させることができる。
例えば、蛍光体層の蛍光材料の発光効率を下げる方法としては、蛍光体層に濃度消光以上の高濃度の蛍光材料を混入させる方法、蛍光体層に蛍光材料を失活させる材料(クエンチング剤)を混入する方法、蛍光体層の蛍光材料として蛍光量子収率の低い材料を用いる方法、がある。
例えば、太陽電池モジュールとして、蛍光体層に替えてバンドパスフィルターが配置された構成において、蛍光体から放射された光とバンドパスフィルターによって反射された光とが混色されることにより、蛍光体から放射された光よりも無彩色に近い光が形成される構成であってもよい。
図35は、本発明の第23実施形態に係る太陽電池モジュール118を示す断面図である。図35において、角度θは、第1主面2aの法線と第1主面2aに入射する光の光軸とのなす角度を意味する(以下、入射角と称する)。図35においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第1実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
また、前記界面で全反射された光は集光板2の内部に閉じ込められ、太陽電池素子に集光されるため、発電効率が向上する。
図40は、本発明の第24実施形態に係る太陽電池モジュール119を示す断面図である。図40においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第23実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
さらに、反射ミラー22によって反射された光は集光板2に戻り、太陽電池素子に集光されるため、発電効率が向上する。
図41は、本発明の第25実施形態に係る太陽電池モジュール120を示す断面図である。図41においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第23実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
尚、図42A、図42Bにおいて、図37と共通する部分については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図44は、本発明の第26実施形態に係る太陽電池モジュール121を示す断面図である。図44においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第25実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
さらに、反射ミラー22によって反射された光は集光板2に戻り、太陽電池素子に集光されるため、発電効率が向上する。
図45は、本発明の第27実施形態に係る太陽電池モジュール122を示す断面図である。図45においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第26実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
このように本実施形態によれば、集光板2の特性を向上させつつ、色味を変えることもできる。
また、用いる蛍光材料と吸収材料との組合せにより、色味を調整することも可能である。
図46は、本発明の第28実施形態に係る太陽電池モジュール123を示す断面図である。図46においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第23実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
このように本実施形態によれば、集光板2の特性を向上させつつ、色味を変えることもできる。
図47は、本発明の第29実施形態に係る太陽電池モジュール124を示す断面図である。図47においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体、太陽電池素子及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第23実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図50は、第30実施形態に係る太陽電池モジュールにおいて、集光板に分散された蛍光体の発光特性及び吸収特性を第1バンドパスフィルター及び第2バンドパスフィルターの反射特性とともに示す図である。図50において、横軸は波長(nm)、縦軸は吸収特性に関しては吸光度であり発光特性に関しては発光強度であり反射特性については反射率である。符号Sq1は蛍光体の発光スペクトル、符号Sq2は蛍光体の吸収スペクトル、符号Sr11は第1バンドパスフィルターの第1の反射スペクトル、符号Sr12は第2バンドパスフィルターの第1の反射スペクトルである。尚、図50においては、便宜上、バンドパスフィルターの第2の反射スペクトルの図示は省略している。また、図50において、図36と共通するスペクトルについては、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図52は、本発明の第31実施形態に係る太陽電池モジュール126を示す断面図である。図52においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体、太陽電池素子及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第29実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図53は、本発明の第32実施形態に係る太陽電池モジュール127を示す断面図である。図53においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体、太陽電池素子及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第29実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図54は、本発明の第33実施形態に係る太陽電池モジュール128を示す断面図である。図54においては、便宜上、集光板2に分散された蛍光体、太陽電池素子及び枠体の図示を省略している。
尚、本実施形態において第29実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
図55は、太陽光発電装置1000の概略構成図である。
太陽光発電装置1000は、太陽光のエネルギーを電力に変換する太陽電池モジュール1001と、太陽電池モジュール1001から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータ(直流/交流変換器)1004と、太陽電池モジュール1001から出力された直流電力を蓄える蓄電池1005と、を備えている。
このような構成の太陽光発電装置1000は、前述した本発明に係る太陽電池モジュールを備えているため、不具合を解消しつつ見た目の違和感や美感が損われることを抑制することができる。
Claims (5)
- 透明基材中に蛍光体が設けられてなり、光入射面から入射した光を前記蛍光体によって吸収し、前記蛍光体から放射された光を内部で伝播させて前記光入射面よりも面積の小さい光射出面から射出させる集光部材と、
前記集光部材の前記光射出面に配置され、前記光射出面から射出された光を受光して電力を発生する太陽電池素子と、
前記集光部材の光入射面に配置された第1バンドパスフィルターと、
前記集光部材の前記光入射面と反対側の面に配置された第2バンドパスフィルターと、
前記第2バンドパスフィルターの前記集光部材と反対側の面に配置された反射層と、を含み、
前記光入射面の法線と平行な方向から見たときの、前記第1バンドパスフィルター及び前記第2バンドパスフィルターのそれぞれの反射スペクトルを第1の反射スペクトルとし、前記光入射面の法線に対して30°〜90°の任意の角度で傾いた方向から見たときの、前記第1バンドパスフィルター及び前記第2バンドパスフィルターのそれぞれの反射スペクトルを第2の反射スペクトルとしたとき、前記第1の反射スペクトルのピーク波長が前記蛍光体の発光スペクトルのピーク波長よりも大きく、かつ、前記第2の反射スペクトルの反射帯域は前記角度が大きくなるにつれて短波長側にシフトしており、前記第2の反射スペクトルのうち少なくとも一つの反射スペクトルのピーク波長が前記蛍光体の発光スペクトルのピーク波長よりも小さい太陽電池モジュール。 - 前記第2バンドパスフィルターの前記第1の反射スペクトルのピーク波長が、前記第1バンドパスフィルターの前記第1の反射スペクトルのピーク波長よりも長波長側にシフトしている請求項1に記載の太陽電池モジュール。
- 前記反射層は、自身に入射する光を異方的に反射する請求項1又は2に記載の太陽電池モジュール。
- 前記反射層は、自身に入射する光を異方的に散乱する散乱層と、前記散乱層の前記第2バンドパスフィルターと反対側の面に配置された反射板と、を含む請求項1から3までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
- 前記第1バンドパスフィルター及び前記第2バンドパスフィルターの少なくとも一方が、前記集光部材に光学的に密着している請求項1から4までのいずれか一項に記載の太陽電池モジュール。
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