KR100848451B1 - Solar cell manufacturing method of wire shape - Google Patents
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Abstract
와이어 모양의 p형 실리콘을 확산 등의 방법으로 표면을 n형 반도체로 만든 후 한쪽 면을 연삭하여 p형 반도체 영역이 도출되게 한 다음, 실크스크린이나 잉크젯 인쇄, 진공 증착법으로 표면전극을 형성하고, 하부기판 표면에 인쇄된 전극 배선에 솔더볼을 이용하여 용접을 한 후 반사경 모양의 알루미늄 박판이나 알루미늄이 증착된 플라스틱 필름을 와이어 모양의 사이에 끼워 넣어서 만드는 것을 특징으로 와이어 모양의 태양전지를 제작하는 것으로 제조 공정의 단순화와 대면적화를 쉽게 구현할 수 있다.The surface of the p-type silicon is made of n-type semiconductor by diffusion or the like, and one side is ground to derive the p-type semiconductor region, and then the surface electrode is formed by silk screen, inkjet printing or vacuum deposition. After welding with solder ball on the electrode wiring printed on the lower substrate surface, it is made by inserting a reflector-shaped aluminum sheet or plastic film coated with aluminum into the wire shape. Simplification and large area of the manufacturing process can be easily realized.
태양전지, 실리콘, 와이어, 반사경 Solar cell, silicon, wire, reflector
Description
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 n형 반도체층의 개구부를 가지는 와이어 모양의 태양전지의 종단면도,1 is a longitudinal sectional view of a wire-shaped solar cell having an opening of an n-type semiconductor layer according to an embodiment of the present invention;
도 2는 도 1의 태양전지 밑면도,Figure 2 is a bottom view of the solar cell of Figure 1,
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 제 1전극과 제 2전극을 형성한 와이어 모양의 태양전지의 종단면도,3 is a longitudinal cross-sectional view of a wire-shaped solar cell including a first electrode and a second electrode according to an embodiment of the present invention;
도 4는 도 3의 태양전지의 밑면도,4 is a bottom view of the solar cell of FIG. 3;
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따른 제 1전극 배선과 제 2전극 배선 및 전기 절연층을 형성하는 공정을 나타내는 평면도,5 is a plan view showing a step of forming a first electrode wiring, a second electrode wiring, and an electrical insulation layer according to an embodiment of the present invention;
도 6은 도 5의 C-D선 단면에서 제 1전극 및 제 2전극을 용접하는 공정 단면도,FIG. 6 is a cross-sectional view of a process of welding the first electrode and the second electrode at the cross-section taken along the line C-D of FIG.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 반사경을 삽입한 단면도,7 is a sectional view of the reflector inserted according to an embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 와이어 모양의 태양전지 개략도이다.8 is a schematic view of a wire-shaped solar cell according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1: p형 반도체 2: n형 반도체1: p-type semiconductor 2: n-type semiconductor
3: n형 반도체 4: p형 반도체의 개구부3: n-type semiconductor 4: opening of p-type semiconductor
5: 제 2전극 6: 제 1전극5: second electrode 6: first electrode
11: 반사경 12: 하부 기판11: reflector 12: lower substrate
13: 전기 절연층 21: 제 1전극 배선13: electrical insulation layer 21: first electrode wiring
22: 제 2전극 배선 23: 제 1전극 버스바22: second electrode wiring 23: first electrode bus bar
24: 제 2전극 버스바 25: 솔더볼24: second electrode busbar 25: solder ball
26: 제 2전극 배선 용접부 27: 제 1전극 배선 용접부26: second electrode wiring welding portion 27: first electrode wiring welding portion
28: 상부 기판28: upper substrate
본 발명은 태양에너지를 전기적 에너지로 변환시키기 위한 태양전지에 관한 것이다. 인류의 오랜 에너지원으로 주로 많이 사용한 석유나 석탄 등의 화석연료는 그 사용결과 발생하는 이산화탄소 때문에 지구의 온난화를 초래하며, 원자력발전의 경우에는 전혀 예기치 않은 사고의 발생 또는 정상의 운전시에도 방사선의 위험 등 각종 문제를 내포하고 있다. 이에 대해서, 태양광을 에너지원으로서 이용하는 태양전지는, 지구환경에 대한 영향이 매우 적어, 광범위한 응용이 기대되고 있다. 그러나 현 상태에 있어서는, 이러한 태양전지의 실용화를 저해하는 몇몇 문제점이 있다. 종래의 태양전지는 단결정 또는 다결정의 실리콘이 많이 이용되어 왔다. 실리콘 단결정은 결정성장에 많은 에너지와 시간을 요하며, 실리콘 단결정은 웨이퍼 형태로 사용하여 태양전지를 제작하는데 먼저 실리콘 원료를 도가니 속에 넣은 후에 열원을 가하여 녹인 후 결정성장로에서 잉곳을 성장한다. 이렇게 성장된 실리콘 잉곳을 이용하여 반도체 웨이퍼를 만들기 위해서는 여러 가지 공정을 거쳐야 한다. 예를 들면, 원통 공정, 슬라이싱 공정, 폴리싱 공정, 래핑 공정 등이다. 이러한 공정을 통하여 버려지는 실리콘의 양은 잉곳을 기준으로 했을 때 약 50% 이상이다. 그래서 실리콘 웨이퍼를 사용하여 태양전지를 만들려면 비용이 높아진다. 이런 문제들 외에 결정성장로 장비 및 웨이퍼 가공장비의 고가로 인하여 실리콘 웨이퍼를 대량 양산하기가 어려우므로 저가격으로의 공급이 곤란하다. The present invention relates to a solar cell for converting solar energy into electrical energy. Fossil fuels, such as petroleum and coal, which are mostly used as human energy sources for a long time, cause global warming due to carbon dioxide resulting from their use, and in the case of nuclear power generation, there are no unexpected accidents or the danger of radiation even during normal operation. And other problems. On the other hand, solar cells using sunlight as an energy source have very little influence on the global environment, and a wide range of applications are expected. However, in the present state, there are some problems that hinder the practical use of such solar cells. Conventional solar cells have used a lot of single crystal or polycrystalline silicon. Silicon single crystals require a lot of energy and time for crystal growth, and silicon single crystals are used in the form of wafers to fabricate solar cells. First, silicon raw materials are placed in a crucible and then melted by applying a heat source to grow ingots in a crystal growth furnace. In order to make a semiconductor wafer using the grown silicon ingot, it has to go through various processes. For example, a cylindrical process, a slicing process, a polishing process, a lapping process, etc. are mentioned. The amount of silicon discarded through this process is about 50% or more based on the ingot. So, making a solar cell using a silicon wafer is expensive. Besides these problems, it is difficult to mass-produce silicon wafers due to the high cost of crystal growth equipment and wafer processing equipment, making it difficult to supply them at low cost.
실리콘 태양전지의 경우 현재 셀 및 모듈의 공급부족과 거기에 따른 실리콘 웨이퍼 가격 상승이 심각해지고 있다. 보다 값싼 태양전지를 만들기 위한 방법으로 구상의 태양전지와 박막을 이용한 태양전지를 제조하려는 시도가 있다. 하지만 구상의 실리콘 태양전지의 경우 제조하기가 어려운 점이 있고 대면적의 태양전지를 만들려면 다수의 구상소자가 필요하여 원가를 감소시킨 효과가 작다. 박막을 이용한 태양전지는 대면적을 구현할 수는 있지만 반도체 내부에 다수의 결정결함이 존재하기 때문에 광전변환 효율이 경시적으로 떨어지는 단점이 있다. In the case of silicon solar cells, the supply shortage of cells and modules and the rise in silicon wafer prices are increasing. As a way to make cheaper solar cells, there are attempts to manufacture solar cells using spherical solar cells and thin films. However, spherical silicon solar cells are difficult to manufacture, and large-area solar cells require a large number of spherical elements to reduce costs. Although a solar cell using a thin film can realize a large area, there are disadvantages in that photoelectric conversion efficiency decreases over time because a large number of crystal defects exist in a semiconductor.
본 발명에서는 이 문제를 해결하기 위해 둥근 와이어 모양의 실리콘을 사용하여 와이어 모양의 실리콘 태양전지를 만들고자 한다. 본 발명은 와이어 모양의 실리콘 태양전지의 제조방법에 관한 것으로, 상세하기로는 고효율의 태양전지를 저렴한 비용으로 얻을 수 있는 와이어 모양의 실리콘 태양전지에 관한 것이다. 와이어 모양의 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 와이어 모양의 긴 막대기처럼 생긴 실리콘을 사용하는 것으로 와이어 모양의 p형 반도체를 확산 등의 방법으로 표면을 n형 반도체로 만든 후 한쪽 면을 연삭하여 p형 반도체 영역이 도출되게 한 다음, 실크스크린이나 잉크젯 방식, 진공 증착법으로 표면전극을 형성하고, 배선이 그려진 하부기판 표면에 솔더볼 또는 페이스트로 용접을 한 후 반사경 모양의 알루미늄 박막이나 알루미늄이 증착된 플라스틱 필름을 와이어 모양의 사이에 끼워 넣어서 태양전지를 제작하는 것이다.In the present invention, to solve this problem, it is intended to make a wire-shaped silicon solar cell using a round wire-shaped silicon. The present invention relates to a method of manufacturing a wire-shaped silicon solar cell, and more particularly, to a wire-shaped silicon solar cell that can obtain a high efficiency solar cell at low cost. The present invention relates to a wire-shaped solar cell and a method of manufacturing the same. The wire-shaped p-type semiconductor is used to form a wire-shaped p-type semiconductor. After the p-type semiconductor region is derived, the surface electrode is formed by silkscreen, inkjet, or vacuum deposition method, and the surface of the lower substrate on which the wiring is drawn is welded with solder balls or paste, and then a reflector-shaped aluminum thin film or aluminum is deposited. The solar cell is manufactured by sandwiching a plastic film between wires.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 효율이 향상된 고효율 태양전지를 저렴한 공정비용으로 제조하는 데 있다.The present invention is to solve the problems as described above, the object is to manufacture a high efficiency solar cell with improved efficiency at a low process cost.
본 발명의 다른 목적은 와이어 모양의 실리콘의 전극 형성을 보다 간편하게 형성하고 빛의 집중을 도와주는 반사경을 와이어 사이의 공간에 삽입함으로써 제조공정의 간편화 하는 데 있다.Another object of the present invention is to simplify the manufacturing process by more easily forming the electrode of the wire-shaped silicon and inserting a reflector to help the concentration of light into the space between the wires.
본 발명은 실리콘 태양전지 제조방법에 관한 것으로서,
상기 실리콘은 용융된 실리콘을 노즐을 통하여 와이어 형태로 뽑아낸 것으로, 상기 와이어는 p형 반도체이고, 상기 와이어 표면에 인(P)을 확산하여 상기 와이어 표면을 n형 반도체 층을 형성하여 pn접합 소자를 만드는 단계와 상기 pn 접합 소자 표면에 연마를 통하여 p형 반도체의 일부를 노출시키는 단계와 상기 p형 반도체 노출부에 제 1전극을 형성하고 n형 반도체 개구부에 제 2전극을 형성하는 단계와 하부기판에 제 1전극 배선과 제 2전극 배선을 형성하고 전기 절연층을 도포하는 단계와 상기 pn 접합 소자를 하부기판의 제1 전극 배선은 제 1전극과 용접을 하고, 제 2전극 배선은 제 2전극과 용접을 하는 단계와 상기 전기 절연층에 온도를 가하여 상기 pn 접합 소자를 융착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한 와이어 모양의 실리콘 태양전지 제조방법으로 구성되어 있다. The present invention relates to a silicon solar cell manufacturing method,
The silicon is extracted from the molten silicon in the form of a wire through a nozzle, the wire is a p-type semiconductor, the phosphor surface (P) is diffused on the wire surface to form an n-type semiconductor layer on the wire surface pn junction device Exposing a portion of the p-type semiconductor by polishing the surface of the pn junction element, forming a first electrode in the p-type semiconductor exposed portion, and forming a second electrode in the n-type semiconductor opening; Forming a first electrode wiring and a second electrode wiring on a substrate, applying an electrical insulating layer, and welding the pn junction element to the first electrode wiring of the lower substrate with the first electrode, and the second electrode wiring being second Welding the electrode and welding the pn junction element by applying a temperature to the electrical insulation layer. It consists of a.
이하, 본 발명에 따른 와이어 모양의 실리콘 태양전지의 제조방법 구성에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a wire-shaped silicon solar cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 n형 반도체 층의 개구부를 가지는 와이어 모양의 태양전지의 종단면도이다. 우선, 와이어 모양의 실리콘을 긴 막대기 모양으로 제조한다. 통상 와이어 모양의 실리콘의 직경은 약 수 마이크로(㎛)에서 수 밀리미터(㎜)까지 제조할 수 있으나, 직경 약 1mm 정도가 바람직하다. 직경이 0.05mm 보다 적으면 소자를 구성하기가 힘들고, 직경이 5mm 이상이면 실리콘 사용량이 많아지므로 제조가격이 높아진다. 이 와이어 모양의 실리콘은 극미량의 붕소를 포함하는 p형 다결정 실리콘 입자를 용융할 때까지 가열하고, 서서히 냉각시키면서 원형 노즐을 통하여 긴 와이어 형태로 뽑아내 제조할 수 있다. 노즐의 형상을 변화시켜 여러 가지 형상도 제조 가능하다. 예를 들면, 노즐의 모양에 각을 주어 다각형의 노즐을 만들고 이 다각형 노즐을 사용하년 된다. 상세히 설명하면, 육각형 노즐이나 팔각형 노즐을 사용하여 육각형 봉이나 팔각형 봉모양의 결정을 만들 수 있다. 태양전지를 만들기에 바람직한 형상으로는 원형이다. 이렇게 제조한 와이어 모양의 실리콘을 만들고자 하는 태양전지 소자의 크기에 맞게 적당한 크기로 절단을 하여 사용할 수 있다. 수 센티미터(㎝)크기의 적당한 크기로 절단을 한 후 p 형 반도체(1) 표면에 n형 반도체(2)층을 형성하여 pn접합소자를 제조한다. 예를 들면, 확산원으로는 POCl3 이나 P2O5를 800∼900℃의 온도에서 10 내지 30분간 열처리를 행하여 도핑 농도가 100 내지 200Ω/sq가 되게 확산 시킨다. 통상 n형 반도체(2)층의 접합두께는 약 0.5 내지 1㎛ 정도 이다.1 is a longitudinal cross-sectional view of a wire-shaped solar cell having an opening of an n-type semiconductor layer according to an embodiment of the present invention. First, wire-like silicon is made into a long stick. Usually, the diameter of the wire-shaped silicon can be produced from about several micro (μm) to several millimeters (mm), but about 1mm in diameter is preferred. If the diameter is less than 0.05mm, it is difficult to construct the device, and if the diameter is 5mm or more, the amount of silicon used increases, which increases the manufacturing price. This wire-shaped silicon can be produced by heating a p-type polycrystalline silicon particle containing a trace amount of boron until melting, and pulling it out in a long wire form through a circular nozzle while gradually cooling it. Various shapes can also be manufactured by changing the shape of a nozzle. For example, the shape of the nozzle is angled to create a polygonal nozzle, which is then used. In detail, hexagonal nozzles or octagonal nozzles can be used to form hexagonal rods or octagonal rod-shaped crystals. The preferred shape for making a solar cell is circular. This can be used by cutting to a suitable size to fit the size of the solar cell device to make the wire-shaped silicon manufactured as described above. After cutting to an appropriate size of a few centimeters (cm) size, a p-type junction device is manufactured by forming an n-type semiconductor (2) layer on the surface of the p-type semiconductor (1). For example, as the diffusion source, POCl 3 or P 2 O 5 is heat-treated at a temperature of 800 to 900 ° C. for 10 to 30 minutes to diffuse the doping concentration to 100 to 200 μs / sq. Usually, the junction thickness of the n-
상기 실시 예에서는 와이어 모양의 p형 반도체(1)를 이용하고 그 표면에 n형 반도체(2)층을 형성한 태양전지 소자를 만들었으나, 반대로 와이어 모양의 n형의 반도체를 이용하고 그 표면에 붕소(boron)을 확산시켜 p형 반도체 층을 형성한 반도체 소자라도 된다. 그리고 확산의 방법이 아니더라도 이온 주입법이나 기상 화학 증착법(CVD) 등의 방법에 의해 p형 반도체 층을 형성해도 된다.In the above embodiment, a solar cell device using a wire-shaped p-
상기처럼, p형 반도체(1)의 표면에 n형 반도체(2)를 형성한 후, 이 n형 반도체의 개구부(3)를 형성하고, 그 개구부로부터 p형 반도체의 노출부(4)를 제조한다. 그 방법으로는, 와이어 모양의 소자 일부를 그라인딩 등의 방법에 의해 연삭하여 제거하는 방법이 있다. 도 1과 도 2는 상기 실시방법으로 가공한 와이어 모양의 소자를 나타낸 것으로, 도 1은 그 종단면도, 도 2는 그 밑면도를 각각 나타낸다. 와이어 모양의의 p형 반도체(1) 표면이 n형 반도체(2)로 덮여 있는 와이어 모양의 소자로 일부가 연삭에 의해 절삭이 된 형태로 직사각형의 모양으로 절삭된 n형 반도체의 개구부(3)와 p형 반도체의 노출부(4)로 구성되어 있다. As described above, after the n-
상기 실시형태에서는 와이어 모양의 pn 접합 실리콘 소자를 예를 들었지만, 화합물 반도체나 단결정, 다결정 그리고 비정질재료를 사용하여도 된다. p형 반도체층과 n형 반도체층의 계면에 절연층을 형성한 pin형, MIS(metal-insulator-semiconductor) 형태 및 그 밖의 구성이 있어도 좋다. In the above embodiment, a wire-shaped pn junction silicon element is exemplified, but a compound semiconductor, a single crystal, a polycrystal, and an amorphous material may be used. The pin type, the metal-insulator-semiconductor (MIS) form, and other structures which form an insulating layer at the interface between the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer may be used.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 제 1전극과 제 2전극을 형성한 와이어 모 양의의 태양전지의 종단면도이다. 도 4는 도 3의 그 밑면도이다. 3 is a longitudinal cross-sectional view of a wire-shaped solar cell including a first electrode and a second electrode according to an embodiment of the present invention. 4 is a bottom view thereof.
도 2에서 만든 와이어 모양의 소자를 잉크젯(ink jet) 방식과 같은 방법을 사용하여 p형 반도체의 노출부(4)에 은/알루미늄 잉크를 도포한 다음 건조하여 제 1전극(6)을 형성한다. 경우에 따라서는 알루미늄을 먼저 도포한 후에 은/알루미늄을 다시 도포하여 형성할 수도 있다. n형 반도체의 개구부(3)에 은 잉크를 도포하여 건조한 다음 제 2전극(5)을 형성한다. 전극의 소성은 통상적으로 700 내지 950℃의 온도에서 수초 내지 수십 분 동안 행한다. 제 1전극(6)과 제 2전극(5)은 순차적으로 또는 동시 소성 할 수 있다.The wire-shaped device made in FIG. 2 is coated with silver / aluminum ink on the exposed
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따른 제 1전극 배선과 제 2전극 배선 및 전기 절연층을 형상하는 공정을 나타낸 평면도이다. 하부기판(12)으로는 유리나 도전성 금속판, 플라스틱과 같은 부도체 판 등을 사용할 수가 있다. 유리나 플라스틱 같은 부도체 판은 그 위에 도전성 잉크를 사용하여 잉크젯 방식으로 제 1전극 배선(21)과 제 1전극 버스바(busbar)(23), 제 2전극 배선(22) 및 제 2전극 버스바(24)를 인쇄 한 후에 건조한 다음 소성을 한다. 전기가 통하는 금속판을 사용할 때는 그 위에 전기 절연층을 진공증착이나 스크린 인쇄 등의 방법으로 형성한 후에 상기와 같은 방법으로 전기 배선을 형성한다. 도전성 잉크 재료로는 여러 가지가 있으나 여기서는 은이나 은/알루미늄 잉크를 사용하였다. 상기 실시로 제조된 하부 기판위에 전기 절연층(13)을 스크린 인쇄법으로 제 1전극 배선(21)과 제 1전극 버스바(busbar)(23), 제 2전극 배선(22) 및 제 2전극 버스바(24)를 제외한 부위에 도포한다. 전기 절연층(13)은 열가소성 수지나 핫멜트(hotmelt) 접착제 혹은 점착제의 피복층으로 구성할 수 있다. 전기 절열층의 재료로는 폴리카보네이트(polycarbonate), 아크릴 수지, 아세탈(acetal)수지, 폴리아미드(polyamide), 폴리이미드(polyimide), 폴리아크릴술폰(polyacrylsulfone), 폴리페닐렌 황화물(polyphenylene sulfide) 및 염소화 폴리에테르(poly ether) 등을 사용 할 수가 있다. 통상 150 내지 350℃의 온도로의 열융착 또는 초음파 융착에 의하여 와이어 모양의 소자를 접합시킬 수 있다. 도 6은 도 5의 C-D단면에서 다수의 와이어 모양의 소자를 배열한 후 제 1전극(6)과 제 2전극(5)을 제 1전극 배선(21)과 제 2전극 배선(22)을 각각 용접하는 공정을 나타낸 단면도이다. 이때 솔더볼(25)을 사용할 수도 있고 도전성 페이스트를 사용하여 용접할 수도 있다. 용접은 와이어 모양의 소자의 양끝에서 실시할 수도 있고, 와이어 모양의 소자의 중간 중간에 솔더볼(25)를 삽입하여 용접할 수도 있다. 전극과 배선의 용접이 끝난 다음 전기 절연층에 온도를 가하여 다수의 와이어 모양의 소자를 융착 시킨다. 5 is a plan view showing a step of forming the first electrode wiring, the second electrode wiring, and the electrical insulation layer according to the embodiment of the present invention. As the
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 반사경을 삽입한 단면도이다. 도 6에서 완성한 소자에 도 7에서 와 같은 반사경(11)을 삽입함으로써 와이어 모양의 태양전지를 제작한 것이다. 상기 반사경은 빛의 집중을 도와주는 역할을 하는 것으로 플라스틱 필름에 알루미늄을 증착한 것을 프레스로 반사경(11)모양을 만든 후에 와이어 모양의 소자 사이에 끼워 넣는 구조로 구성되어 있다. 이러한 반사경은 알루미늄이나 동 등의 금속류를 사용하여 프레스로 찍은 후 사용하여도 된다. 7 is a sectional view in which a reflector according to an embodiment of the present invention is inserted. By inserting the reflector 11 as shown in Figure 7 to the device completed in Figure 6 is to produce a wire-shaped solar cell. The reflector serves to help the concentration of light is made of a structure that is sandwiched between the wire-shaped device after making the shape of the reflector (11) by pressing the deposition of aluminum on the plastic film. Such a reflector may be used after being taken with a press using metals such as aluminum or copper.
도 8은 완성된 와이어 모양의 태양전지의 개략도이다. 상부기판(28)은 반사경(11) 및 와이어 모양의 태양전지 소자가 오염으로 방지하기 위한 것이다. 상부기 판(28)에 반사 방지막을 코팅하여 태양전지의 효율을 높일 수도 있다. 8 is a schematic diagram of a completed wire-shaped solar cell. The
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 와이어 모양의 태양전지 제조방법은 공정이 간단하여 실리콘 사용량이 웨이퍼를 사용하는 종래의 방법에 비해 실리콘 사용량이 적으면서도 태양전지의 고 효율화와 저가격 및 대면적화가 용이하다. As described above, the wire-shaped solar cell manufacturing method according to the present invention has a simple process so that the silicon consumption is low compared to the conventional method using the wafer, while the solar cell has high efficiency, low cost, and large area. Do.
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