KR20110001206A - 염료 감응형 태양 전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주입구 밀봉시 전해질의 누수를 방지함과 아울러, 주입구 주변이 전해질로 오염되어지는 것을 방지하여 밀봉 상태를 유지하는 염료 감응형 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 도전성 투명기판과 다공질 막을 포함하는 제 1전극과 투명기판과 상기 제 1전극과 대향하여 배치되는 투명전극을 포함하거나, 상기 투명전극 상에 백금으로 형성된 촉매박막전극을 더 포함하는 제 2전극으로 이루어지고 이들 전극사이에 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 전해질은 상기 제 1전극과 제 2전극을 이격하여 접합(실링)된 셀(cell)의 주입구를 통하여 주입되고, 제 1 또는 2전극에 위치한 주입구를 가봉합하기 위하여 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재로 충진한 후 상기 가봉합재가 채워진 주입구 위에 형성하여 상기 주입구를 밀봉하는 봉지재를 형성하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 주입구 밀봉시 전해질의 누수를 방지함과 아울러, 주변이 전해질로 오염되어는 것을 방지하여 밀봉 상태를 유지하고, 태양전지의 효율과 수명을 연장하고 내구성을 향상시킬수 있다.
염료 감응형, 태양 전지, 주입구, 밀봉, 전해질, 누수, 오염, 다공질
Description
본 발명은 염료 감응형 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주입구 밀봉시 전해질의 누수를 방지함과 아울러, 주입구 주변이 전해질로 오염되어는 것을 방지하여 밀봉 상태를 유지하는 염료 감응형 태양 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
태양전지(Solar Cells)는 광전효과에 의해 태양 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 전기 발생장치이다. 우리의 일상생활에서 시계, 계산기 등의 전원으로 간단하게 이용되고 있는 태양전지는 현재 위성 통신과 같은 항공 우주 분야의 전기에너지원으로도 사용되고 있다.
태양전지는 사용되는 소재에 따라 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 적층형(tandem) 태양전지, 나노 태양전지 등이 있는데, 최근에 많은 주목을 받고 있는 새로운 타입의 염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 타입의 태양전지와 비교하여, 낮은 제조 단가, 높은 전환효율, 셀의 투명 특성, 플렉시블한 셀의 제조 가능성, 상대적으로 날씨의 변화에 덜 민감하다는 점 등의 많은 장점을 갖고 있다.
염료감응형 태양전지는 이산화티탄(TiO2)을 주성분으로 하는 반도체 나노입자, 태양광 흡수용 염료, 전해질, 백금 상대전극으로 구성되는 광전화학전지이다. 기존의 태양전지와 근본적으로 다른 차이점은 기존의 태양전지에서 태양에너지의 흡수과정과 전자-정공 쌍이 분리되어 전기의 흐름을 만드는 과정이 반도체 내에서 동시에 일어나는 것에 비해, 염료감응형 태양전지에서는 태양에너지의 흡수과정과 전하이동 과정이 분리되어 태양에너지 흡수는 염료가 담당하고, 전하의 이동은 전자의 형태로 반도체에서 담당한다는 것이다. 기존의 태양전지가 물리적 거동에 의한 물리전지라면, 염료감응형 태양전지는 광전기화학적 반응에 의한 화학전지라고 분류할 수 있다.
이상과 같은 염료감응형 태양전지의 작동원리를 간단히 살펴보면, 태양광이 전지에 입사되면 광양자는 먼저 염료에 의해 흡수된다. 염료는 태양광 흡수에 의해 여기상태로 되고 전자를 TiO2의 전도대로 보내고, 전자는 전극으로 이동하여 외부회로로 흘러가며 전기에너지를 발생한다. 염료는 TiO2에 전달한 전자수만큼 전해질로부터 공급받아 원래의 상태로 돌아 가게 되는데, 이때 사용되는 전해질은 iodide(I-)/triodide(I3-) 쌍으로써 산화ㆍ환원 반응에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다. 이때 태양전지의 개방회로 전압은 TiO2 반도체의 페르미 에너지 준위와 전해질의 산화ㆍ환원 준위의 차이에 의해 결정된다. 염료감응형 태양전지는 환경적으로 무해한 재료들을 사용할 뿐 아니라, 기존의 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는 에너지 변환 효율을 가지면서 제조 단가가 실리콘 태양전지의 1/5 수준이어서 현 발전 단가 수준의 전력 변환소자로 주목을 받고 있다.
그러나, 종래 염료감응형 태양전지는 이제까지 사용되어 온 전해질이 전술한 바와 같이 액체상의 유기용매이기 때문에 상기와 같은 높은 가능성에도 불구하고 염료감응형 태양전지의 상업화에 있어서 태양전지의 장시간 운전 안정성과, 전해액의 누수와 용매 증발로 인한 안전성과 유해성에 가장 큰 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 주입구 밀봉시 전해질의 누수를 방지함과 아울러, 주입구 주변이 전해질로 오염되어는 것을 방지하여 밀봉 상태를 유지하고, 태양전지의 효율과 수명을 연장하고 내구성을 향상시키는 염료 감응형 태양 전지 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지는, 도전성 투명기판과 다공질 막을 포함하는 제 1전극과 투명기판과 상기 제 1전극과 대향하여 배치되는 투명전극을 포함하거나, 상기 투명전극 상에 백금으로 형성된 촉매박막전극을 더 포함하는 제 2전극으로 이루어지고 이들 전극사이에 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 전해질은 상기 제 1전극과 제 2전극을 이격하여 접합(실링)된 셀(cell)의 주입구를 통하여 주입되고, 제 1 또는 2전극에 위치한 주입구를 가봉합하기 위하여 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재로 충진한 후 상기 가봉합재가 채워진 주입구 위에 형성하여 상기 주입구를 밀봉하는 봉지재를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 다른 특징은, 염료감응형 태양전지에 있어서, 투명기판과 상기 투명기판 내측 표면에 도전성 박막으로 형성된 투명전극을 포함하는 도전성 투명기판; 상기 도전성 투명기판상에 전이금속 산화물 다공질 층을 형성하여 염료를 흡착시켜 형성되는 다공질 막; 상기 도전성 투명기판 과 다공질 막을 포함하는 제 1전극; 투명기판과 상기 기판 내측 표면에 FTO 또는 ITO로 형성된 투명전극을 포함하거나, 상기 투명전극 상에 백금으로 형성된 촉매박막전극을 더 포함하는 제 2전극; 상기 제 1 및 2전극에서 전극이 형성되지 않는 측면을 봉합하는 실링재; 상기 제 1 및 2전극중 어느 일측에 형성되고, 이를 통하여 상기 전해질을 충진하는 주입구; 상기 전해질이 주입된 상기 주입구를 가봉합하는 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재; 상기 가봉합재가 채워진 주입구 위에 형성하여 상기 주입구를 밀봉하는 봉지재를 형성하는 것이다.
상기 실링재는 PbO-프리 유리 프리트를 사용하여 실링을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법은, 염료감응형 태양전지를 제조하기 위한 방법에 있어서, 투명기판과 상기 투명기판 내측 표면에 FTO 또는 ITO의 도전성 박막으로 형성된 투명전극을 포함하는 도전성 투명기판을 형성하는 단계; 상기 도전성 투명기판 내측 표면에 금속산화물 다공질 층을 형성하고 염료를 흡착시킨 다공질 막을 포함하여 제 1전극을 형성하는 단계; 상기 도전성 투명기판, 또는 내측 표면에 FTO 또는 ITO의 도전성 박막으로 형성된 투명전극, 또는 상기 투명전극상에 백금으로 형성된 촉매박막전극을 포함하여 제 2전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 및 2전극의 전극 가장자리 부근과 투명기판이 만나는 부근에 겹치도록 고통전성 전극으로 주 배선을 형성하는 단계; 상기 제 1 및 2전극에서 투명전극이 형성되지 않은 부근, 또는 겹치는 부근을 전극이 매립되도록 실링재로 봉합하는 단계; 상기 제 1 및 2전극중 어느 일측에 형성된 주입구를 통하여 상기 다공질 막과 타측 전극사이에 전해질을 충진하는 단계; 상기 전해질이 주입된 상기 주입구와 공기 배출구에 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재를 주입하여 상기 주입구를 가봉합하는 단계; 상기 가봉합재가 채워진 주입구와 공기 배출구 위에 봉지재를 형성하여 상기 주입구를 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 투명기판상의 투명전극의 가장자리를 일정간격으로 에칭을 하여 주배선이 투명기판과 투명전극을 겹쳐서 위치하고, 실링재에 매립되도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실링재로 피비 프리(PbO-free) 유리 프리트를 사용하여 실링을 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지 및 그 제조 방법에 의하면, 주입구 밀봉시 전해질의 누수를 방지함과 아울러, 주입구 주변이 전해질로 오염되어는 것을 방지하여 밀봉 상태를 유지하고, 태양전지의 효율과 수명을 연장하고 내구성을 향상시키는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지를 나타낸 분해 단면도이고, 도 2는 도 1의 결합 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은, 제 1 전극(100), 제 2 전극(200), 도전성 투명 기판(110), 도전성 투명기판(210), 투명기판(111), 투명기판(211), 투명전극(116), 투명전극(216), 다공질막(160), 촉매박막전극(260), 전이금속 산화물 다공질층(161), 염료(166), 실링재(300), 전해질(400), 주입구(500), 가봉합재(510), 봉지재(520), 공기 배출구(600)를 포함한다.
제 1 및 2전극(100)(200)과 상기 제 1 또는 제2 전극(100)(200)의 일측 전극(116) 상에 다공질 층(161)을 형성하여 염료(166)를 흡착시켜 형성된 다공질 막(160)과 타측 전극 상에 촉매박막전극(260)을 형성하고, 다공질 막(160)과 촉매박막전극(260)사이에 충진된 전해질(400)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제 1전극(100)은 투명기판(111)과 상기 투명기판(111) 내측 표면에 FTO 또는 ITO 도전성 박막으로 형성된 투명전극(116)을 포함하여 도전성 투명기판(110)이 형성되고, 이 전극 상에 금속산화물 다공질 층(161)을 형성하고 염료(166)를 흡착하여 형성된 다공질 막(160)을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 제 2전극(200)은 투명기판(211)과 상기 기판(211) 내측 표면에 FTO 또는 ITO로 형성된 투명전극(216)을 포함하여 도전성 투명전극(210)이거나, 상기 투명전극(216) 상에 백금으로 형성된 촉매박막전극(260)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 2전극(100)(200)의 투명전극(116)(126)의 가장자리 부근과 투명기판(111)(121)이 만나는 부근에 겹치도록 은-페이스트(Ag-paste)전극을 형성하여 주배선을 형성할 수 있다.
주입구(500)는 상기 제 1 및 2전극(100)(200)중 어느 일측의 전극에 형성되 어 상기 전해질(400)을 주입한다. 이때, 공기 배출구(600)는 내부의 공기를 외부로 배출한다.
가봉합재(510)는 상기 전해질(400)이 주입된 상기 주입구(500)에 주입되어 상기 주입구(500) 및 공기 배출구(600)를 가봉합한다.
봉지재(520)는 상기 가봉합재(510)가 채워진 주입구(500) 위에 형성되어 상기 주입구(500) 및 공기 배출구(600)를 밀봉한다.
또한, 상기 제 1 및 2전극(100)(200)이 형성되지 않는 측면은 실링재(300)로 봉합된다. 상기 실링재(300)는 피비 프리(PbO-free) 유리 프리트를 사용하여 실링을 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기판(111,211)은 polycarbonate(PC), polyimide(PI), polyethersulphone(PES), polyacrylate(PAR), polyethylenenaphthelate (PEN), polyethyleneterephehalate (PET), Tri Acetyl Cellulose(TAC)등의 유리 또는 플라스틱 재질로 제조될 수 있다. 또한, 상기 전도성 투명전극(116, 216)은 산화인듐(ITO), 불소함유 산화주석(FTO), SnO2, ZnO 등으로 제조될 수 있다.
그리고, 상기 다공질막(160)은 비 표면적이 높은 다공질 층(161)의 입자 표면에 염료(166)가 흡착된 음극 전극으로써, 상기 염료는 단분자층의 루테늄(Ru) 계 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 다공질 층(161)은 다공질 물질, 예를 들면 이산화티탄(TiO2), 으로 구성될 수 있다.
상기 촉매박막전극(260)은 주로 백금이 사용되나, 루테늄(Ru),팔라듐(Pb) 등과 전도성 고분자이기만 하면 어떠한 물질로 제조될 수 있다.
상기 전해질(400)은 점도가 높은 전해질로 구성될 수 있다. 상기 전해질(400)은 액체형 전해질, 겔형 전해질, 고체형 전해질이기만 하면 어떠한 전해질 재료도 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 구조에 의하여 주입구 밀봉시 전해질의 누수를 방지함과 아울러, 주입구 주변이 전해질로 오염되어는 것을 방지하여 밀봉 상태를 유지하고, 태양전지의 효율과 수명을 연장하고 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은, 염료감응형 태양전지를 제조하기 위한 방법에 있어서, 먼저 투명기판(111)과 상기 투명기판(111) 내측 표면에 FTO 또는 ITO의 도전성 박막으로 형성된 투명전극(116)을 포함하여 도전성 투명기판(110)을 형성하는 단계를 수행한다(S00).
이때, 상기 도전성 투명기판(110)은 생산라인에서 직접 제조하지 않고 별도로 구매하여 사용 할 수도 있다.
상기 도전성 투명기판(110) 내측 표면에 금속산화물 다공질 층을 형성하고 염료를 흡착시킨 다공질 막을 포함하여 제 1전극(100)을 형성하는 단계를 수행한다(S01).
상기 도전성 투명기판, 또는 내측 표면에 FTO 또는 ITO로 형성된 투명전극(216), 또는 상기 투명전극(216) 상에 백금으로 형성된 촉매박막전극(260)을 포함하여 제 2전극(200)을 형성하는 단계를 수행한다(S02).
여기서, 상기 투명기판(111,211)은 polycarbonate(PC), polyimide(PI), polyethersulphone(PES), polyacrylate(PAR), polyethylenenaphthelate (PEN), polyethyleneterephehalate (PET), Tri Acetyl Cellulose(TAC)등의 유리 또는 플라스틱 재질로 제조될 수 있다. 또한, 상기 전도성 투명전극(116)(216)은 산화인듐(ITO), 불소함유 산화주석(FTO), SnO2, ZnO 등으로 제조될 수 있다.
이후, 상기 제1 및 2전극의 투명전극(116)(126)의 가장자리 부근과 투명기판(111)(121)이 만나는 부근에 겹치도록 은-페이스트(Ag-paste)와 같은 고통전성 전극으로 주 배선을 형성하는 단계를 수행한다(S03).
상기 제 1 및 2전극(100)(200)에서 투명전극이 형성되지 않은 부근, 또는 겹치는 부근을 전극이 매립되도록 실링재(300)로 봉합하는 단계를 수행한다(S04).
상기 실링재(300)는 피비 프리(PbO-free) 유리 프리트를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
상기 다공질막(160)은 비 표면적이 높은 다공질 층(161)의 입자 표면에 염료(166)가 흡착된 음극 전극으로써, 상기 염료는 단분자층의 루테늄(Ru) 계 물질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 다공질 층(161)은 이산화티탄(TiO2)으로 구성될 수 있다.
상기 촉매박막전극(260)은 주로 백금이 사용되나, 루테늄(Ru),팔라듐(Pb) 등 전도성 고분자이기만 어면 어떠한 물질로 제조될 수 있다.
상기 제 1 및 2전극(100)(200)중 어느 일측의 전극에 형성된 주입구(500)를 통하여 상기 다공질 막(160)과 형성된 타측 전극(260)사이에 전해질(400)을 충진하 는 단계를 수행한다(S05).
상기 전해질(400)은 점도가 높은 전해질로 구성될 수 있다. 상기 전해질(400)은 액체형 전해질, 겔형 전해질, 고체형 전해질은 액체형, 겔형, 고체형이기만 하면 어떠한 전해질 재료도 사용될 수 있다.
이후, 상기 전해질(400)이 주입된 상기 주입구(500)와 공기 배출구(600)에 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재(510)를 주입하여 상기 주입구(500)를 가봉합하는 단계를 수행한다(S06).
상기 가봉합재(510)가 채워진 주입구(500)와 공기 배출구(600) 위에 봉지재(520)를 형성하여 상기 주입구(500)를 밀봉하는 단계를 수행한다(S07).
따라서, 본 발명은 상기와 같은 방법에 의하여 주입구 밀봉시 전해질의 누수를 방지함과 아울러, 주입구 주변이 전해질로 오염되어는 것을 방지하여 밀봉 상태를 유지하고, 태양전지의 효율과 수명을 연장하고 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지를 나타낸 분해 단면도.
도 2는 도 1의 결합 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 제조 방법을 나타낸 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 제 1 전극 200 : 제 2 전극
110 : 도전성 투명기판 210 : 도전성 투명기판
111 : 투명기판 211 : 투명기판
116 : 투명전극 216 : 투명전극
160 : 다공질막 260 : 촉매박막전극
161 : 전이금속 산화물 다공질층 166 : 염료 300 : 실링재 400 : 전해질
500 : 주입구 510 : 가봉합재
520 : 봉지재 600 : 공기 배출구
Claims (6)
- 도전성 투명기판과 다공질 막을 포함하는 제 1전극과 투명기판과 상기 제 1전극과 대향하여 배치되는 투명전극을 포함하거나, 상기 투명전극 상에 백금으로 형성된 촉매박막전극을 더 포함하는 제 2전극으로 이루어지고 이들 전극사이에 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지에 있어서,상기 전해질은 상기 제 1전극과 제 2전극을 이격하여 접합(실링)된 셀(cell)의 주입구를 통하여 주입되고, 제 1 또는 2전극에 위치한 주입구를 가봉합하기 위하여 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재로 충진한 후 상기 가봉합재가 채워진 주입구 위에 형성하여 상기 주입구를 밀봉하는 봉지재를 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 염료감응형 태양전지에 있어서,투명기판과 상기 투명기판 내측 표면에 도전성 박막으로 형성된 투명전극을 포함하는 도전성 투명기판; 상기 도전성 투명기판 상에 전이금속 산화물 다공질 층을 형성하여 염료를 흡착시켜 형성되는 다공질 막; 상기 도전성 투명기판과 다공질 막을 포함하는 제 1전극;투명기판과 상기 기판 내측 표면에 FTO 또는 ITO로 형성된 투명전극을 포함하거나, 상기 투명전극 상에 백금으로 형성된 촉매박막전극을 더 포함하는 제 2전극;상기 제 1 및 2전극에서 전극이 형성되지 않는 측면을 봉합하는 실링재;상기 제 1 및 2전극중 어느 일측에 형성되고, 이를 통하여 상기 전해질을 충진하는 주입구;상기 전해질이 주입된 상기 주입구 및 공기 배출구를 가봉합하는 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재;상기 가봉합재가 채워진 주입구 위에 형성하여 상기 주입구 및 상기 공기 배출구를 밀봉하는 봉지재를 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,상기 실링재는PbO-프리 유리 프리트를 사용하여 실링을 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 염료감응형 태양전지를 제조하기 위한 방법에 있어서,투명기판과 상기 투명기판 내측 표면에 FTO 또는 ITO의 도전성 박막으로 형성된 투명전극을 포함하는 도전성 투명기판을 형성하는 단계(S00);상기 도전성 투명기판 내측 표면에 금속산화물 다공질 층을 형성하고 염료를 흡착시킨 다공질 막을 포함하여 제 1전극을 형성하는 단계(S01);상기 도전성 투명기판, 또는 내측 표면에 FTO 또는 ITO의 도전성 박막으로 형성된 투명전극, 또는 상기 투명전극상에 백금으로 형성된 촉매박막전극을 포함하 여 제 2전극을 형성하는 단계(S02);상기 제 1 및 2전극의 전극 가장자리 부근과 투명기판이 만나는 부근에 겹치도록 고통전성 전극으로 주 배선을 형성하는 단계(S03);상기 제 1 및 2전극에서 투명전극이 형성되지 않은 부근, 또는 겹치는 부근을 전극이 매립되도록 실링재로 봉합하는 단계(S04);상기 제 1 및 2전극중 어느 일측에 형성된 주입구를 통하여 상기 다공질 막과 타측 전극사이에 전해질을 충진하는 단계(S05);상기 전해질이 주입된 상기 주입구와 공기 배출구에 실리콘계열의 점성이 높은 가봉합재를 주입하여 상기 주입구를 가봉합하는 단계(S06);상기 가봉합재가 채워진 주입구와 공기 배출구 위에 봉지재를 형성하여 상기 주입구를 밀봉하는 단계(S07)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 투명기판상의 투명전극의 가장자리를 일정간격으로 에칭을 하여 주배선이 투명기판과 투명전극을 겹쳐서 위치하고, 실링재에 매립되도록 형성한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
- 제 4항에 있어서,피비 프리(PbO-free) 유리 프리트를 사용하여 실링을 형성하는 것을 특징으 로 하는 염료감응형 태양전지 제조 방법.
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