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CN103354940B - 基于铝的组合物和包含基于铝的组合物的太阳能电池 - Google Patents

基于铝的组合物和包含基于铝的组合物的太阳能电池 Download PDF

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CN103354940B CN201180067501.6A CN201180067501A CN103354940B CN 103354940 B CN103354940 B CN 103354940B CN 201180067501 A CN201180067501 A CN 201180067501A CN 103354940 B CN103354940 B CN 103354940B
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Abstract

本发明描述了一种基于铝的糊组合物，其包含铝粉、一种或多种玻璃料、有机铝酸盐化合物和有机载体。本发明也描述了一种太阳能电池，其包含施涂在硅晶片的背面上的基于铝的糊组合物。

Description

基于铝的组合物和包含基于铝的组合物的太阳能电池
本申请要求2010年12月17日提交的美国临时专利申请号61/424,170的权益，其特此为了所有目的通过引用并入，如同在本文中完整地阐述。
发明背景
技术领域
本发明涉及新颖的具有提高的性能的基于铝的糊和包含所述新颖的基于铝的糊组合物的太阳能电池。
相关技术的描述
太阳能电池通常由2个不同地掺杂的硅层组成，所述硅层允许电荷载体在其顶表面和底表面处分离。标准的结晶硅太阳能电池从p-型晶片开始，所述p-型晶片在前表面或日光接受侧上掺杂有n-型掺杂剂薄层。
在n和p型层汇合以分离正（空穴）和负（电子）电荷载体的地方，产生pn结。当光子从日光或人工来源进入太阳能电池时，电子可以从价带升迁至导带，从而在价带中产生空穴和在导带中产生电子。由于在电子流至前表面的同时空穴流至背面，当置于电路中时，会产生电流。
在硅太阳能电池的生产过程中，将铝金属化糊的涂层沉积在p-型晶片的背侧上，以形成背面电极。铝金属化糊通常包含铝粉、玻璃料和有机载体。尽管许多印刷方法可以用于印刷铝金属化糊，本领域技术人员将丝网印刷视作最普遍的方法。将糊施涂在电池的背面上以后，半导体基材经历干燥和烧结过程。在烧结过程中，将电池加热至高于铝熔点的温度。因而在铝背侧电极和p-型硅半导体晶片之间形成铝-硅合金层（Al-Si）。烧结也会造成p+层（即杂质层）通过铝原子向p-型晶片中的扩散而形成。Al-Si层和p+层确保p-型晶片和背侧电极之间的欧姆接触。Al-Si层也防止电子的重组，因为在半导体的导带中的激发电子被阻止回落至价带中的空状态。通过这样做，背面场（BSF）效应通过增加产生的载体的收集效率而提高太阳能电池的能量转换效率。
包含重金属的糊通常用于增加太阳能电池效率和开路电压。重金属是具有低密度的天然元素例如汞、镉、铅、铍和砷。当浓缩时，重金属被认为是对人类和动物有毒或有害的。因而，大多数重金属元素至少在欧洲和北美受环境法规约束。例如，镉可能产生显著的健康风险，包括肾损伤/衰竭和增加的骨质缺损和骨折可能性。铅也会产生许多健康风险，包括但不限于对胃肠道、关节、肾和生殖系统的负面效应。急性神经损伤也可能发生。
基于有害物质管理限制（RestrictionsofHazardousSubstancesDirective，RoHS），重金属通常被限制为均质材料（理解为是单一机械上可分离的物质）的重量的0.1%或1000ppm。镉在大多数应用中被进一步限制至0.01%或100ppm，但是，根据最新版的2011RoHS，镉目前在太阳能电池应用中没有限制。低于RoHS最大值的值通常被视作不含重金属。因此，存在在维持高开路电压的同时生产基本上不含铅和其它重金属的糊和太阳能电池的需要。
太阳能电池也根据它们的预期用途而具有不同的大小。因而，需要不同量的铝糊来覆盖不同大小的太阳能电池。在不同的施用的铝糊重量下维持相当恒定和可靠的开路电压（Voc）的问题，在本领域中是显而易见的。存在这样的铝糊组合物的需要：当将不同的铝糊量施涂于太阳能电池上时，其能够最小化或消除开路电压的波动。
降低太阳能电池的成本和增加太阳能电池的产量，始终是太阳能电池工业的生产商的目标。生产商已经尝试通过制备更薄的半导体基材来降低成本。但是，当将铝糊组合物施涂在更薄晶片的背侧上并在以后升温至烧结温度时，会发生变形。具体地，硅和铝之间的热膨胀系数差异会导致凹形电池，其被本领域技术人员理解为“翘曲（bowing）”。过度的翘曲会造成结构刚度的下降，且在某些情况中，造成太阳能电池的破裂。另一方面，在电池的背面上施涂的过少的铝糊可能造成烧结后在表面上的鼓泡和/或气泡。因此存在改进的铝糊组合物和太阳能电池的需要，其使翘曲最小化以增加产品产量。还存在具有最少缺陷（例如鼓泡和/或隆起）的太阳能电池，以改善对本领域的客户的美学吸引力的需要。
近年来，就使用太阳能电池作为居住和/或商业用电的主要或次要来源而言，已经存在需求的急剧增加。具体地，太阳能电池已经被固定在屋顶或家庭的其它关键区域上以吸收最大量的自然光。与苛刻的环境因素（例如雨、雪、热和湿气）的恒定接触，可能降低太阳能电池的预期寿命。因此，存在这样的太阳能电池的需要：其能够耐受苛刻的和/或可变的天气条件，并且仍然提供良好的开路电压（Voc）。
发明内容
本发明的一个目的是，提供基于铝的糊，其基本上不含铅，且主要用于太阳能电池器件中以增加开路电压（Voc）。
本发明的另一个目的是，生产具有增加的电池效率的太阳能电池。
本发明的另一个目的是，生产具有降低的成本的太阳能电池。
本发明的再一个目的是，减少太阳能电池的翘曲量和外观缺陷。
本发明的又一个目的是，制造具有背面金属化糊组合物的太阳能电池器件，其在宽范围的施涂铝膜重量内具有良好的Voc。
在本发明的一个示例性实施方案中，描述了一种金属化糊组合物，其包含铝粉、一种或多种玻璃料、有机铝酸盐化合物和有机载体。
在本发明的另一个示例性实施方案中，描述了一种太阳能电池，其包含晶片和施涂在晶片的背面上的金属化糊。所述金属化糊组合物包含铝粉、一种或多种玻璃料、有机铝酸盐化合物和有机载体。
在本发明的另一个示例性实施方案中，描述了一种太阳能电池，其包含施涂在晶片的背面上的金属化糊，其中所述太阳能电池在施涂铝膜重量范围内表现出具有最小变化的相当恒定的开路电压。
本发明的其它特征和优点将在下面的描述中进行阐述，并且将部分地从所述描述中显现，或者可通过本发明的实践来获知。通过在书面描述及其权利要求书以及附图中特别指出的结构可以实现和达到本发明的优点。
附图说明
包括附图来提供对本发明的进一步理解，并且并入本说明书中和构成本说明书的一部分，所述附图解释了本发明的实施方案，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1是在它的背面层上具有糊组合物的太阳能电池的图解。
图2的图显示了常规铝糊的湿热稳定性。
图3的图显示了本发明的铝糊的湿热稳定性。
图4描绘了用于测试太阳能电池的翘曲的仪器。
图5A是在晶片上的不同的本发明的湿铝糊重量的Voc性能图。
图5B的图解释了在图5A中评估的每种样品的翘曲。
图6是实施例1和2以及对比实施例1和2的电学性能和印刷参数的列表。
本领域技术人员显而易见，在本发明中可以做出多种修改和变化，而不脱离本发明的精神或范围。因而，本发明意图涵盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求和它们的等效方案的范围内。
具体实施方式
本发明描述了新颖的铝金属化糊组合物。所述糊组合物至少包含铝粉、一种或多种玻璃料、有机铝酸盐化合物和有机载体(vehicle)。在本发明中也描述了太阳能电池，其包含晶片和在所述晶片的背面上的新颖的铝金属化糊层。如在下面将进一步详细描述的，施涂在太阳能电池的背面上的新颖的金属化糊组合物改善开路电压和翘曲特征。另外，在背面上具有新颖的铝金属化糊的太阳能电池表现出更宽的加工窗口和良好的耐水性。
本发明的铝金属化糊的研磨细度（FOG）通常小于50μm。在一个优选的实施方案中，所述FOG小于30μm。在一个更优选的实施方案中，所述FOG小于25μm。使用得自PrecisionGauge&ToolCo的5057测量仪，测量新颖糊的粗颗粒的粒度和比率（prevalence）。
通常，铝金属化糊的粒度分布（PSD）取决于玻璃料和铝粉的粒度。在示例性的实施方案中，所述铝金属化糊的PSDD10是在约2.5±0.5μm范围内。在另一个示例性的实施方案中，所述铝金属化糊的PSDD50是在约6.5μm±1.0μm范围内。在另一个示例性的实施方案中，所述铝金属化糊的PSDD90是在约12μm±2μm范围内。使用本领域技术人员通常理解的动态或静态激光散射技术，得到每个上述PSD结果。
本发明的总铝糊组合物优选地包含大于或等于60重量%的量的粒状铝粉。在一个更优选的实施方案中，所述铝可以以大于或等于总铝糊组合物的70%的量存在。替代地，所述铝可以以小于或等于总铝糊组合物的80%的量存在。通常应当理解，“总铝糊组合物”是供给最终用户的铝糊组合物。
小于所述组合物的60重量%的量的铝粉会造成太阳能电池效率的下降，因为通过烧结形成的铝电极层(electrolayer)的电阻增加。大于80重量%的铝量可能使印刷过程恶化(degrade)，特别是如果使用丝网印刷时。
所述铝粉具有在约1至约30μm范围内的平均粒度。在一个实施方案中，具有2-10μm的平均粒度的铝粉是优选的。具有小于1μm的平均粒度的铝粉会表现出不希望的大比表面积。同时，具有超过20μm的平均粒度的铝粉不可得到铝糊组合物的优选粘度。
所述糊中的铝粉可以形成任何形状。在一个实施方案中，所述粉末是球形。在另一个实施方案中，所述粉末是片状。在一个替代实施方案中，所述粉末是不规则的形状。仍在另一个实施方案中，所述铝粉是球形、片状和不规则形状粉末的组合。
本发明的铝粉也可以用一种或多种有机化合物润湿。这些化合物可以包括但不限于：脂肪酸、硬脂酸、油酸和溶剂例如松油醇、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇-异丁酯、丁基卡必醇。
在一个示例性的实施方案中，所述铝粉是非合金的。替代地，所述铝粉是未涂覆的、不规则形状的（即结节的(nodular)）、包含小于1%痕量元素的铝粉。仍在另一个示例性的实施方案中，所述铝粉被雾化。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述铝粉由铝粗颗粒制成。替代地，所述铝粉由铝箔颗粒制成。
在另一个示例性的实施方案中，所述铝粉可以伴有其它粒状金属例如银或银合金。这些其它特殊金属以小于总铝糊组合物的5%的量存在。
本发明的铝糊组合物还可以包含一种或多种玻璃料。所述玻璃料会增强铝电极层和p-型硅半导体基材的结合。所述玻璃料通常是粉末。
在一个示例性的实施方案中，基于总铝糊组合物，所述玻璃料含量可以在0-10重量%的优选范围内存在。在另一个示例性的实施方案中，基于总铝糊组合物，所述玻璃料含量是在约1-5重量%范围内。甚至在再一个示例性的实施方案中，基于总铝糊组合物，所述玻璃料含量是在约0.5-3重量%范围内。仍在另一个实施方案中，一种或多种玻璃料是总铝组合物的约2重量%。
根据发明人，如果基于铝的糊组合物，玻璃料的重量百分比超过8%，那么可能发生玻璃离析(segregation)。还可能增加铝电极层的电阻，并且进而造成太阳能电池的发电效率的下降。如果所述糊组合物包含小于0.1%的玻璃料，玻璃料含量的下限是大于或等于0.1重量%，那么可能存在铝和硅之间的不充分反应，从而导致不充分的BSF效应。
玻璃料的平均粒度是在约1-10μm范围内。在一个优选的实施方案中，所述玻璃料具有约3±1μm的粒度D50。粒度D90优选地小于或等于约15μm。
仍在另一个示例性的实施方案中，玻璃料组合物的热膨胀系数的优选范围为约5-12x10-6/K。玻璃料组合物的软化点的优选范围为约400-600℃。玻璃料组合物的玻璃转化温度（Tg）的优选范围为约300-600℃。
玻璃料优选地包括但不限于：PbO、SiO2、SrO、Bi2C3、B2O3、Al2O3、ZnO、La2O3、ZrO2、TiO2、BaO、Tl2O及其混合物。市售可用的玻璃料的实例包括VioxV2088、VioxV2083和VioxV1467。在另一个示例性的实施方案中，根据要求在水性组分中小于1,000ppm的铅的RoHS指南，本发明的铝糊组合物是无铅的。
在一个实施方案中，所述玻璃料可以通过常规玻璃制造技术来制造。也就是说，可以将所需比例的所需组分混合，并加热至峰值温度，以形成熔融物。继续在峰值温度加热，直到熔融物完全成为液体且是均匀的。
在另一个实施方案中，可以对所述玻璃料进行球磨，以将玻璃料的粒度减小至基本上均匀的大小。替代地，可以首先用惰性、低粘度、低沸点有机液体对玻璃进行球磨，以减小玻璃料的粒度，得到基本上均匀的大小。在另一个实施方案中，可以随后将玻璃料在水和/或有机液体中沉降以分离细粉(fine)。
本发明的基于铝的糊组合物也包含一种或多种铝酸盐。优选地，所述铝酸盐是有机铝酸盐。所述铝酸盐通常是溶液。本领域技术人员会理解，所述有机铝酸盐与上述的一种或多种玻璃料分离且不同。
在一个实施方案中，基于总铝糊组合物，所述铝酸盐在约0-2重量%的范围内。在一个更优选的实施方案中，所述铝酸盐是总铝糊组合物的约0.5-2重量%。仍在另一个实施方案中，所述铝酸盐是铝糊组合物的约0.75-2重量%。甚至在再一个实施方案中，所述铝酸盐是铝糊组合物的约1-2重量%。
在一个示例性的实施方案中，所述铝酸盐是可溶于糊组合物的溶剂中的任意铝酸盐。在另一个实施方案中，所述铝酸盐是液体材料。优选的实例包括但不限于：丁氧基铝、乙基乙酰乙酸丁酯铝（aluminumbutoxideethylacetoacetate）、乙基乙酰乙酸二异丙酯铝（aluminumdiisopropoxideethylacetoacetate）、乙氧基乙氧基乙氧基铝或它们的任意衍生物。在一个示例性的实施方案中，所述铝酸盐是二异丙基(油烯基)乙酰乙酰基（diisopropyl(oleyl)acetoacetyl），其可作为铝酸盐（KA322）商购得到。
本发明的基于铝的糊组合物也包包含机载体。在一个实施方案中，惰性粘稠材料可以用作有机载体。在另一个实施方案中，所述有机载体可以是这样的载体：上述的糊组合物组分可在其中以良好的稳定性分散。例如，所述有机载体可以表现出改善铝糊组合物的应用性能的流变性能。这样的改善可以包括：不溶性固体的稳定分散、对于应用而言适当的粘度和触变性、硅晶片基材和糊固体的适当润湿性、良好干燥速率和良好烧结性能。甚至在再一个实施方案中，所述有机载体可以包括挥发性有机溶剂，其用于促进铝糊在硅晶片的背侧施涂以后的快速硬化。
所述有机载体可以包括有机溶剂或有机溶剂混合物。在一个示例性的实施方案中，所述有机载体可以是有机聚合物在有机溶剂中的溶液。基于总铝糊组合物，所述有机载体优选地以在约5-15重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约5-14重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约5-13重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约5-12重量%范围内的量存在。甚至在再一个实施方案中，有机载体的量以在约5-11重量%范围内的量存在。在另一个实施方案,有机载体的量以在约5-10重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约5-9重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约5-8重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约5-7重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约7-15重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约7-14重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约7-13重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约7-12重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约7-11重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约7-10重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约7-9重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约9-15重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约9-14重量%范围内的量存在。甚至在再一个实施方案中，有机载体的量以9-13重量%的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约9-12重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约9-11重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约11-15重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约11-14重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约11-13重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约12-15重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约12-14重量%范围内的量存在。在另一个实施方案中，有机载体的量以在约13-15重量%范围内的量存在。
所述有机载体可以包括不含卤素和氯化物的有机聚合物。所述聚合物还可以选自更快速地和更清洁地燃烧的那些。在另一个示例性的实施方案中，所述聚合物可以是乙基纤维素（EC）。所述聚合物还可以是丙烯酸树脂。所述聚合物还可以是环氧树脂。所述聚合物还可以是苯酚树脂。所述聚合物还可以是醇酸树脂。所述聚合物还可以是聚乙烯醇。所述聚合物还可以是松香。所述聚合物可以是氨基甲酸酯。所述聚合物还可以是聚酯。在另一个实施方案中，所述聚合物还可以是上述聚合物的组合。
所述有机载体的有机聚合物的范围为约0-10%。在一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的约0-9重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的约0-8重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的约0-7重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的约0-6重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0-5重量%。在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0-4重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0-3重量%。
在另一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.5-7重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.5-6重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.5-5重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.5-4重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.5-3重量%。
在另一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为约所述有机载体的0.75-7重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.75-6重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.75-5重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.75-4重量%。在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的0.75-3重量%。
在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的1-7重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的1-6重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的1-5重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的1-4重量%。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机聚合物的范围为所述有机载体的1-7重量%。
本发明的铝糊组合物的有机载体也包包含机溶剂。在一个优选的实施方案中，所述有机溶剂具有特定树脂所需的溶解能力。在一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂具有低蒸气压和高沸点。在另一个示例性的实施方案中，有机溶剂为了在延长的印刷运行中的更稳定的性能而具有特定树脂所需的溶解能力，并且还具有低蒸气压和高沸点。
在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂可以是一种或多种酯醇。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂可以包括一种或多种醇例如乙醇、丙醇和/或异丙醇。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂可以包括萜。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂可以包括一种或多种二醇醚。在另一个示例性的实施方案中，或者，所述有机溶剂包括甲苯、二甲苯、丁基卡必醇（BC）和/或松油醇。甚至在再一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂可以是上述溶剂的组合，其表现出低蒸气压和高沸点的性能。
所述有机溶剂的范围可以为所述有机载体的约90-100重量%。在一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约91-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约92-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约93-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约94-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约95-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约96-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约97-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约98-100重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约99-100重量%。
在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约95-99.5重量%。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约96-99.5重量%。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约97-99.5重量%。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约98-99.5重量%。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约99-99.5重量%。
甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约95-99重量%。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约96-99重量%。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约97-99重量%。甚至在另一个示例性的实施方案中，所述有机溶剂的范围为所述有机载体的约98-99重量%。
本发明的基于铝的糊任选地包含一种或多种润湿和分散添加剂。所述基于铝的糊还可以包含抗氧化剂。所述铝糊还可以包含腐蚀抑配制剂。所述基于铝的糊还可以包含消泡剂。所述基于铝的糊还可以包含粘度改进剂。所述基于铝的糊还可以包含增粘剂。所述基于铝的糊还可以包含偶联剂。所述基于铝的糊还可以包含静电施涂剂。所述基于铝的糊还可以包含聚合抑配制剂。所述基于铝的糊还可以包含触变剂。所述基于铝的糊还可以包含抗沉降剂。
在一个示例性的实施方案中，基于总的铝基糊组合物，所述添加剂可以以0-3重量%的范围存在于铝糊中。在另一个示例性的实施方案中，基于总的铝基糊组合物，所述添加剂含量是0-2重量%。在另一个示例性的实施方案中，基于总的铝基糊组合物，所述添加剂含量是0-1重量%。在另一个示例性的实施方案中，基于总的铝基糊组合物，所述添加剂含量是0.1-3重量%。在另一个示例性的实施方案中，基于总的铝基糊组合物，所述添加剂含量是0.1-2重量%。在另一个示例性的实施方案中，基于总的铝基糊组合物，所述添加剂含量是0.1-1重量%。在另一个示例性的实施方案中，所述添加剂含量大于或等于铝基糊组合物的0.2重量%。
在太阳能电池的制造中使用的半导体晶片主要由硅制成。在一个实施方案中，所述晶片是单晶的。在一个替代实施方案中，所述晶片是多晶的。在另一个实施方案中，所述晶片具有小于400μm的厚度。在另一个实施方案中，所述晶片具有小于或等于300μm的厚度。在另一个实施方案中，所述晶片具有在约100-300μm范围内的厚度。在再一个实施方案中，所述硅晶片具有在约140-200μm范围内的厚度。在再一个实施方案中，所述硅晶片具有在约140-180μm范围内的厚度。
在一个示例性的实施方案中，所述硅晶片具有约100-400cm2的表面积。在另一个实施方案中，硅晶片的面积是250-400cm2。在另一个实施方案中，硅晶片的面积是100-250cm2。
所述硅晶片具有小于或等于18英寸的直径。在另一个实施方案中，所述硅晶片可以具有小于或等于12英寸的直径。在另一个实施方案中，所述硅晶片可以具有小于或等于8英寸的直径。在另一个实施方案中，所述硅晶片可以具有小于或等于6英寸的直径。甚至在再一个实施方案中，所述硅晶片优选地可以具有小于或等于5英寸的直径。在另一个实施方案中，所述硅晶片可以具有小于或等于4英寸的直径。在另一个示例性的,所述硅晶片可以具有小于或等于3英寸的直径。在另一个实施方案中，硅晶片可以具有小于或等于2英寸的直径。在另一个实施方案中，硅晶片可以具有小于或等于1英寸的直径。
在另一个实施方案中，所述硅基材可以是有纹理的。纹理化会增加表面粗糙度。可以使用蚀刻溶液以在基材表面上形成表面粗糙度（称作扰乱(disruption)），用于增加光捕集，从而提高转换效率。
糊的制备
在一个示例性的实施方案中，根据下述步骤制备铝背面金属化糊。首先，制备有机载体（溶剂和粘合剂）。任选地，以在20-70重量%之间的固体含量，在所述糊组合物的有机载体溶剂中研磨玻璃料。可以使用三辊研磨机法或珠磨法，以便得到低于20微米的NPIRI研磨测量仪读数。接着，将铝酸盐加入有机载体中，并使用双重不对称离心机进行混合。随后将铝加入混合的组分中，并在离心机中再次混合。将糊冷却至室温后，使用溶解器分散糊。可以任选地用溶剂或有机载体将粘度调节至在10s-1的剪切速率下在约15-50Pa·s之间的目标印刷粘度，该粘度在25℃下在AR-2000TAInstruments锥板流变仪上测得。
太阳能电池的制备
图1是根据本发明的优选太阳能电池的图解。本发明的太阳能电池通过下述步骤来制备。首先，提供单晶的Si晶片。所述硅晶片被p掺杂至2欧姆-cm的电导率。通过Jandel4点探头测得，发射极薄层电阻为35-85欧姆/sq。所述电池是有纹理的，并且前表面涂覆有标准的硅氮化物（SiNx）抗反射涂层。当使用DEKGalaxy810印刷机时，晶片的寿命（或者称作少数载流子(carrier)寿命）是约14-20μs。通过在SintonWCT-120操作手册中公开的一般化的寿命分析方法，使用SintonInstruments(Boulder,CO-USA)WCT-120Lifetime测试仪测量少数载流子寿命。为了寿命计算，将少数载流子密度（MCD）指定在2E+15。
在一个示例性的实施方案中，将银糊丝网印刷在结晶Si晶片的前侧上。使用约3至约6kg的印刷压力。将印刷间隙设定在约1.4mm。在银糊的印刷过程中使用的丝网具有每英寸280的网眼数、25μm的丝直径和25μm的乳液。
本发明的基于铝的糊组合物优选地以约6至约12kg的印刷压力丝网印刷在结晶硅晶片上。在一个示例性的实施方案中，所述印刷压力是约6至约8kg。在结晶Si晶片和印刷装置的丝网之间的印刷间隙可以从约1.4变化至约2.2mm。印刷间隙的范围可以为约1.6至约1.8mm。印刷装置的丝网具有每英寸约200-280的网眼数、约40μm的丝直径、和约10μm的乳液。通过丝网印刷施涂在结晶Si晶片的铝基糊通常具有200-300μm的厚度。本发明的铝糊的施涂粘度可以为10-100Pa·s，优选地15-60Pa·s，该粘度用得自TAInstruments的AR2000在10s-1的剪切速率和25℃下测得。
尽管丝网印刷是最优选的，通过调节基于铝的金属化糊的粘度和流变性能，允许其它印刷方法。其它印刷方法的实例包括接触式和非接触式印刷或涂布方法，例如有机硅垫印刷、喷涂、辊涂、柔印、凹版印刷、平版印刷、气溶胶喷射沉积、微接触印刷、喷墨等。
将经印刷的金属化糊在3-区BTUD-914干燥器中干燥，区设置为150℃、170℃和190℃，带速为20英寸/min。替代地，可以使用旋转式或静止式IR干燥器。干燥时间的范围可以为30秒至10分钟的任意点。硅晶片可以得到在约100-300℃范围内的干燥温度。
在BTUPV3094-区烘箱（具有700-640-640-890℃的设置和85英寸/min的带速）中共烧结经印刷的晶片，以产生成品太阳能电池。烧结可以进行例如1-5分钟的时段，使得硅晶片达到在约700-900℃范围内的峰值温度。烧结可以与已经施涂在硅晶片上的其它金属糊（即，前侧和/或背侧金属糊，其已经在烧结过程中施涂在晶片的表面上以形成前侧和/或背侧电极）一起作为所谓的共烧结进行。一个示例性的实施方案包括前侧银糊和背侧银或背侧银/铝糊
所述基于铝的糊具有在约10-60μm范围内的干膜厚度。在另一个实施方案中，所述干膜厚度的范围为约15-50μm。在另一个实施方案中，所述干膜厚度的范围为约20-40μm。在再一个实施方案中，所述干膜厚度的范围为约25-35μm。
如图1所示，Al-Si共晶层在铝电极上形成具有约10-50μm的组合厚度。另外，p+Al背面场以约3-10μm的厚度形成在Al-Si共晶层上。
还可以将母线添加至未被背侧金属糊覆盖的背面。实例包括但不限于：背侧银和银铝糊。
太阳能电池效率
使用得自PVMeasurementsInc.的SolarSimulator/I-V测试仪，测量本发明的太阳能电池的效率。使用密封的校准电池校准灯的照明，并将测得的特征调节至标准AM1.5G照明条件（1000mW/cm2）。在试验过程中，将电池放在位于灯下面的真空夹盘上，并使用冷冻器将夹盘温度维持在24℃±1。通过扫描在-0.2V和+1.2V之间的电压和测量电流，收集暗和亮I-V曲线。从仪器收集标准的太阳能电池电参数，包括电池效率（%）,串联电阻（R串联）、分路电阻（R分路）和开路电压（Voc），电池效率η等于填充因数，且是评价太阳能电池的性能的关键参数。将填充因数定义为，太阳能电池的最大功率与Voc和Isc的乘积之比。在图形中，填充因数是太阳能电池的“方形（squareness）”的度量，并且也是填入I-V曲线中的最大矩形的面积。使用在工业中可得的用于测量太阳能电池的电参数的标准计算机软件，得到本发明的结果。
油墨覆盖度
图5A解释了在晶片上的不同的本发明的湿铝糊重量的Voc性能。在烧结之前进行试验。具体地，将在约1.3至约1.9克铝金属化糊范围内的印刷沉积物（printlaydown）沉积在结晶Si晶片的背面上，所述晶片具有5或6英寸的直径、约100至约200μm的厚度和约10克。具体地，以约1.360克、1.610克和1.810克的湿铝糊重量，进行3个实验运行。应当理解，更多的铝糊等同于更厚的背面场以及进而更好的Voc。令人惊奇地，本发明的新颖铝糊在每种铝糊重量下都维持相当一致的电学性能。即，对于1.360、1.610和1.810的湿铝印刷沉积物，Voc分别为0.60821V、0.608723V和0.607767V。结果表示，可以使用较少的基于铝的金属化糊实现最佳的电学性能。因此，当放大用于商业应用时，可以显著降低材料成本。
翘曲
如下测试翘曲：将烧结的太阳能电池放在平的且经调整的表面（例如花岗岩）上，将晶片的中心与机械刻度表的探头对齐，以测量凸出晶片的峰，如图4所示。
铝和硅的热膨胀系数之间存在显著差异，在弯曲应力已经被克服的情况下，所述差异会导致晶片翘曲。翘曲可以在模块生产过程中造成与操作和晶片固定有关的问题。通常，本发明的铝糊可以造成结晶Si晶片翘曲0-3.0mm。在一个示例性的实施方案中，当在晶片烧结后立即测量时，所述结晶硅晶片翘曲小于约1.5mm，且更优选地小于1.0mm。
认为翘曲值取决于多种因素，包括：晶片大小、晶片厚度、晶片类型（即，单晶或多晶）、烧结温度、烧结后测量翘曲的时间、施涂的湿沉积物铝糊的量、前侧银糊和背侧标记(tabbing)糊的量。
图5B解释了在图5A中评估的每个样品的翘曲（按mm计）。如本领域已知的，热应力随着时间而松弛。因此，在太阳能电池烧结以后，立即进行每个样品的翘曲测量。
根据图5B，在3种试验样品中，1.360克的基于铝的糊重量表现出约0.774mm的最小翘曲量。发明人得出的结论是，具有最小量的基于铝的糊重量的样品改善太阳能电池的结构刚度，同时也维持与其它试验样品（其具有多了几乎0.5克的基于铝的糊重量）相当的电压特性。
粘合力
还测试了施涂在结晶Si晶片上的铝的交叉粘合力。试验方法改编自ISO2409:1992。将切割工具切入晶片的一个区域中，所述切割工具具有6个平行的刀片（每个刀片之间间隔1.0mm）和呈90°角的交叉。切入晶片中的切口约25mm长。用软刷轻轻刷交叉区域，以除去颗粒。如BS1133的第14节所述，将一条12.5mm宽x50mm长的压敏胶带牢固地粘附在跨交叉区域的表面上。
通过与图案垂直地施加的手动力，快速地除去胶带。用视觉检查交叉区域的碎片分离。按照0-5等级将交叉区域的外观分类，0（没有除去油墨）为最好，5（完全除去油墨）为最差。优选的是，铝糊的分级为0-2。
水稳定性
将一片具有施涂的铝糊的结晶Si晶片（大约5mmx5mm）放入磷酸盐缓冲液中保持30分钟。缓冲液为20mMNa2HPO4-NaH2PO4（pH5.8），且被控制在75℃的温度下。如本产业中普遍公认的，如果铝糊在与Si晶片接触时产生剧烈的气泡，那么所述糊没有通过水稳定性试验。
外观
在已经完成烧结过程以后，评估太阳能器件的美学外观。将缺陷定义为在铝层上出现的“气泡”或“鼓泡”。这些“气泡”或“鼓泡”通常是在表面上不规则分布的平滑圆形山。通过确定整个装置的缺陷覆盖度百分比，评估太阳能器件。优选的是，所述装置在750-850℃的温度范围内共烧结。本发明的铝糊组合物在上述温度表现出大约0%缺陷。
铅笔硬度
使用刮痕硬度来确定施涂的铝对结晶Si晶片上的刮痕效应的抵抗力。使用WolfWilburn铅笔硬度测试仪，根据ASTMD3363-05和ISO15184进行该试验。优选的是，所述基于铝的糊具有6H或更高的铅笔硬度。
已经详细地描述了本发明，包括其优选实施方案。但是，应当理解，本领域技术人员在考虑本公开内容时可能对本发明做出落入本发明的范围和精神内的修改和/或改进。
实施例
下述实施例说明了本发明的特定方面，且不意欲在任何方面限制本发明的范围，也不应如此解释。
实施例1是包含80%铝粉、2%玻璃料、1%铝酸盐和有机载体的铝糊。实施例1的组合物显示在下面表1中：
表1
组成描述 重量%
玻璃料#1 2.00
二氧化硅 0.50
润湿的铝粉 80.00
有机铝酸盐 1.00
乙基纤维素（EC）清漆* 11.50
表面活性剂 0.20
溶剂 4.80
— 100.00
*清漆组合物=5.25%ECN200;58.32%2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇-异丁酯;36.44%松油醇
实施例1具有34.19Pa·s的粘度，并提供了具有下述参数的结晶硅太阳能电池：614mV的Voc，16.47%的效率，6H的铅笔硬度，1的交叉粘合力，无外观缺陷(即0%)，和0.87mm的翘曲（对于700-640-640-890℃/85ipm烧结分布）。实施例1的电学结果和印刷参数列在图6中。
实施例2是至少包含80%铝粉、2%的2种不同的玻璃料、1%铝酸盐和有机载体的铝糊。在实施例2中的玻璃料包括VioxV2083（其量为组合物的1.50重量%）和VioxV1467（其量为组合物的0.50重量%）。
该实施例具有47.16Pa·s的粘度，并提供了具有下述参数的结晶硅太阳能电池：615mV的Voc，16.39%的效率,0.89欧姆.cm2的串联电阻Rs，6H的铅笔硬度，1的交叉粘合力，无（0%）外观缺陷，和1.26mm的翘曲（对于700-640-640-890℃/85ipm烧结分布）。实施例2的电学结果和印刷参数列在图6中。
在对比实施例1中，提供了一种不含铅的铝配制剂，其代表没有机铝酸盐的传统糊组合物，如下面表2所示。
表2
组成描述 重量%
润湿的铝粉 75.00
玻璃料#2 7.32
脂肪酸 1.00
丙烯酸树脂 2.50
乙基纤维素树脂 0.36
溶剂 13.82
— 100.00
对比实施例1表现出15.4Pa·s的粘度，并使得结晶硅太阳能电池能够具有：612mV的Voc，16.22%的效率，6H的铅笔硬度，1的交叉粘合力，和2.74mm的翘曲（对于700-640-640-890℃/85ipm烧结分布）。对比实施例1的电学结果和印刷参数列在图6中。
在对比实施例2中，描述了包含2%玻璃料和1%有机钛酸盐的铝糊，如下面表3所示。
表3
描述 重量%
玻璃料#3 2.00
二氧化硅 0.50
润湿的铝粉 80.00
有机钛酸盐 1.00
EC清漆（与在糊B中相同） 13.14
溶剂 3.36
— 100.00
对比实施例2的粘度为41.2Pa·s，并提供了具有下述参数的结晶硅太阳能电池：612mV的Voc，16.32%的效率，6H的铅笔硬度，1的交叉粘合力，55%外观缺陷，和2.3mm的翘曲（对于700-640-640-890℃/85ipm烧结分布）。对比实施例2的电学结果和印刷参数列在图6中。
鉴于对比实施例1和2，实施例1和2表明有机铝酸盐组分向铝糊中的添加表现出改善的电学性能Voc和电池效率。另外，实施例1和2也表现出与对比实施例1和2相比显著更少的翘曲。此外，至少与表现出约55%外观缺陷的对比实施例2相比，实施例1和2通常是无缺陷的。
湿热
还就实施例1而言，鉴于对比实施例1分析了湿热特征。将实施例1的糊和对比实施例1的糊施涂在数种不同的结晶Si晶片。将这些晶片放入设置在约85℃±2℃和85%±5%相对湿度的湿度室中。在本文中使用的湿热试验是普通技术人员已知的标准程序，且明确地详述于“IECStandard61646”中。使用该测试来确定太阳能电池的耐受长期湿度穿透作用的能力。定期地从室中取出经印刷的器件以测量电学性能的变化。
图2解释了对比实施例1的Voc在1,080小时期间的变化。对比实施例1的湿热稳定性试验表明Voc随时间的降级。即，Voc在0.609V和0.595V之间波动。
图3解释了实施例1的Voc在1,228小时期间的变化。Voc保持在约0.612V和0.620V之间相当恒定。更优选地，Voc保持在约0.0.61285V和0.618V之间相当恒定。湿热研究证实，与常规糊组合物相比，本发明的新颖的基于铝的糊组合物在长时间段内具有更好的电学性能。通常，本发明表现出约±0.006V的变动。
表4解释了商购可得的铝粉的一些性能，所述铝粉可用于开发光伏器件的背面钝化所用的铝糊。本发明的优选铝粉是具有更高氧化铝层厚度的那些。使用Strohmeier1的方程式2，可以确定氧化铝层厚度。
d = λ s sin θ 1 n [ N m λ m N s λ a I s I m + 1 ]
表4
将在上表中的上述铝粉中的3种用于铝糊配制剂中。测定每种粉末的氧化铝厚度。电子飞离(take-off)角是65°。使用1.5的Nm/NO比。测得铝粉的氧化铝层厚度如下：1404=39.02EckaBAI-10HP=43.44ULT0565=46.01ULT0465=53.82AGS4-6=53.92
在用根据本发明的包含有机铝酸盐化合物的糊制备的烧结太阳能电池上进行水稳定性实验。经确定，约的优选最小氧化物厚度会在烧结后提供增强的水稳定性。
在下面表5中提供的实施例3是基于无铅的配制剂，其包含有机铝酸盐和Alcoa1404的铝粉。
表5
描述 重量
玻璃料#3 2.00
二氧化硅 0.50
干铝粉（1404Alcoa） 74.80
有机铝酸盐 2.00
EC清漆（与在糊B中相同） 10.00
脂肪酸 3.00
表面活性剂 0.20
溶剂 7.50
— 100.00
实施例3具有34.4Pa·s的粘度。结晶硅太阳能电池表现出的电学特征包括：618mV的Voc，16.44%的效率，1.4欧姆.cm2的串联电阻Rs。该糊表现出5H的铅笔硬度、2的交叉粘合力、和1.4mm的翘曲（使用700-640-640-890℃/85ipm烧结分布）。但是，根据在本公开内容中前面提及的指标，实施例3在水稳定性试验中失败。
在下面表6中提供的实施例4是基于无铅的配制剂，其包含有机铝酸盐和EckaBAI-10HP铝粉。
表6
描述 重量%
玻璃料#3 1.96
二氧化硅 0.49
干铝粉（Ecka） 73.33
有机铝酸盐 1.96
EC清漆（与在糊B中相同） 9.80
脂肪酸 2.94
表面活性剂 0.20
溶剂 9.31
— 100
实施例4具有55Pa·s的粘度。结晶硅太阳能电池表现出的电学特征包括：618mV的Voc，16.77%的效率，0.98欧姆.cm2的串联电阻Rs。该糊表现出6H的铅笔硬度、1的交叉粘合力、和2.0mm的翘曲（在700-640-640-890℃/85ipm的烧结分布下）。但是，根据在本公开内容中前面提及的指标，实施例4在水稳定性试验中失败。
在下面表7中提供的实施例5是基于无铅的配制剂，其也包含铝酸盐和ULT05675铝粉。
表7
实施例5表现出51.5Pa·s的粘度。结晶硅太阳能电池表现出的电学特征包括：615mV的Voc，16.46%的效率，1.1欧姆.cm2的串联电阻Rs。该糊也表现出5H的铅笔硬度、2的交叉粘合力、和在890℃时1.8mm的翘曲，并通过水稳定性。
实施例3、4和5表明，具有更厚的氧化铝层的铝粉使得得到的糊更可能通过水稳定性试验。
这些不同配制剂的结果清楚地表明，使用的组分的性能影响糊的总体性能，并且因此就配制用于光伏应用的成功铝糊而言并非无足轻重。
本领域技术人员显而易见，在本发明中可以做出多种修改和变化，而不脱离本发明的精神或范围。因而，本发明意图涵盖本发明的修改和变化，只要它们落入所附权利要求和它们的等效方案的范围内。

Claims (29)

1.一种基于铝的糊，包含：
铝粉；
一种或多种玻璃料；
一种或多种有机铝酸盐化合物；和
有机载体并且其中该糊不含铅，并且
其中所述一种或多种有机铝酸盐化合物以所述基于铝的糊的0.5－2重量％的量存在。
2.根据权利要求1所述的基于铝的糊，其中所述一种或多种有机铝酸盐化合物选自二异丙基(油烯基)乙酰乙酰基及其任意衍生物。
3.根据权利要求1所述的基于铝的糊，其中所述一种或多种玻璃料的范围为所述基于铝的糊的0.5-3重量％。
4.根据权利要求1或2所述的基于铝的糊，其中所述一种或多种玻璃料小于或等于所述基于铝的糊的2重量％。
5.根据权利要求1或2所述的基于铝的糊，其中所述一种或多种玻璃料是一种类型的材料。
6.根据权利要求1或2所述的基于铝的糊，其中所述基于铝的糊的D90粒度分布的范围为10-14μm。
7.一种太阳能电池，包含硅晶片和不含铅的基于铝的糊，所述基于铝的糊包含：
铝粉；
一种或多种玻璃料；
一种或多种有机铝酸盐化合物；和
有机载体，并且
其中所述一种或多种有机铝酸盐化合物以所述基于铝的糊的0.5－2重量％的量存在。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池，其中所述硅晶片是单晶晶片。
9.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，其中所述一种或多种有机铝酸盐化合物选自二异丙基(油烯基)乙酰乙酰基及其任意衍生物。
10.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，其中所述一种或多种玻璃料的范围为所述基于铝的糊的0.5-3重量％。
11.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，其中所述一种或多种玻璃料小于或等于所述基于铝的糊的2重量％。
12.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，其中所述一种或多种玻璃料是一种类型的材料。
13.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，其中所述基于铝的糊的D90粒度分布的范围为10-14μm。
14.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，在烧结后立即呈现出小于2.0mm的翘曲。
15.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，其中所述基于铝的糊的厚度的范围为13-60μm。
16.根据权利要求7或8所述的太阳能电池，呈现出优良的水稳定性。
17.根据权利要求16所述的太阳能电池，其中所述基于铝的糊包含铝粉，该铝粉具有厚度大于或等于45埃的氧化铝层。
18.一种制造太阳能电池的方法，包括：
提供硅晶片；
向所述硅晶片的背面施涂不含铅的基于铝的糊，所述基于铝的糊包含铝粉、一种或多种玻璃料、0.5－2.0重量％的一种或多种有机铝酸盐化合物和有机载体；和
烧结所述硅晶片和所述施涂的基于铝的糊至高于铝熔点的温度。
19.用在电子器件中的根据权利要求7-18任一项所述的太阳能电池。
20.用在玩具中的根据权利要求7-18任一项所述的太阳能电池。
21.用作建筑物屋顶中的部件的根据权利要求7-18任一项所述的太阳能电池。
22.用在运输车辆中的根据权利要求7-18任一项所述的太阳能电池。
23.一种太阳能电池，其包含在硅晶片背面的根据权利要求1－6任一项所述的不含铅的基于铝的糊，当暴露于85℃±2℃的温度和85％±5％的相对湿度时，所述太阳能电池维持±0.006V的开路电压变化持续至少1,000小时。
24.根据权利要求23所述的太阳能电池，其中所述开路电压的范围为0.6125-0.6185V。
25.根据权利要求23或24所述的太阳能电池，其维持所述开路电压变化至少1,200小时。
26.根据权利要求23或24所述的太阳能电池，其中电池效率的范围为16.36-16.47％。
27.一种太阳能电池，其具有最小量的施涂到硅晶片背面的根据权利要求1－6任一项所述的不含铅的基于铝的糊重量，而不损害所述太阳能电池的开路电压特性。
28.根据权利要求27所述的太阳能电池，其呈现出范围为0.607-0.609V的开路电压，具有1.4g至1.8g所述施涂的基于铝的糊。
29.根据权利要求27或28所述的太阳能电池，其中所述硅晶片的厚度范围为100-300μm。
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