JPS58166680A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Publication number
JPS58166680A
JPS58166680A JP57050533A JP5053382A JPS58166680A JP S58166680 A JPS58166680 A JP S58166680A JP 57050533 A JP57050533 A JP 57050533A JP 5053382 A JP5053382 A JP 5053382A JP S58166680 A JPS58166680 A JP S58166680A
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JP
Japan
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semiconductor
type
redox
electrode
semiconductor device
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Pending
Application number
JP57050533A
Other languages
English (en)
Inventor
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
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Priority to US06/479,559 priority patent/US4525435A/en
Publication of JPS58166680A publication Critical patent/JPS58166680A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20Light-sensitive devices
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M14/00Electrochemical current or voltage generators not provided for in groups H01M6/00 - H01M12/00; Manufacture thereof
    • H01M14/005Photoelectrochemical storage cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光照射によシミ子およびホールを励起して光起
電力を発生する半導体装置%に光電変換装置をレドック
ス(還元−酸化反応用)溶液を含む電解質溶液と一体化
せしめることにょシ、出力の平坦化と電力の貯蔵、さら
に夜間の電力使用等を行なわしめようとするものである
従来光電変換装置特に太陽電池においては、光照射によ
って光起電力を発生させることができる。しかしこの太
陽電池は太陽光の照射されている時のみ、その照射強度
に比例して出方が出るため、晴、くもシ等で出力の変動
が大きい。
一般家庭の屋根に設けた場合、夜間照明を行なう際に光
起電力が田ない等の欠点があり、民生用の実用化には大
きな問題であった。
これらを補なうため二次電池を用りる方法力;知られて
いる。しかし二次電池は価格が高く、他の設置場所を必
要とする等の欠点を有していた0 他方レドックス反応が知られている。これ百代表的には
水中のT108等の酸化物半導体に光照射を行ない、こ
の面で発生する電子およびホールを利用して、レドック
ス(酸化(オキシディジョン)−還元(リダクション)
反応またはかかる反応を行なう溶液を総称していう)を
行なわせようとするものでおる。かかる?ドックス反応
においては、電解質溶液(電解液という)は電極と電気
化学反応を起させるが、この時この電極が一般的な半導
体特に珪素またはゲルマニュームにおいては、これが酸
化反応または溶解反応をお9してしまうことがわかった
。特にこの半導体が酸化すると、酸化珪素絶縁体を構成
し、電気化学反応は全く不可能になる。
本発明は電解液に接する半導体電極はPまたはN型の導
電型を有し、加えて耐浸触性、耐酸機としている。加え
てこれら炭化珪素または窒化珪素は、プラズマ気相法に
より100〜500’Oの低温で被膜形成をしたアモル
ファス、5〜100Aの規則性を有するセミアモルファ
ス、さらにマイクロクリスタル構造を有する非単結晶半
導体を用いており、そのためSlとCまたはNとの化学
量論比を調整することによりPまたはN型の半導体であ
ってその電気伝導度は1×lO〜9×10(ncm5を
有する半導体とすることができた。かかる耐触性半導体
を用い電解液に接する半導体を構成せしめたことを特徴
とする。
さらに本発明はこの半導体をその一部に有するP工N、
 P工σN、 IJ工I)P接合を有せしめ、そこに光
照射をして発生した電子またはホールと電解液と反応さ
せること、さらに金属電極(Mと単に記す)の−主面に
前記PIN1P工譬N1N工jp接合を少なくとも1つ
設け1.さらにその裏面にこの金属電極に接するPまた
はN型半導体と同一導電型を有する炭化珪素または窒化
珪素半導体層を設けて、P工N’MN、 N工PMP、
P工N−NMN1N工npMp接合を有せしめ、この裏
面のPまたはN型半導体に電解液を接せしめることによ
り、光照射を主面側で行なう。そこで発生した電子また
はホールをMの裏面に設けられた半導体により電解液と
レドックス反応をさせるいわゆるレドックス反応と光起
電力発生とを一体化したことを特徴としている。
加えて本発明はかかるPまたはN型半導体をかく膜また
はイオン交換膜により分離し、P型半導体をアノードと
して用い、またN型半導体をカソードとして用いたいわ
ゆ゛る相補構成を有する半導体装置を構成せしめること
により、電極反応をアノード、カソードにて相乗して行
なわしめようとしたものである。
以下に図面に従って本発明を記す。
実施例1 この実施例は1つのP工NまたはN工P接合を有する光
電変換装置に設けられたPまたはN型の炭化珪素または
窒化珪素半導体(8)に水または水溶液が接するレドッ
クスフロー電極に関するものである。
特に水溶液系レドックスにおいて水を用いる場合、半導
体がレドックスKN層を接しているカソード電極側にて
水素を発生し、またホールをもらうまたは電子を放出す
るアノード電極側であるP層側では酸素が発生する。こ
のため光電変換効率の高い1.3〜2. OeVのエネ
ルギバンド巾を有するとともにP工N接合を構成してい
る非単結晶半導体特にアモルファスまたはセミアモルフ
ァス半導体を用いた光電変換装置と一体化して、酸素と
水素とを分離発生させることができた。
また本発明においては、従来よシ知られた白金−酸化チ
タン半導体電極系を用いたレドックス系に比べて大きな
違いを有する。すなわち酸化チタンはエネルギバンド巾
が3.2aVを有するため、照射光のうち紫外、線のみ
に有効に電子・ホール対を作り分離することができる。
このため太陽光等の500nmを中心とする連続光に対
してはきわめて効率が低い。またその製造において60
0〜s o o’cの高温高エネルギを必要とする。
他方本発明においてはEg(エネルギバンド巾)は1.
0−2.5eVを用い、特に照射光で電子・ホールを発
生させる王層またはIP、工N層を構成する活性領域K
Eg・1.3〜2.0θVを有する非単結晶の珪素、炭
化珪素、珪化ゲルマニュームを用いた。加えてP層また
はN型半導体層は1.8〜2.5eVの広いEgを有す
る炭化珪素または窒化珪素を用いたことを他の特徴とし
ている。
すなわちこのうち珪素特にアモルファスまたは5〜10
0Aのショートレンジオーダの微結晶を有するセミアモ
ルファス珪素においては、Egl、6〜1.9eVを有
するため、光特に太陽光に対し3500〜5000Aの
短波長の光吸収係数が単結晶珪素(Eg・〕−6・1θ
V〕に比べ10〜30倍も短波長側のその短波長側での
光吸収係数が20倍も単結晶珪素に比べて大きいため、
その厚さを0.3〜1μ代表的には0.5μでよく、さ
らにこの活性半導体層に積層して半導体電極として安定
させるためのPまたはN層に対しては、5ixO,−、
(Ozx<1特にx= 0.2〜0.7)またはSi、
N、、 (o e X(4特K x 、3.5〜3.9
5)の光学的エネルギバンド巾を1.8〜2.8eVと
、1層の1.3〜2.Oev代表的には1.7〜1、 
sevに比べ、広く設けたヘテロ接合とした。
さらにとのPまたはN層は50〜500Aときわめて薄
くさせても十分の化学ポテンシャルを有せしめることが
可能であった。さらにこの広いKgのPまたはN型半導
体層を電解液とは逆の面すなわち透光性基板特にガラス
基板側より光照射をし、この基板の電極上に設けられた
PIN接合を有する半導体が全体の厚さが0.3〜1μ
と薄くてもよいため、この半導体またはこの上面の半導
体とは異種材料の電極面にレドックスを密接させること
ができた。
このヘテロ接合を有する光電変換装置に関しては、重置
門人の出願になる特許願 米国特許公告4254429
号(対応日本特許53−83467゜83468 E+
53. ’7.8出願)米国特許公告4239554号
(対応日本特許願52−8686’i’、86868 
S53゜’7.1′/出願)Kその詳細が示されている
さらにこのP工N接合を2つまたはそれ以上重ねて設け
るタンデム構造とすることも可能でお体層(8)をレド
ックスに接して宥し、さらにこの半導体層はP(6−i
たは8)■(’7)N(84たは6)接合を有する非単
結晶半導体(5)を構成し、反対面の対抗電極として(
3)が設けられている。
この図面において入射光α0)は透光性基板(2)側よ
シ行ない、この半導体(5)Kて発生した電子またはホ
ールが半導体(8)Kて電解液(1) K与えられレド
ックス反応を生ぜしめた。
特にこの場合半導体(5)は真性または実質的に真性の
半導体として反応性気体に13.56MHzの高周波に
加えて被形成面を100〜50″Oaに加熱し0、03
〜3tOrrの圧力でプラズマ放電をさせたいわゆるプ
ラズマcVD法により作られた非単結晶珪素を用いた。
加えて同様の方法により、P層により、GaをG a 
(OH口にょム エnを工n、(CI(l)。
により、珪化物気体であるシラン、炭化物気体であるメ
タンを、%にシランに対し2.0−’70チ添またN層
としてはS i)N、、、 (0−!l′xc 4) 
テある窒化珪素を用い、これは同様にプラズマOVD 
法により作る際、珪化物気体であるシラン(srb H
ts+Lnご1)にアンモニアまたはζドラジンをシラ
ンに対し0.5〜10%添加し、加えてV価の不純物で
あるリンをPH,により、ヒ素をA s H,Kよシ、
アンチモンを5b(aQ、により0.01〜3モルチ添
加して形成り*。5b(C14,)、E Fn’−14
,4,Sb A 90 tit: t/(tit C5
+ C,N、)r:1p!。
これは実験の結果炭化珪素はPまたはN型の導電型を有
する半導体になるが、特KP型の半導体としての電気伝
導度をc)17(Si)L+C!)Q・50チにて16
r−16’ (、ac m)’を1価の不純物を0.5
チ添加しただけで作られ、N型とした場合はこの2〜4
倍も添加しなければならないことによる。
このためアノードとしてはP型の炭化珪素が特に耐触性
にすぐれていた。またこの不純物としては■価の不純物
が基本的には使用可能であったが、アクセプタとしての
Ga、−工nはそれらが酸化しても導電性を有している
ため、アクセプタ材料である窒化珪素が好ましかった0
これは窒化珪素自身が耐酸化性を有し、加えて不対結合
手を有する窒素もそれ自体ドナーとして作用し得る。ま
たこの場合においてもこの中に添加する不純物はV価で
あればすべて可能であったがアンチモンが酸化をした後
においても導電性を有するため、電極部での劣化防止す
なわち信頼性向上の面より好ましかった。
第1図はさらにこの電解液でちる水(1)にその中に反
応促進剤としてのスズ、ヨウ素を添加しまた対抗電極と
して白金をおいたものである。
照射光(10)透光性基板(2)補助金属導電層(4)
透光性導電膜(3)P工N接合を有する半導体(5)さ
らに本発明の耐触性のP型の半導体(8)水を主成分と
する電解液(1)電解液の注入口04酸素の排気口α埠
水素の排気口Cue負荷抵抗(1■スイツチ(9)より
なっている。
特に半導体に関しては、入射光側のPまたはN層(6)
はここで照射された光の吸収損失を少なくするため、1
.6〜3θV代表的には1.8〜2.3eVと広いBg
とすること、がきわめて重要であり、さらにその厚さは
5O−20OAで十分であった。この側の電極(3)は
工To(酸化インジュームと1〜7チの酸化スズの混合
体)またはその上面に100〜300Aの厚さに酸化ス
ズが形成された2重構造を利用している。そのためP型
半導体中に自動的にバイヤスをかけることができる。さ
らに照射光は溶液での反射が全くない反対面より行なっ
ている。また入射光は丁型半導体層にて十分ホール・電
子を発生している。これらにより0、0’lVとシラン
トノ(ンド電流(5荀が負にシフトとA M 1 (1
00m w/c m)の照射光により8〜10mA/C
ハの電流密度を得ることができた。このため変換効率は
4〜6チを得ることができた。
実施例2 第3図は本発明の他の実施例を示す0 すなわち透光性基板(2)上に透光性電極(3)、半導
体(5)、PまたはN層(6)、Eg =1.3〜2.
 OeVを有し光照射により電子およびホールを発生す
る性の★導体電極であるNまたはP層(8)よりなる半
導体(5)、また対抗電極α0よりなり、それらは第1
図と同一材料を用いた。電解液であるレドックスはその
中央部に半透膜例えばイオン交換膜0椋を設け、半導体
電極側のレドックスα時および対抗電極側のレドックス
(1カが設けられている。
照射光(10)Kよる電気エネルギはスイッチ(9)ヲ
閉じてレドックス反応をさせて、レドックス0→0乃内
にエネルギを貯蔵(充電)すればよい。まゴー た夜間等において貯蔵したエネルギを放電(放電)せし
めるには負荷−にエネルギを与えるためQl)のスイッ
チをオンにすればよい。
この電解液に関しては、この実施例では非水溶液を用い
た。
特にその溶質としては、例えば Fe(ビピリジン5.’ (010−”、−(F B 
P)を用い、また溶媒として例えばプロピレンカーボネ
ートを用いた。
かくの如き材料をレドックスとして用いるこトニヨリ、
レドックス反応、すなワチ FBPLf’ FBI”+−e二  アノードFB芒h
−ゴF B P”   カソードただし →充電  ム
放電 の反応を行なわしめることができた。
カソードとして aBP+e−: OBF ただしCBPはクロムのビピリジンを示す。
に示される如く、クロムのリーガンドを溶媒として用い
てもよい。さらにクロム、シアンの過塩素酸塩を用いて
もよい。またビピリジンのかワリニフエリシyンを用い
たフェリシアン鉄ヲ溶質として用いてもよい。
かくすることにより光照射時には充電を、また負荷に対
しては照射光の強さに無関係に平坦な出力電圧をとり出
すエネルギの7貯蔵効果を有するいわゆる電池を設ける
ことができたOかかる場合において、半導体(8)は耐
触性およ(OHv/(S I H,+Oa) = 1す
ぐれていた。
0.5〜2%のリン、ヒ素またはアンチモンの添得ても
よい。
またP型のアクセプタ用の不純物としてガリュームまた
はインジューム、さらにN型のドナー用の不純物として
アンチモンを用いる場合、これらの添加量は2〜10%
を添加しても特に化学ポテンシアルを低くさせることが
なかった。またこの半導体中にスズを0.5〜20%代
表的には2〜10%添加してもよい。これらの電解液と
接すイ る半導体は透光性でなくても化¥ポテンシアルが電解液
のそれに近くすることが重要であるためである。
P型の5ixO,−:におめて、+1.3〜’1.、8
v代表的には+1.5vを、またN型のS i、No<
において、−1,2〜−2,0v代表的には−1,5■
をかくの如きの過剰に加えても得ることができた。
そのため半導体電極と電解液との界面での電子またはホ
ールの移動がなめらかに行なうことができた。
かかる充放電用レドックスを設けた場合の入射光に対す
る変換効率は15〜20チを得ることができ、加えて使
用したい時に必ずしも太陽光が照射している必要がない
ため、きわめて工業的にすぐれたものであった。
実施例3 一第4図は本発明の実施例をさらに発展させたものであ
る。
この図面において照射光00)は一方のレドツクする構
造を有し、また他方のレドックス0f)に対しては81
xO+−Aで示される■価の不純物をアクセプタとして
添加されたP型半導体(30)が接する構造を有する相
補型である。
図面において第1の半導体(5)は実施例2と同様に透
光性基板(2)上に補助の金属電極(4)、透明導電膜
(3)、P型半導体層(6)、工型半導体層(7)、N
型半導体層(8)、外部引出し用電極(C?)よシなっ
ている。電極は酸化スズがコーティングされた出力用電
極(1すが設けられている。
また第2の半導体(ハ)は金属導体(M)(ハ)上KP
型半導体(ハ)(30)、(ハ)十に工型半導体(イ)
、N型半導体(ハ)、透明導電用(3)、補助電極(4
)が設けられている。またレドックスα乃の反射側には
酸化アンチモンが2〜10%添加された酸化スズがコー
ティングラスティック例えばシーフレックス(31)に
より基板(イ)と固定されている。出力側も同様に有機
樹脂(3りにより裏面基板(ハ)に固定されている。
光エネルギの充填はスイッチ(9)をオ・ンにして行な
う。かくするとN型半導体(=)はカソードと7して、
またP型半導体(30)はアノードとして相補作用をお
こし、レドックスはQ神のイオン交換膜を介して電気エ
ネルギの蓄積を行なう。このレドックス溶液は実施例2
と同様とした。しかしこの相補構造に関しては、重置門
人の出願になる特許願’44 HML I’、 (H4
p−et tt−zoctsりt ss<、rz、**
* Q)を用いた。
この半導体装置において、出力は負荷翰をスイッチ(ハ
)をオンにすることによシ実施例2の約2倍の電圧を有
して得ることができ、さらにその光電変換効率を3〜5
チすなわち20〜25%も向上させることができた。
この第4図における第2の半゛導体(ハ)は導電性基板
−上にPl 工、Nと順次積層し、その順序は第1の半
導体(5)の透光性基板(2)上方KP、■、Nと順次
積層したことと同一順序である。これは光電変換装置を
多量に安価に作ろうとした時第1および第2の半導体を
同時に作ること75=でき、量産性にすぐれたものであ
る。
加えて前記した如きプラズマOVD法を用いて非単結晶
半導体を作製する際、必ず前の工程の半導体を形成する
場合における不純物filえばP型半導体の場合、■価
の不純物特にホウ素力二王層にオートドーピングされて
しまう。このため半導体それ自体の特性はその積層順序
カニP型半導体を最初に、次に工型半導体を、さらKN
型半導体を積層していくことがきわめて重要である。か
かるP工N接合においては、6〜10%を変換効率とし
て得るが、N工P接合においては0.6〜2チしか得ら
れない。かくの如き構造上のイ1に対しても本来までは
第1の半導体をP工Nと積層するため、第2の半導体(
ハ)をN工Pを積層せず本発明構造を考えたQ/イ、そ
の意味するところ大である0かくし−で第2の半導体は
N工PMPまたはN工PPMP構造が特にすぐれたもの
であること力;わかる。
この実施例において、は半導体はPニーN接合を1つ有
する半導体を示している。しかしP工NまたはP工N−
N、NI力接合を複数個積層し、PINP工MN。
P工fNPxiN、 P工NP工N、 NIPN工P、
N工PNエゼP。
N工P’P N工Np接合と2つの接合を有せしめても
、さらにそれらを5つまたはそれ以上としたいわゆるタ
ンデム構造としてもよい。かくするとその電圧は2〜3
倍とさらに向上させること力;できた。さらに2層また
はそれ以上とする時、活性半導体層のBgを光照射側1
.5〜1.8θv1内側1.0〜1.5eVと可変し光
の有効利用をした。
実施例4 第5図は実施例3をさらに発展させたレドックスシステ
ムを示したものである。
図面におい又照射光(10)、第′1のレドックス系(
56)、第2のレドックス系(57)、その間にイオン
交換膜(8)を有する光電変換装置(58)、さらにこ
のそれぞれのレドックス系に対し供給用タンク(4′7
)モータα0バルブα1)を有し、レドックス液Y上方
に移動してパルプ(44)をへて充電用タンク(48)
09)K蓄積される。出発レドックスがともに針先を用
いたが、移動タンクα7)は1つでよい。
この出力は05)にて昇圧され1〜2■が100■とな
り、さらに交流(50または6oHz)K変換される。
さらに電力系統08)、α9)K対し変電所(4)によ
り自動制御にて供給される。
放電はタンクαB) (49)より (4ηに移行し、
出力) α9)ニ放出される。また照射光による発生とは別に余
剰電力08)によりレドックス系(5η、(5のに充電
することも可能である。
すなわちこの系は電力をレドックス系にて調整するに加
えて光エネルギを電気エネルギに変換することを同時に
同一システムにて行なおうとするものである。
かくして1〜IOMW時の電気エネルギが制御、発電が
可能になった。かかるシステムは砂ばくに光電変換装置
をふせつした時にきわめてすぐれたものであった。
以上の説明から明らかな如く、本発明は非単結晶半導体
を電解液に、接するPまたはN型半導体とし、その半導
体電極が最も信頼性特に長期間の劣化にきわめて太きく
士電を与えることを知シ、この半導体を炭化珪素または
窒化珪素とし、そこでさらに光電変換層を単結晶シリコ
ンを用いる等の高価な方法ではなく、吸収係数檜zoイ
4も大きいアモルファス半導体を含む非単結晶を用いる
こと、さらにこれらvmlt(て水より酸素、水素を発
生しそれらを蓋積してエネルギ源にすることも、また電
気エネルギとして蓄積して充放電制御を行なうことを可
能としたもので、その工業的価値は大きなものと信する
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の半導体装置の概要を示す。 第2図は第1図の半導体装置にて得られた電流−電圧特
性である。 第3図は本発明の電解液にレドックスを用いたレドック
スフロー装置を示す。 第4図は第3図をさらに発展させた相補型のレドックス
式半導体装置を示す。 第5図は本発明の半導体装置を用いたレドックスシステ
ムを示す。 第1関 り2閑

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 電解質溶液に、P型半導体とN型半導体または前
    記半導体上の電極が接してそれぞれアノードおよびカソ
    ードを構成する半導体装置において、前記P型半導体は
    1価の不純物が添加された炭化珪素(S i X 0r
    −ryO〈x4″1)さらに前記N型半導体はV価の不
    純物が添加された窒化珪素(81,N4−XO< Xイ
    4)または炭化珪素(s i x O,−Jを主成分と
    する非単結晶半導体により設けられたことを特徴とする
    半導体装置。 2、特許請求の範囲第1項において、P型半導体および
    N型半導体は、P工N、 P工N°NXN工iP接合ま
    たはP工NMN、N工PMP、P工N−NMNXN工n
    pMp接合を少なくとも1つ有することを特徴とする半
    導体装置。 3、特許請求の範囲第1項において、半導体上の電極は
    チタン、インジューム、スズ、アンチモン、鉄の酸化物
    または前記酸化物の混合体または多層構造を有すること
    を特徴とする半導体装置。
JP57050533A 1982-03-29 1982-03-29 半導体装置 Pending JPS58166680A (ja)

Priority Applications (3)

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