JPH09167850A - 多結晶性シリコンを含む太陽電池およびp−型多結晶性シリコンの表面の組織化方法 - Google Patents

多結晶性シリコンを含む太陽電池およびp−型多結晶性シリコンの表面の組織化方法

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JPH09167850A JP8302004A JP30200496A JPH09167850A JP H09167850 A JPH09167850 A JP H09167850A JP 8302004 A JP8302004 A JP 8302004A JP 30200496 A JP30200496 A JP 30200496A JP H09167850 A JPH09167850 A JP H09167850A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改善された光−電流変換効率を有する太陽電
池を提供すること。 【解決手段】 多結晶性シリコンまたはその合金を含
み、光線を受け入れるべき表面を有する太陽電池であっ
て、該電池のシリコン表面が、深さ0.10μm 〜10μm 、
直径 0.1μm 〜10μm の穴を多数含み、深さと直径との
比が1より大きく、穴の占める面積がシリコン表面の面
積の半分より大きいことを特徴とする太陽電池。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】結晶性シリコンは、光電子
学、光電池、光学、熱、ミクロ電子光学の分野、および
半導体工業において、多く応用されている。本発明は、
光線を受ける表面が多結晶性シリコンによって構成され
ている太陽電池または光電池に関する。本発明は特に、
光学性能を高めるためにその表面が組織化処理によって
改質されているシリコンを含む太陽電池に関する。
【0002】組織化(texturization )は、材料表面を
粗くして、その表面上で光入射を多重反射させ、それに
よってその材料内での光の吸収を多くすることから成
る。このようにして得られた粗さにより、二つの相補的
な効果を生ずる。第一の効果は、表面の屈折力または光
学反射率を小さくすることであり、第二の効果は、材料
内に入射した光による光学距離を長くすることである。
光電池では、シリコンにおける光吸収の増加により、光
が電気に変換される効率が増加する。
【0003】この結果を達成し、表面を均一に組織化し
て明瞭な結晶学平面をそこに示すことができる方法はい
くつかある。例えば、機械的彫刻、レーザーエッチン
グ、写真平板、マスキングなどの方法が挙げられるが、
それらは、手段が複雑であり、かつ高価である。現在知
られている、工業的規模で使用される表面の組織化は、
水酸化ナトリウム(NaOH)または水酸化カリウム
(KOH)をベースとするアルカリ水溶液を高温で使用
することから成る。それらの水溶液は、表面に位置する
結晶の結晶方向に依存してシリコンを異方的にエッチン
グする性質を有し、それによってシリコンの表面形態学
が改変される。エッチング速度は、[100] の結晶方向を
有する平面上の方が、[111] の平面上よりも約 100倍大
きい。このため、その表面は、入射光を捕捉する[100]
平面上に位置する正角錐の形状で組織化され、これを
「マクロ組織化」という。多結晶性シリコンの場合、表
面のほんの 20 % がこの結晶方向を有する結晶で構成さ
れると推定され、これは、その処理が、光学反射性に関
してあまり有効でないことを意味する。従って、その方
法は、処理すべき表面に結晶方向 [100]を有する単結晶
性シリコンという特別の場合にのみ十分有効である。
【0004】n−型単結晶性シリコン表面の光学反射性
をかなり減少させるために、酸媒体中での光電気化学エ
ッチングに関する研究が、A. Lagoubiら(11th Photo-v
oltaic Solar Energy Conference, Montreux, 1992)に
よって行なわれた。ナノポーラスの外層(直径が 50 nm
未満の孔を有する層)およびマクロポーラスの内層(直
径が 50 nmより大きい孔)の重ね合わせは、ナノポーラ
ス層を溶解することにより明らかにされる。マクロポー
ラス層で被覆された表面の反射率は、未処理表面よりも
低い。
【0005】その研究は、ただn−型単結晶性シリコン
のみに関するという欠点がある。また、光電気化学法を
工業的媒体中で行なうことは容易でない。
【0006】従って、表面にある結晶の結晶方向に関係
なく多結晶性シリコンの表面を均一に組織化するために
工業的に適用できる方法を得ることが必要である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、多結
晶性シリコンを含む太陽電池であって、その効率が、現
在使用されている公知の太陽電池よりも改善された太陽
電池を提供することである。
【0008】本発明の別の目的は、有効で安価であり、
光学反射率をかなり減少させることができ、有効な吸収
を増加させることができるp−型多結晶性シリコンの表
面を組織化する方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段および発明の実施の形態】
本発明は、多結晶性シリコンまたはその合金を含み、光
線を受け入れるべき表面を有する太陽電池を提供し、該
電池は、該シリコン表面が、深さ0.10μm 〜10μm 、直
径 0.1μm 〜10μm で深さと直径との比が1より大きい
ピット状の穴(hole)を多数含み、穴の占める面積がシ
リコン表面の面積の半分より大きいことを特徴とする。
【0010】本発明の太陽電池は、p−型電導性を有す
る多結晶性シリコン(ポリ結晶性シリコンとも言う)、
またはその合金、特にゲルマニウムとの合金から作られ
る。シリコンは、塊の形状(例えば厚さが数百ミクロン
である薄いプレート状)であってもよく、または厚さ約
50μm のテープ状もしくは薄層であってもよい。
【0011】本発明の電池のシリコンは、ピットと称す
規則的な形の凹部が形成された表面を有し、そのピット
は均一に分布し、表面の結晶の結晶方向に関係なく位置
している。穴の深さと穴の直径との比は、入射光が材料
内で捕捉される効率を決定する主要パラメーターの一つ
である。光を吸収するための効率は、穴の深さが15μm
より小さいならばそれを増加させ、深さ/直径の比をで
きるだけ大きくして1より大きくすると、改善される。
【0012】本発明はまた、p−型多結晶性シリコンお
よびその合金の表面の組織化方法を提供し、該方法は、
本質的に下記の二つの工程: −シリコン表面を多孔性にして層を形成するための、フ
ッ素イオンも含む酸化溶液による該表面の部分的化学酸
化によって構成される第一工程;および −該層を溶解して組織化された表面を得ることから成る
第二工程 を組み合わせて成ることを特徴とする。
【0013】処理すべき表面は、特に、それに限らない
が、切断により得られる。切断したままの表面はきれい
であり、化学酸化を妨害する可能性のある不純物を含ま
ない。化学的光沢を有する表面を得るために、化学的に
清浄する必要はない。場合によっては、市販の溶液によ
って化学的に磨きをかけてもよい。
【0014】多孔性シリコンは、p−型多結晶性シリコ
ンの表面上で局所的に化学酸化することにより、第一工
程中に得られる。この操作は、シリコンの一部の酸化を
フッ素化錯体を形成することにより行なうことから成
り、フッ素化錯体は溶解して、孔(pores )を呼ばれる
穴を含む表面層となる。シリコンの等方性酸化は、フッ
素イオンの存在下でのみ得られる。腐食速度は、一部に
は、0.01 M〜25 Mの範囲であるフッ素イオンの濃度によ
って制限される。そのような条件下では、シリコンの腐
食は均一ではなくて局在化し、それによって、多孔性シ
リコンのひずみが生じる。
【0015】本発明の第一の態様において、該酸化溶液
は、フッ素イオンも含む酸水溶液である。その溶液のp
Hは、好ましくは5未満である。
【0016】本発明の第二の態様において、該酸化溶液
は、フッ素イオンも含む有機溶液であり、例えば、有機
溶媒は、アセトニトリルCN−CH3 によって構成する
ことができる。
【0017】酸化は、好ましくは、例えばクロム酸HC
rO3 由来のクロム酸イオンCrO3 - 、例えば臭素酸
カリウムKBrO3 によって供給される臭素酸イオンB
rO3 - 、例えば硝酸HNO3 由来の硝酸イオンNO3
- 、例えば亜硝酸ナトリウムNaNO2 によって供給さ
れる亜硝酸イオンNO2 - 、例えばエチレンジアミン由
来のアミンイオン、例えばCu2+/Cu+ 、Fe2+/F
3+、I2 - /I- 、Mn7+/Mn2+、またはS7+/S
6+などの金属レドックス対、およびそれらの混合物から
選択される酸化剤を含む溶液によって行なわれる。表面
の過剰の乱れを避けるために、低濃度の酸化剤を使用す
るのが好ましい。
【0018】反応をより良好に制御するために、シリコ
ン腐食速度を遅らす目的で、例えば酢酸CH3 COOH
またはその反応条件と適合し且つ酢酸と大体同程度の誘
電率を有する他の化合物などの阻害剤を酸化溶液に添加
することができる。
【0019】第二工程が終わると、多孔性シリコンの制
御された溶解により、ピットのあいた表面が得られる。
この様相を以下、「ミクロ組織化」という。
【0020】第二工程は、多孔性シリコンを、アルカリ
水溶液、エチレングリコールの有機溶液およびヒドラジ
ンの有機溶液から選択される溶液に溶解することから成
る。アルカリ水溶液の場合、該アルカリは、好ましく
は、水酸化ナトリウムNaOH、水酸化カリウムKO
H、水酸化アンモニウムNH4 OHおよびそれらの混合
物から選択される。
【0021】この溶解工程の目的は、表面の多孔性層と
その材料のコアとの間の界面を明らかにするために、該
多孔性層を取り除くことである。すなわち、その考え
は、第一工程中に形成された多孔性層を制御された方法
で溶解することである。溶解速度は溶解溶液の濃度に関
係し、その場合、低いのが有利である。反応の進行を制
御して、多孔性シリコンを溶解することにより得られる
新しい表面の構造の乱れを避けるようにするのが重要で
ある。
【0022】好ましい態様では、第二工程は、アルカリ
水溶液中で行なわれ、そのアルカリ濃度は 0.001 M〜2
M の範囲であり、温度は 0℃〜30℃の範囲である。一般
に、1秒〜5分の素早い接触で十分である。
【0023】溶解は、表面がほとんどミクロ組織化を示
さなくなるまで時間を延長することができる。反射率の
測定によると、表面は、溶解時間が増加するほど反射率
がだんだん小さくなり、本発明のミクロ組織化表面に対
応する最小値の反射率に達することを示す。その後、表
面がより滑らかになるにつれて、反射率は増加する。
【0024】別の態様では、該方法は、第一工程の前
に、30℃より高い温度でアルカリ水溶液により該表面を
限定的化学エッチングする(limited chemical etchin
g)前工程も含む。この工程は、表面のシリコンの一部
を溶解することから成る。従来の方法に類似するこの処
理は、[100] 方向を有する表面に対してピラミッドであ
る[111] 結晶面によって定義される構造状態で、シリコ
ンの表面のマクロ組織化をもたらす。次いで、本発明の
第一工程および第二工程が行なわれる。多孔性シリコン
層の溶解はミクロ組織化を引き起し、それは、前工程中
に得られたミクロ組織化に追加されて、その効率を高め
ると考えられる。
【0025】別の態様では、該方法はさらに、第二工程
の後に、組織化された表面上に反射防止層を付着させる
ことから成る第三工程を含む。本発明方法によって組織
化された表面により得られる性能は、場合によっては、
反射防止層の使用を回避することを可能とし、それによ
って、対応する製造コストの削減が達成される。
【0026】本発明方法の利点は、ミクロ組織化表面か
ら始まるシリコン内での光線の拡散を増加させることで
ある。光学的拘束が改善され、それによって、電子特性
がより小さい材料、すなわち安価な材料の使用が可能と
なる。組織化された表面の規則的形態により、特に電流
を集めるために、例えばシルクスクリーンプリントによ
り微細な付着を達成することができる。すなわち、本発
明の太陽電池は、コストを下げるための、改善された光
−電流変換効率を提供する。
【0027】
【実施例】本発明は、以下の実施例および添付する図面
を参照することにより、よりよく理解され、他の利点お
よび特徴が明らかにされるが、本発明は、以下の実施例
に限定されるものではない。
【0028】実施例1 p−型多結晶性シリコンのサンプルAの表面を本発明方
法によって組織化した。サンプルAの表面の一部を硝酸
HNO3 およびフッ化水素酸HFを 1:3の割合で含む水
溶液に接触させた。その処理を室温で約5分続けた。こ
うして処理した表面のシリコンは多孔性になった。次い
で、多孔層を、約0.12 Mの濃度の水酸化ナトリウムNa
OHのアルカリ水溶液と素早く接触させることにより溶
解させた。
【0029】そのとき、直径および深さが約10μm であ
る複数のピットを有するミクロ組織化された表面が得ら
れた。
【0030】実施例2 p−型多結晶性シリコンのサンプルBの表面を本発明方
法によって組織化した。その表面をフッ化水素酸HFお
よび亜硝酸ナトリウムNaNO2 を 1:400の割合で含む
水溶液に接触させた。生成した多孔性シリコン層は、そ
の全面積にわたって均一であり、その厚さは約 0.6μm
であった。次いで、多孔性層を実施例1の記載と同様に
溶解させた。
【0031】図1は、シリコンサンプルAの表面の処理
ゾーン10を示す。ミクロ組織化された表面は、大きさが
0.1μm 〜 0.3μm の範囲であるピットを含み、それ
は、第一工程中に形成された多孔性シリコンの穴の大き
さよりかなり大きい。隣接のゾーン11には処理を施さな
かった。
【0032】実施例3 p−型多結晶性シリコンのサンプルCおよびDの表面組
織化を行なった。
【0033】サンプルの表面を、温度 80 ℃で、濃度
0.5 Mの水酸化ナトリウムNaOHのアルカリ水溶液と
接触させた。図2は、公知のマクロ組織化処理の後のサ
ンプルの表面に現れたピラミッド 20 を示す。
【0034】その後、サンプルDの表面を、実施例2に
記載したフッ化水素酸HFおよび亜硝酸ナトリウムNa
NO2 を含む水溶液に接触させた。次いで、多孔性層を
実施例1に記載したアルカリ水溶液によって溶解させ
た。
【0035】図3は、本発明のミクロ組織化処理の後の
サンプルDの表面を示す。そこでは、ピラミッド30の形
がわずかに変形されて、そのかどの鋭さが特にピラミッ
ドの土台部分でにぶくなっていることが分かり、その表
面は外観が綿毛でおおわれているようであることが分か
る。ミクロ組織化は表面全体にわたって存在し、孔の直
径は、0.1 μm 〜 0.2μm 程度である。このミクロ組織
化は、実施例2のサンプルBに対して認められるものと
同様である。
【0036】全体の反射測定を、先に作ったサンプルC
およびDに対して行なった。得られた結果を図4に示
す。本発明方法を使用してサンプルDに対して行なった
組織化(曲線 40 )は、公知方法を使用してサンプルC
に対して行なったマクロ組織化(曲線 41 )よりも、可
視範囲での光の吸収が良好であることが分かる。
【0037】実施例4 サンプルEおよびFを、各々、実施例3のサンプルCお
よびDと同様に作ったが、それらは、その後に、反射防
止層で被覆した。
【0038】全体の反射測定を、実施例3と同じ方法で
サンプルFに対して行なった。図4は、本発明方法を使
用して組織化を行なったサンプルFに反射防止層を付着
すると、可視範囲での光の吸収(曲線 42 )が、本発明
の方法によるサンプルDに対して行なったミクロ組織化
の場合(曲線 40 )よりも良好になったことを示す。
【0039】実施例5 サンプルG、HおよびJから、次のようにして太陽電池
を作った。サンプルを、大きい面積の二つの面を有する
p−型多結晶性シリコンの薄いプレート状にした。各面
を組織化した。サンプルGを、実施例3のサンプルCに
対して使用した条件と同様の条件下で、公知方法により
処理した。サンプルHおよびJを、実施例3のサンプル
Dと同様の方法で本発明方法により作った。n−p接合
を、常法によるドーピングにより、プレートの一方の面
に作った。次いで、サンプルJのその面を反射防止層で
被覆した。その後、サンプルに常法を使用して、光線の
影響下で作られる電気を集めた。
【0040】サンプルJと同様の方法で作ったp−型多
結晶性シリコンを含む本発明の太陽電池の断面を図5に
示す。一辺が 10 cmで厚さが 200μm の正方形のプレー
ト形状である。p−型多結晶性シリコンプレートの一方
の面を組織化した後、不純物(リン、ヒ素などの原子)
をその表面に拡散させて、その表面の外観を変えること
なく、p−型多結晶性シリコンをn−型にドーピングし
た。そのとき、そのプレートは、組織化された面を有
し、その表面上にn−型多結晶性シリコンの薄層2が被
覆された、p−型多結晶性シリコンのコア1を含んでい
た。層2の厚さは約 0.1μm 〜 1μm であった。こうし
て、n−p接合が得られた。光線を受けるこの表面を、
例えばTiO2 の反射防止層3で被覆した。電池の負極
を構成する、銀粉末をベースとする集電装置グリッド4
を、シルクスクリーンプリントにより付着させた。同様
に、反対の面を、電池の正極を構成する集電装置グリッ
ド5で被覆した。
【0041】種々の太陽電池の性能を下記方法により評
価し、得られた結果を下記表Iにまとめる。
【0042】電池の電流/電圧特性を、太陽光のスペク
トル分布に関して言及した規格 CEI904-3(または IEC
904-3)に明記されているように、1 kW/m2 の入射エネ
ルギー下で、0 mV〜600 mVまで変化する電圧をかけるこ
とにより測定した。
【0043】この特性を、図6に示す。本発明のサンプ
ルHに対しては曲線60であり、従来法のサンプルGに対
しては曲線 61 である。こうして、電池により供給され
うる電流の最大値Imax および電圧の最大値Vmax を推
定することができる。
【0044】短絡電流Iccを、室温(25℃)、ゼロ電圧
V=0で測定した。
【0045】光−電流変換効率を、入射光エネルギーに
対する復元電気エネルギーの割合として計算した。
【0046】
【表1】
【0047】本発明の太陽電池の性能は、従来技術に対
して、光−電流変換効率Rが 6.4 %増加している。反射
防止層を追加すると、さらに26 %の改善が本発明の電池
の使用により得られた。同様に、本発明電池の短絡電流
ccは、従来の電池より5.4% 多かった。
【0048】実施例6 各々約 400個の太陽電池を含む二つのバッチを、各々サ
ンプルJおよびKに対して工業的に製造した。サンプル
Jの製造は、上記実施例5で記載した。サンプルKは、
実施例5のサンプルGと同様の方法で作ったが、サンプ
ルJと同様の方法で反射防止層の被覆を行なった。
【0049】電池の評価を、電気テストにより行なっ
た。テストは、各電池に450 mVの電圧をかけ、それによ
って運ばれる電流を測定することから成る。得られる光
−電流変換効率Rによって、電池をクラスに分類
した。は最も高い効率(Rが14 %以上)に対応し、ク
ラスは、最も低い効率(Rが 11.50 %〜11.25%の範
囲)を有する電池に対応する。
【0050】分布のヒストグラムを図7および8に示
す。それらは、各々、サンプルJおよびKに対応する。
【0051】従来技術によるサンプルKを使用して製造
したバッチでは、クラス(Rが 13.50 %〜13.25 % の
範囲)が中心であり、電池の大部分は効率がクラス
(Rが 13.75 %〜13 %の範囲)にある。より高い効率
(Rが 13.75 %以上)に対応するクラスおよびにあ
る電池は非常に少ないことが認められる。
【0052】本発明のサンプルJを使用したバッチは、
大部分の電池の効率がクラス(Rが 13.50 %以
上)にあり、これは、最も高い効率に対応する。
【0053】種々の例を実施例のみによって示したが、
本発明はもちろん、記載した態様に限定されるものでは
なく、本発明の精神を逸脱しないならば、当業者に利用
できる多くの変更が可能である。特に、方法の種々の工
程に対する時間または温度などのパラメトリック条件
は、本発明の範囲を超えないならば、変更することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によって部分的にミクロ組織化されたシ
リコンの表面組織を示す走査電子顕微鏡(0.5 cm〜 1μ
m )による写真である。
【図2】図1と同様であるが、公知の方法によってマク
ロ組織化されたシリコンの表面組織を示す写真である。
【図3】図1と同様であるが、前化学エッチング工程を
含む本発明方法によって組織化したシリコンの表面組織
を示す写真である。
【図4】シリコン表面上での入射光線の反射率をその波
長の関数として、表面が公知方法または本発明方法のど
ちらによって組織化されているかに依存して示し、反射
率Rは、座標の縦軸に %の 10 倍(すなわち、×10 %)
でプロットし、入射波の波長Lは、座標の横軸に nm で
プロットした。
【図5】本発明の太陽電池の図式的断面図である。
【図6】太陽電池のシリコン表面が公知方法または本発
明方法のどちらによって組織化されているかに依存し
て、電流が太陽電池の電圧の関数としてどのように変化
するかを示し、電流Iは座標の縦軸にmAでプロットし、
電圧Vは座標の縦軸にmVでプロットした。
【図7】本発明の太陽電池のバッチを工業的に製造した
際に得られた光−電流変換効率の分布を示すヒストグラ
ムであり、電池の数Nは座標の縦軸にプロットし、変換
効率Rは横軸に分類して示す(分類は)。
【図8】図7と同様であるが、公知方法によって製造し
た電池のバッチに対する図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドミニク・サルテイ フランス国、38300・ブルゴワン−ジヤリ ユ、バテイマン・セー、ル・クロ・ロジエ (番地なし) (72)発明者 クロード・レビー−クレマン フランス国、92195・ムドン、プラス・ア リステイド・ブリアン・1、セー・エヌ・ エール・エス気付 (72)発明者 ステフアンヌ・バステイード フランス国、38300・ブルゴワン−ジヤリ ユ、ゼツド・イー・シヤンフルリ、リユ・ サン・トノレ、33、フオトワツト・アンテ ルナシヨナル・エス・アー気付

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多結晶性シリコンまたはその合金を含
    み、光線を受け入れるべき表面を有する太陽電池であっ
    て、該電池のシリコン表面が、深さ0.10μm 〜10μm 、
    直径 0.1μm 〜10μm で深さと直径との比が1より大き
    いピット状の穴を多数含み、穴の占める面積がシリコン
    表面の面積の半分より大きいことを特徴とする太陽電
    池。
  2. 【請求項2】 p−型多結晶性シリコンおよびその合金
    の表面の組織化方法であって、該方法が、本質的に下記
    の二つの工程: −シリコン表面を多孔性にして層を形成するための、フ
    ッ素イオンも含む酸化溶液による該表面の部分的化学酸
    化によって構成される第一工程;および −該層を溶解して組織化された表面を得ることから成る
    第二工程 を組み合わせて成ることを特徴とする方法。
  3. 【請求項3】 溶液が酸水溶液であることを特徴とする
    請求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 溶液が有機溶液であることを特徴とする
    請求項2に記載の方法。
  5. 【請求項5】 溶液が、クロム酸イオン、臭素酸イオ
    ン、硝酸イオン、亜硝酸イオン、アミンイオン、金属レ
    ドックス対およびそれらの混合物から選択される酸化剤
    を含むことを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に
    記載の方法。
  6. 【請求項6】 溶液がさらに阻害剤を含むことを特徴と
    する請求項2〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 【請求項7】 第二工程が、アルカリ水溶液、エチレン
    グリコール溶液およびヒドラジン溶液から選択される溶
    液での溶解から成ることを特徴とする請求項2〜6のい
    ずれか一項に記載の方法。
  8. 【請求項8】 溶解がアルカリ水溶液で行なわれ、その
    アルカリ濃度が0.001 M 〜2 M の範囲であることを特徴
    とする請求項7に記載の方法。
  9. 【請求項9】 アルカリが、水酸化ナトリウム、水酸化
    カリウム、水酸化アンモニウムおよびそれらの混合物か
    ら選択されることを特徴とする請求項7または8に記載
    の方法。
  10. 【請求項10】 第一工程の前に、さらに、アルカリ水
    溶液によって30℃より高い温度で該表面の限定的化学エ
    ッチングを行なう前工程を含むことを特徴とする請求項
    2〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 【請求項11】 第二工程の後に、さらに、該表面上に
    反射防止層を付着させることから成る第三工程を含むこ
    とを特徴とする請求項2〜10のいずれか一項に記載の
    方法。
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