KR101437162B1 - 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법에 관한 것으로서, (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 태양전지 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 태양전지 기판의 전면을 플라즈마 처리하여 태양광의 반사도를 저감시키는 단계; (c) 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 상기 태양전지 기판 전면에 주입하여 에미터층을 형성하는 단계; (d) 상기 태양전지 기판의 후면을 플라즈마 처리하여 기판 후면에 에미터층 형성 시 형성된 제2도전형의 불순물 주입층을 제거함과 동시에 기판 후면을 평탄화하는 단계; (e) 상기 태양전지 기판 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; (f) 상기 반사방지막을 관통하여 전면 전극을 상기 에미터층에 콘택시키는 단계; 및 (g) 상기 태양전지 기판 후면에 후면 전극을 콘택시키고, 후면 전극과 접하는 기판 후면에 BSF(back surface field)를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
태양전지, 플라즈마, 에미터층, 텍스처링, BSF
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지의 기판을 플라즈마로 표면 처리하여 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 특히 주목받고 있다. 태양 에너지의 이용방법으로는 태양열을 이용하여 터빈을 회전시키는데 필요한 증기를 발생시키는 태양열 에너지와, 반도체의 성질을 이용하여 태양광(photons)을 전기 에너지로 변환시키는 태양광 에너지가 있으며, 태양광 에너지라고 하면 일반적으로 태양광 전지(이하, '태양전지'라 함)를 일컫는다.
태양전지의 기본적인 구조를 나타낸 도 1을 참조하면, 태양전지는 다이오드와 같이 p형 반도체(101)와 n형 반도체(102)의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 (-) 전하 를 띤 전자와 전자가 빠져나가 (+) 전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 이를 광기전력효과(光起電力效果, photovoltaic effect)라 하는데, 태양전지를 구성하는 p형(101) 및 n형 반도체(102) 중 전자는 n형 반도체(102) 쪽으로, 정공은 p형 반도체(101) 쪽으로 끌어 당겨져 각각 n형 반도체(101) 및 p형 반도체(102)와 접합된 전극(103, 104)으로 이동하게 되고, 이 전극(103, 104)들을 전선으로 연결하면 전기가 흐르므로 전력을 얻을 수 있다.
이와 같이 태양전지의 출력특성을 일반적으로 솔라시뮬레이터를 이용하여 얻어진 출력전류전압곡선 상에서 출력전류 Ip와 출력전압 Vp의 곱 Ip×Vp의 최대값(Pm)을 태양전지로 입사하는 총광에너지(S×I: S는 소자면적, I는 태양전지에 조사되는 광의 강도)로 나눈 값인 변환효율 η에 의해 평가된다.
태양전지의 변환효율을 향상시키기 위해서는 태양전지 기판 및 전극에서의 저항을 낮추고, 캐리어들의 재결합 정도를 줄여야 함과 동시에 태양전지의 실리콘 기판에 입사되는 태양광에 대한 반사도를 감소시켜야 하는바, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
태양전지 제조 시 주로 사용되는 실리콘 기판은 경면 가공이 되어 있어 태양광에 대한 반사도가 높다. 따라서, 태양광 입사면 측에서 태양광의 반사도를 저감시킬 수 있는 공정을 적용하여 태양전지를 제조해야만 소망하는 광전변환 효율을 갖는 태양전지의 제조가 가능하다.
또한, 태양전지 기판의 p-n 접합은 p형 또는 n형의 불순물이 도핑된 태양전지 기판을 확산로(diffusion furnace)에 넣고 상기 기판과 다른 도전형을 형성할 수 있는 가스를 확산로에 주입한 후 이를 태양전지 기판의 표면에 확산시켜 에미터층을 형성함에 의해 이루어진다.
상술한 불순물의 확산을 통해 p-n 접합이 형성된 후에는 태양전지 기판의 표면 전체에 동일한 도전형의 불순물이 주입된 불순물 주입층이 형성되어 이후 형성되는 전면 전극 및 후면 전극이 전기적으로 연결되어 태양전지의 효율감소의 원인이 된다. 종래에는 위와 같은 문제를 해결하기 위해 태양전지 기판의 측단의 가장자리에 형성된 불순물 주입층을 기계적인 스크라이빙이나, 레이저를 이용하여 제거하였다. 그런데, 기계적인 스크라이빙을 이용할 경우, 공정시간이 오래 걸리는 문제가 있고, 레이저를 이용할 경우, 공정시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 고온의 레이저에 의해 용융되었다가 다시 굳어진 부위가 효율 손실의 원인이 되기 때문에 레이저 공정을 적용한 후에는 별도의 에칭 공정으로 레이저로 인한 손상부위를 제거해주어야 하는 번거로움이 있었다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서, 에미터층의 형성 전에 태양전지 기판 표면을 플라즈마로 처리하여 태양광의 반사율을 감소시키고, 에미터층을 형성한 후에는 태양전지 기판의 후면을 플라즈마로 처리하여 평탄화시킴으로써 후속 공정에서 균일한 BSF를 형성하여 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법은, (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 태양전지 기판을 준비하는 단계; (b) 상기 태양전지 기판의 전면을 플라즈마 처리하여 태양광의 반사도를 저감시키는 단계; (c) 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 상기 태양전지 기판 전면에 주입하여 에미터층을 형성하는 단계; (d) 상기 태양전지 기판의 후면을 플라즈마 처리하여 기판 후면에 에미터층 형성 시 형성된 제2도전형의 불순물 주입층을 제거함과 동시에 기판 후면을 평탄화하는 단계; (e) 상기 태양전지 기판 전면에 반사방지막을 형성하는 단계; (f) 상기 반사방지막을 관통하여 전면 전극을 상기 에미터층에 콘택시키는 단계; 및 (g) 상기 태양전지 기판 후면에 후면 전극을 콘택시키고, 후면 전극과 접하는 기판 후면에 BSF(back surface field)를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는, CF4, SF6, Cl 및 O2 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합가스를 이용한 플라즈마에 의한 표면 처리 단계이다. 이 때, 플라즈마 처리는 대기압 하 또는 진공 분위기 하에서 진행될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (d) 단계는, CF4, SF6 및 Cl 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합가스와 O2 가스를 혼합한 가스를 이용한 플라즈마에 의한 표면 처리 단계 이다. 이 때, 플라즈마 처리는 대기압 하 또는 진공 분위기 하에서 진행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 태양전지의 제조 시 에미터층의 형성 공정 전후로 플라즈마 표면 처리를 시행함으로써, 태양전지의 반사도를 줄일 수 있어 광전변환에 의해 생성되는 전류의 량을 증가시킬 수 있다. 또한, 태양전지 기판 후면에 형성된 불순물 주입층을 제거함과 동시에 기판 후면을 평탄화시킬 수 있어서 별도의 에지 아이솔레이션 공정을 배제할 수 있고 기판 후면에 균일한 BSF를 형성할 수 있다. 그 결과 태양전지의 단락전류와 개방전압을 증가시켜 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가 장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은, 먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1도전형의 불순물이 도핑된 태양전지 기판(201)을 준비한다. 바람직하게, 태양전지 기판(201)은 단결정이나 다결정 실리콘 기판 또는 비정질 실리콘 기판이다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 상기 태양전지 기판(201)은 전처리 공정으로 슬라이싱 가공 중에 태양전지 기판(201)의 표면에 발생된 소우 데미지(saw damage)를 습식 식각하여 제거한 기판이다.
그런 다음, 태양전지 기판(201)을 플라즈마 챔버에 로딩한 후 태양전지 기판(201) 전면을 플라즈마 처리하여 태양광의 반사도를 저감시킨다. 태양광의 반사도 저감은 플라즈마의 미세한 식각 작용으로부터 기인한다. 플라즈마 표면 처리에 의해 태양광의 반사도가 저감되면, 단락 전류 Jsc가 상승하여 그 만큼 태양전지 효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 태양전지 기판(201)의 표면을 플라즈마 처리하면 기판 표면의 결함이 제거되므로 표면 결함의 제거로 인한 단락 전류 상승 효과도 기 대할 수 있다.
본 발명에서, 상기 플라즈마(plasma)는 중성가스 분자를 전자(Electron), 이온(Ion), 자유기(Free Radical) 등이 포함된 고 에너지의 활성물질로 여기시킨 상태를 말한다. 플라즈마 챔버 내에서 전자는 전장 중에서 전위차로 인하여 가속되는데, 전자가 가속되는 과정 중 가스 분자와 충돌되면서 여기되는 에너지를 방사하게 되고, 충격을 받은 원자가 여기되면서 또 다시 전자를 방출하게 된다. 이러한 과정이 반복되면서 플라즈마 챔버 내에는 전자, 이온, 자유기 및 중성분자가 동시에 존재하는 상태가 되는데 이를 플라즈마 상태라고 부른다. 그리고 기본적으로 플라즈마 가스는 부분적으로 해리된 가스 및 동일한 양의 양전하와 음전하를 띠는 입자로 구성되며, 그 중 상기 해리된 가스는 높은 활성을 지니게 된다.
도 2에 도시된 공정에서 사용되는 플라즈마의 형성을 위한 소스 가스로는, CF4, SF6, Cl 및 O2 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합가스가 사용된다. 하지만, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. 상기 플라즈마는 진공 또는 대기압 조건 하에서 형성된다.
상술한 공정을 거쳐 태양전지 기판(201)의 전면에 대한 플라즈마 표면 처리가 완료되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 태양전지 기판(201)의 표면에는 눈에 보이지 않을 정도의 수 ~ 수백 ㎚정도의 미세 잔주름층(201')이 형성된다. 미세 잔주름층(201')이 형성되면 태양전지 기판(201)은 표면의 표면적이 증가되고, 표면적 증가로 인해 반사율이 낮아지는 텍스처링 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게, 태양전지 기판(201) 전체에 대한 식각 정도는 1 내지 2 ㎛정도이다.
플라즈마 표면 처리가 완료되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 상기 태양전기 기판(201)의 전면에 주입하여 에미터층(202)을 형성한다. 에미터층(202)이 형성되면, 태양전지 기판(201)에는 p-n 접합이 형성된다. 에미터층(202)이 형성되면, 태양전지 기판(201)에는 p-n 접합이 형성된다. 여기서, 태양전지 기판(201)은 p형 및 n형이 모두 사용될 수 있으며, 그 중 p형 기판은 소수 캐리어의 수명 및 모빌리티(mobility)가 커서(p형의 경우 전자가 소수 캐리어임) 가장 바람직하게 사용될 수 있다. p형 기판에는 대표적으로 B, Ga, In 등의 3족 원소들이 도핑되어 있다. 기판이 p형인 경우, n형 에미터층은 P, As, Sb 등의 5족 원소들을 확산시켜 형성한다.
상기 제2도전형의 에미터층(202)을 형성할 때에는, 먼저 태양전지 기판(201)을 확산로(diffusion furnace)에 넣고, 산소 가스와 제2도전형의 불순물 가스를 주입하여 기판 상에 불순물이 유입된 산화막을 형성한다. 여기서, 태양전지 기판(201)이 p형인 경우, 불순물 가스로는 POCl3가 사용될 수 있다. 그런 다음, 고온 열처리를 통해 산화막 내의 불순물을 태양전지 기판(201) 표면으로 드라이브-인(drive-in) 시킨다. 그리고 나서, 기판 표면에 잔류하는 산화막인 PSG막을 제거한다. 그러면 태양전지 기판(201)에는 소정 두께의 에미터층(202)이 형성된다. 상술한 불순물 확산 공정을 거친 태양전지 기판(201)에는 전면에 형성된 에미터층(202) 외에도 측면과 후면에도 제2도전형의 불순물 주입층(207)이 형성되므로 이를 제거하는 공정이 수반되어야 한다.
상술한 공정을 거쳐 에미터층(202)이 형성되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지 기판(201)의 후면에 대해서 플라즈마를 이용한 표면 처리를 시행한다.
상기 태양전지 기판(201)의 후면에 대해서 그 표면을 플라즈마 처리할 때에는, 먼저, 태양전지 기판(201)의 후면이 표면 처리될 수 있도록 태양전지 기판(201)을 진공 또는 대기압 하의 플라즈마 챔버 내에 위치시킨 상태에서 챔버 내에 플라즈마 소스 가스를 주입시킨다. 이때 주입되는 플라즈마 소스 가스로는 상술한 태양전지 기판(201)의 전면을 처리할 때의 플라즈마 소스 가스를 사용할 수 있지만, 태양전지 기판(201)의 후면을 처리할 때에는 O2 가스가 첨가되는 것이 바람직하다. O2 가스는 플라즈마 처리 시 태양전지 기판(201)의 산화 작용을 촉진시키는 역할을 한다.
상기 플라즈마 소스 가스가 주입되면, 플라즈마 챔버를 작동시켜 주입된 소스 가스를 플라즈마로 여기시켜 태양전지 기판(201)의 후면을 플라즈마로 표면 처리한다. 이때, 플라즈마 소스 가스 내에 O2가 첨가된 경우, 첨가된 O2 가스에 의해 태양전지 기판(201)은 산화가 촉진된다. 그리고, 산화된 태양전지 기판(201)은 플라즈마 처리 시에 생성되는 플로린(F2) 계열의 가스에 의해 태양전기 기판(201)의 산화된 표면층이 식각된다. 바람직하게, 태양전지 기판(201)의 후면을 처리할 때의 식각율(etching rate)은 태양전지 기판(201)의 전면을 처리할 때보다 크게 제어한다. 태양전지 기판(201)의 후면 처리 시 식각 속도를 빠르게 진행하는 것은 태양전지 기판(201)의 후면을 전면보다 평탄하게 처리하기 위함이다.
상술한 공정을 거쳐 태양전지 기판(201)의 후면에 대한 플라즈마 처리가 완료되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지 기판(201)의 후면은 상술한 불순물 확산 공정 시 형성된 제2도전형의 불순물 주입층(207)이 플라즈마의 식각 작용에 의해 제거됨과 동시에 태양전지 기판(201) 후면의 표면 조직이 평탄화를 이루게 된다. 한편, 태양전지 기판(201) 후면에 형성된 제2도전형의 불순물 주입층(207)은 플라즈마 처리에 의해 제거되었다. 이처럼, 불순물 주입층(207)이 제거되면 전면 전극과 후면 전극이 전기적으로 연결될 우려가 사라지게 된다. 이러한 경우, 태양전지 제조 과정에서 태양전지 기판(201)의 측면 가장자리를 제거하기 위한 별도의 에지 아이솔레이션 공정을 생략할 수 있으므로, 태양전지 제조 과정을 단순화할 수 있는 이점이 있을 것임은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
그리고 나서, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 태양전지 기판(201)의 전면에 형성된 에미터층(202) 상에 반사방지막(203)을 형성한다. 반사방지막(203)은 태양광에 대한 반사율을 낮추기 위해 형성되는 것으로, 대표적으로 실리콘나이트라이드를 포함하여 이루어질 수 있으며, 플라즈마 화학기상증착법(PECVD), 화학기상증착법(CVD) 및 스퍼터링으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법에 의해 형성될 수 있다. 그리고, 상기 반사방지막(203)을 관통하며 에미터층(202)에 콘택되도록 전면 전극(204)을 형성하고, 상기 태양전지 기판(201)의 반사방지막(203)이 형성된 면과 반대 면에 후면 전극(205)을 형성한다. 전면 전극(204) 및 후면 전극(205)의 형성 순서는 제한되지 않아, 어느 전극을 먼저 형성하여도 무방하다.
전면 전극(204)은 은과 글라스 프릿을 포함하는 통상의 전면 전극 형성용 페이스트를 소정 패턴에 따라 반사방지막(203) 위에 도포한 후 열처리함에 의해 형성될 수 있으며, 열처리를 통해 전면 전극(204)은 반사방지막(203)을 관통하여 에미터층(202)과 콘택되게 된다(punch through). 상기 전면 전극(204)은 은을 포함하고 있어 전기 전도성이 우수하다.
후면 전극(205)은 알루미늄을 포함하는 통상의 후면 전극 형성용 페이스트를 상기 태양전지 기판(201)의 후면에 도포한 후 열처리함에 의해 형성될 수 있으며, 열처리에 의해 태양전지 기판(201)은 후면 전극(205)과 접하는 면으로부터 소정 깊이까지 전극 형성 물질(Al)이 도핑되어 BSF(back surface field)(206)가 형성된다. 후면 전극(205)은 알루미늄을 포함하고 있으므로 전기 전도성이 우수할 뿐만 아니라 실리콘과의 친화력이 좋아서 접합성이 우수하다. 또한, 알루미늄은 3족 원소로서 태양전지 기판(201)과의 접면에서 P+층, 즉 BSF(206)을 형성하여 캐리어들이 표면에서 사라지지 않고 BSF 방향으로 모이도록 한다. 본 발명에서는 태양전지 기판(201)의 후면을 플라즈마 표면 처리를 통해 평탄화시킴으로써, 상기 BSF(206)의 형성에 있어 종래보다 균일한 형성이 가능하여 BSF(206)에 의한 효과가 향상되어 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 태양전지의 기본적인 구조를 도시한 개략도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법을 순차적으로 도시한 공정 단면도들이다.
<도면의 주요 참조 번호>
201 : 태양전지 기판 201' : 미세 잔주름층
202 : 에미터층 203 : 반사방지막
204 : 전면 전극 205 : 후면 전극
206 : BSF 207 : 불순물 주입층
Claims (5)
- (a) 제1도전형의 불순물이 도핑된 태양전지 기판을 준비하는 단계;(b) 상기 태양전지 기판의 전면을 플라즈마 처리하여 태양광의 반사도를 저감시키는 단계;(c) 상기 제1도전형과 반대 도전형인 제2도전형의 불순물을 상기 태양전지 기판 전면에 주입하여 에미터층을 형성하는 단계;(c-1) 상기 에미터층 형성시 상기 기판의 후면에 제2 도전형의 불순물 주입층이 형성되는 단계;(d) 상기 태양전지 기판의 후면을 플라즈마 처리하여 기판 후면에 에미터층 형성 시 형성된 상기 제2도전형의 불순물 주입층을 제거함과 동시에 기판 후면을 평탄화하는 단계;(e) 상기 태양전지 기판 전면에 반사방지막을 형성하는 단계;(f) 상기 반사방지막을 관통하여 전면 전극을 상기 에미터층에 콘택시키는 단계; 및(g) 상기 태양전지 기판 후면에 후면 전극을 콘택시키고, 후면 전극과 접하는 기판 후면에 BSF(back surface field)를 형성하는 단계;를 포함하고,상기 태양전지 기판의 후면의 플라즈마 식각율은 상기 태양전지 기판의 전면의 플라즈마 식각율보다 빠른 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,대기압 플라즈마 또는 진공 플라즈마를 이용하여 태양전지 기판의 전면을 플라즈마 처리하는 단계임을 특징으로 하는 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법.
- 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계에서,플라즈마 소스 가스로는, CF4, SF6, Cl 및 O2 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계는,대기압 플라즈마 또는 진공 플라즈마를 이용하여 태양전기 기판의 후면을 플라즈마 처리하는 단계임을 특징으로 하는 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 (d) 단계에서,플라즈마 소스 가스로는, CF4, SF6 및 Cl 중 선택된 어느 하나 또는 이들의 혼합가스와 O2를 혼합한 가스가 사용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면 처리를 이용한 태양전지의 제조방법.
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