JP6099435B2 - Core-shell particle, photoelectric conversion layer, and photoelectric conversion element - Google Patents
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Description
本発明は、コアシェル粒子、光電変換層および光電変換素子に関する。 The present invention relates to a core-shell particle, a photoelectric conversion layer, and a photoelectric conversion element.
太陽光エネルギを電気エネルギに直接変換する太陽電池は、近年、特に、地球環境問題の観点から、次世代のエネルギ源としての期待が急激に高まっている。太陽電池には、結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物半導体または有機材料を用いたものなど様々な種類のものがあるが、現在主流となっているのは、結晶シリコンを用いた太陽電池である。 In recent years, a solar cell that directly converts solar energy into electric energy has been rapidly expected as a next-generation energy source particularly from the viewpoint of global environmental problems. There are various types of solar cells such as those using crystalline silicon, amorphous silicon, compound semiconductors, or organic materials. Currently, solar cells using crystalline silicon are the mainstream.
太陽電池は、一般的には、単結晶または多結晶の結晶シリコンウエハの受光面に結晶シリコンウエハの導電型と反対の導電型となる不純物を拡散することによってpn接合を有する光電変換層を形成し、光電変換層の受光面と受光面の反対側の裏面とに電極を形成することによって作製されている。 In general, a solar cell forms a photoelectric conversion layer having a pn junction by diffusing an impurity having a conductivity type opposite to that of a crystalline silicon wafer on a light receiving surface of a single crystal or polycrystalline crystal silicon wafer. And it is produced by forming an electrode in the light-receiving surface of a photoelectric converting layer, and the back surface on the opposite side to a light-receiving surface.
また、光電変換層の受光面には電極を形成せず、光電変換層の裏面のみに電極を形成した太陽電池についても研究開発が進められている。 Research and development are also underway for solar cells in which electrodes are not formed on the light receiving surface of the photoelectric conversion layer, but electrodes are formed only on the back surface of the photoelectric conversion layer.
従来の太陽電池においては、光電変換層のバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギを有する光は光電変換層で吸収されないため、大きな光電変換ロスが生じていた。そのため、たとえば非特許文献1には、光電変換層のバンドギャップ中に中間バンドを備えた中間バンド型太陽電池が提案されている。
In the conventional solar cell, light having energy smaller than the band gap energy of the photoelectric conversion layer is not absorbed by the photoelectric conversion layer, so that a large photoelectric conversion loss occurs. Therefore, for example, Non-Patent
非特許文献1に記載の太陽電池は、光電変換層のバンドギャップ中に中間バンドを有するため、従来の太陽電池と同様に、バンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光子を吸収して価電子帯の電子を伝導帯に励起することができる。さらに、非特許文献1に記載の太陽電池は、価電子帯上端と中間バンドとのエネルギ差以上のエネルギを有する光子の吸収と、中間バンドと伝導帯下端とのエネルギ差以上の光子の吸収によって、価電子帯の電子を中間バンドを介して伝導帯に励起することができる。これにより、非特許文献1に記載の太陽電池は、光電変換に適さない波長領域の光を光電変換することによって、光電変換ロスを低減し、光電変換効率を向上することができるとされている。
Since the solar cell described in Non-Patent
しかしながら、非特許文献1に記載の中間バンド型太陽電池は、高品質な中間バンドを有する光電変換層を作製するのが非常に困難であるため、光生成された電子・正孔対が容易に再結合してしまい、高い光電変換効率が得られないという問題があった。
However, since the intermediate-band solar cell described in Non-Patent
上記の事情に鑑みて、本発明の目的は、光電変換層のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光に加えて、光電変換層のバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギを吸収することによって発生したキャリアを効率的に電極で収集することで光電変換効率を向上させることができる、コアシェル粒子、光電変換層および光電変換素子を提供することにある。 In view of the above circumstances, the object of the present invention is to absorb carriers generated by absorbing energy smaller than the band gap energy of the photoelectric conversion layer in addition to light having energy equal to or higher than the band gap energy of the photoelectric conversion layer. An object of the present invention is to provide a core-shell particle, a photoelectric conversion layer, and a photoelectric conversion element that can improve photoelectric conversion efficiency by efficiently collecting with an electrode.
本発明は、半導体コアと半導体コアの表面上に設けられた半導体シェルとを備え、半導体コアは、Cuと、GaおよびInの少なくとも一方と、SおよびSeの少なくとも一方とを含む第1半導体と第1半導体のバンドギャップ中に中間バンドを形成する不純物とを含み、半導体シェルは、Cuと、GaおよびInの少なくとも一方と、SおよびSeの少なくとも一方とを含む第2半導体を含むコアシェル粒子である。このような構成とすることにより、半導体コアへの長波長の光の入射により中間バンドを介した電子励起を利用して発生したキャリアと、短波長の光の入射により半導体シェルで発生したキャリアとを半導体シェルを通して外部に取り出すことができるため、本発明のコアシェル粒子を用いて作製された光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。なお、半導体のバンドギャップ中に中間バンドを形成するために、半導体バルク中に高濃度の不純物を導入する場合には、不純物が偏析するなどして高品質な中間バンドを有する半導体を形成するのが困難であるのに対し、コアシェル粒子の半導体コアに不純物を導入する場合には、半導体コアの体積が非常に小さいために、不純物の偏析等の問題は起こりにくく、高品質な中間バンドを有する半導体を作製しやすい。 The present invention includes a semiconductor core and a semiconductor shell provided on the surface of the semiconductor core, and the semiconductor core includes a first semiconductor including Cu, at least one of Ga and In, and at least one of S and Se. see contains an impurity for forming the intermediate band in the band gap of the first semiconductor, a semiconductor shell, Cu and, at least one of Ga and in, including core-shell a second semiconductor containing at least one of S and Se Particles. With such a configuration, carriers generated using electronic excitation via an intermediate band due to incidence of long-wavelength light on the semiconductor core and carriers generated in the semiconductor shell due to incidence of short-wavelength light Thus, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element having the photoelectric conversion layer produced using the core-shell particles of the present invention can be improved. In order to form an intermediate band in the semiconductor band gap, when a high concentration impurity is introduced into the semiconductor bulk, a semiconductor having a high quality intermediate band is formed by, for example, segregation of the impurity. In contrast, when impurities are introduced into the semiconductor core of the core-shell particle, the volume of the semiconductor core is so small that problems such as segregation of impurities hardly occur and a high-quality intermediate band is provided. Easy to manufacture semiconductors.
また、本発明は、上記のコアシェル粒子を含む光電変換層である。このような構成とすることにより、半導体コアへの長波長の光の入射により中間バンドを介した電子励起を利用して発生したキャリアと、短波長の光の入射により半導体シェルで発生したキャリアとを半導体シェルを通して外部に取り出すことができるため、本発明の光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。 Moreover, this invention is a photoelectric converting layer containing said core-shell particle . With such a configuration, the carriers generated by utilizing electron excitation via the intermediate band by incident light with a long wavelength to a half-conductor core, carriers generated in the semiconductor shell by the incident of short-wavelength light Thus, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element having the photoelectric conversion layer of the present invention can be improved.
さらに、本発明は、上記の光電変換層と、光電変換層と電気的に接続された電極とを含む光電変換素子である。このような構成とすることにより、半導体コアへの長波長の光の入射により中間バンドを介した電子励起を利用して発生したキャリアと、短波長の光の入射により半導体シェルで発生したキャリアとを半導体シェルを通して電極から外部に取り出すことができるため、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。 Furthermore, this invention is a photoelectric conversion element containing said photoelectric conversion layer and the electrode electrically connected with the photoelectric conversion layer . With such a configuration, carriers generated using electronic excitation via an intermediate band due to incidence of long-wavelength light on the semiconductor core and carriers generated in the semiconductor shell due to incidence of short-wavelength light Can be taken out from the electrode through the semiconductor shell, so that the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element can be improved.
本発明によれば、光電変換層のバンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光に加えて、光電変換層のバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギを吸収することによって発生したキャリアを効率的に電極で収集することで光電変換効率を向上させることができる、コアシェル粒子、光電変換層および光電変換素子を提供することができる。 According to the present invention, in addition to light having energy equal to or higher than the band gap energy of the photoelectric conversion layer, carriers generated by absorbing energy smaller than the band gap energy of the photoelectric conversion layer are efficiently collected by the electrode. Thus, a core-shell particle, a photoelectric conversion layer, and a photoelectric conversion element that can improve the photoelectric conversion efficiency can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。 Embodiments of the present invention will be described below. In the drawings of the present invention, the same reference numerals represent the same or corresponding parts.
<コアシェル粒子>
図1に、本発明のコアシェル粒子の一例の模式的な断面図を示す。図1に示すコアシェル粒子3は、半導体コア1と、半導体コア1の表面上に設けられた半導体シェル2と、を備えている。このような構成のコアシェル粒子3を光電変換素子の光電変換層に用いた場合には、光電変換層に光が入射することにより半導体コア1および半導体シェル2で発生したキャリアを外部に取り出すことができるため、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。
<Core shell particles>
In FIG. 1, typical sectional drawing of an example of the core-shell particle | grains of this invention is shown. A core-shell particle 3 shown in FIG. 1 includes a
<半導体コア>
半導体コア1は、半導体と、当該半導体のバンドギャップ中に中間バンドを形成する不純物とを含むものが用いられる。これにより、コアシェル粒子3の半導体コア1に光が入射することによって、価電子帯の電子を中間バンドを介して伝導帯に励起させることができる。
<Semiconductor core>
The
半導体コア1を構成する半導体は、銅(Cu)と、ガリウム(Ga)およびインジウム(In)の少なくとも一方と、硫黄(S)およびセレン(Se)の少なくとも一方とを含む半導体であることが好ましい。たとえば、CuGa1-x1Inx1S2-2y1Se2y1(0≦x1≦1、0≦y1≦1)の式で表わされる半導体であることが好ましく、特に、CuGaS2の式で表わされる半導体であることがより好ましい。この場合には、光の入射による半導体コア1でのキャリア生成効率をより向上させることができる。
The semiconductor constituting the
また、半導体コア1を構成する半導体のバンドギャップ中に中間バンドを形成する不純物としては、炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、チタン(Ti)、鉄(Fe)およびクロム(Cr)からなる群から選択された少なくとも1種を用いることが好ましい。この場合には、結晶欠陥が少ない半導体コア1を形成することができるため、励起光の入射により半導体コア1で効率的に電子を励起することができ、光の入射による半導体コア1でのキャリア生成効率をより向上させることができる。
Further, as impurities forming an intermediate band in the semiconductor band gap constituting the
半導体コア1の平均粒径は、5nm以上25nm以下であることが好ましく、8nm以上15nm以下であることがより好ましい。半導体コア1の平均粒径が、5nm以上25nm以下である場合、特に8nm以上15nm以下である場合には、半導体コア1を構成する半導体中に中間バンドを形成する不純物を導入した場合でも、不純物原子が偏析するなどの異常を起こしにくいため、結晶欠陥の少ない半導体コア1を形成しやすい。このため、励起光の入射により半導体コア1で効率的に電子を励起することができ、半導体コア1でのキャリア生成効率をより向上させることができるとともに、光の入射により半導体コア1で発生したキャリアをより多く、半導体シェル2に流出させることができる。
The average particle size of the
半導体コア1の平均粒径は、たとえば透過型電子顕微鏡を用いて算出することができる。より具体的には、本発明のコアシェル粒子3を透過型電子顕微鏡の観察用のメッシュ上に分散し、分散されたコアシェル粒子3の断面を適切な倍率で観察し、得られた観察画像中のコアシェル粒子3の半導体コア1をランダムに100個選定し、その断面積の総和を求め、その総和を100で除した面積と同じ面積を有する円の直径に換算した値を、半導体コア1の平均粒径とする。
The average particle diameter of the
半導体コア1中の中間バンドを形成する不純物の含有量は、半導体コア1全体の0.1原子%以上10原子%以下であることが好ましく、0.2原子%以上2原子%以下であることがより好ましい。半導体コア1中の中間バンドを形成する不純物の含有量が半導体コア1全体の0.1原子%以上10原子%以下である場合、特に0.2原子%以上2原子%以下である場合には、光の入射により半導体コア1でのキャリア生成効率をより向上させることができる。
The content of impurities forming the intermediate band in the
<半導体シェル>
半導体シェル2としては、半導体シェル2のバンドギャップが半導体コア1のバンドギャップよりも狭い半導体が用いられる。これにより、コアシェル粒子3に光が入射することにより半導体コア1で発生したキャリアを半導体シェル2に流出させることができる。なお、半導体シェル2は半導体であるため、半導体シェル2自身も光の入射によってキャリアを発生する。
<Semiconductor shell>
As the
半導体シェル2の伝導帯下端および価電子帯上端が、それぞれ、半導体コア1を構成する半導体の伝導帯下端および価電子帯上端よりも中間バンド側に位置することが好ましい。これにより、光が入射することにより半導体コア1で発生したキャリアを半導体シェル2に流出させやすくなるとともに、半導体シェル2から半導体コア1にキャリアが逆流するのを効果的に抑止することができる。そのため、光が入射することにより半導体コア1で発生したキャリアをより多く半導体シェル2を通して外部に取り出すことができるため、コアシェル粒子3を用いて作製された光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。
The lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the
半導体シェル2は、Cuと、GaおよびInの少なくとも一方と、SおよびSeの少なくとも一方とを含む半導体であることが好ましい。たとえば、CuGa1-x2Inx2S2-2y2Se2y2(0≦x2≦1、0≦y2≦1)の式で表わされる半導体であることがより好ましく、CuGaS2、CuInS2、CuGa1-x2Inx2S2(0<x2<1)、およびCuGaS2-2y2Se2y2(0<y2<1)からなる群から選択された少なくとも1つの式で表わされる半導体であることが特に好ましい。これらの半導体は直接遷移型半導体であるため、発光効率が高い。また、特に、半導体コア1として、銅(Cu)と、ガリウム(Ga)およびインジウム(In)の少なくとも一方と、硫黄(S)およびセレン(Se)の少なくとも一方とを含む半導体を用いる場合には、半導体コア1と第1半導体シェル2との界面において格子不整合が起こりにくいため、界面におけるキャリア再結合を著しく抑制することができる。したがって、光が入射することにより半導体コア1および半導体シェル2で発生したキャリアをより多く外部に取り出すことができるため、本発明のコアシェル粒子3を用いて作製された光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率をより向上させることができる。なお、半導体シェル2には、半導体コア1のように中間バンドを形成する必要がないため、中間バンドを形成するための不純物の添加は不要である。
The
半導体コア1を構成する半導体および半導体シェル2が、それぞれ、CuGa1-x1Inx1S2-2y1Se2y1(0≦x1≦1、0≦y1≦1)およびCuGa1-x2Inx2S2-2y2Se2y2(0≦x2≦1、0≦y2≦1)の式で表わされる半導体である場合には、半導体シェル2は、半導体コア1を構成する半導体よりもInおよび/またはSeの含有比率(原子%)が高い(x2>x1および/またはy2>y1)ことが好ましい。この場合には、半導体シェル2のバンドギャップが半導体コア1を構成する半導体のバンドギャップよりも狭くなり、かつ半導体シェル2の伝導帯下端および価電子帯上端がそれぞれ半導体コア1を構成する半導体の伝導帯下端および価電子帯上端よりも中間バンド側に位置するため、半導体コア1で発生したキャリアが半導体シェル2に流出しやすくなるとともに、半導体シェル2から半導体コア1へのキャリアの逆流もより効果的に抑止することができる。
The semiconductor constituting the
<光電変換機構>
図2に、本発明のコアシェル粒子3の半導体コア1と半導体シェル2とのバンドギャップの相関図の好ましい一例を示す。ここで、半導体シェル2のバンドギャップ2aは、半導体コア1を構成する半導体のバンドギャップ1aよりも狭く、かつ半導体シェル2の伝導帯下端および価電子帯上端がそれぞれ半導体コア1を構成する半導体の伝導帯下端および価電子帯上端よりも中間バンド4a側に位置している。
<Photoelectric conversion mechanism>
FIG. 2 shows a preferred example of a band gap correlation diagram between the
図2に示すように、半導体コア1を構成する半導体のバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギを有する光5(長波長の光)が半導体コア1に入射した場合には、光5のエネルギを吸収することによって励起された半導体コア1を構成する半導体中の電子は、まず、半導体コア1を構成する半導体の価電子帯に正孔を放出して、半導体コア1を構成する半導体に添加された不純物によって形成された中間バンド4aに励起される。
As shown in FIG. 2, when light 5 (long wavelength light) having energy smaller than the band gap energy of the semiconductor constituting the
次に、半導体コア1を構成する半導体のバンドギャップエネルギよりも小さいエネルギを有する光5(長波長の光)がさらに半導体コア1に入射されると、中間バンドに位置する電子が、光5からさらにエネルギを吸収して、半導体コア1を構成する半導体の伝導帯まで励起される。
Next, when light 5 (long wavelength light) having energy smaller than the band gap energy of the semiconductor constituting the
半導体コア1を構成する半導体の伝導帯まで励起された電子および当該半導体の価電子帯の正孔は、それぞれ、半導体コア1に隣接する低バンドギャップの半導体シェル2の伝導帯および価電子帯に流出する。そして、これらの流出した電子および正孔が半導体シェル2を通して外部に取り出されるとともに、光5よりも短波長の光の入射によって半導体シェル2自身においても電子および正孔が発生し、これらの電子および正孔が外部に取り出される。これにより、本発明のコアシェル粒子3を用いて光電変換層が形成された光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。
The electrons excited to the conduction band of the semiconductor constituting the
<コアシェル粒子の製造方法>
以下、図3(a)および図3(b)の模式的断面図を参照して、本発明のコアシェル粒子3の製造方法の一例について説明する。まず、図3(a)に示すように、半導体コア1を作製する。ここで、半導体コア1は、たとえば、半導体コア1を構成する半導体および不純物の原料粉末を所定の液相中で反応させ、精製することによって沈殿させた、沈殿物として得ることができる。
<Method for producing core-shell particles>
Hereinafter, an example of the method for producing the core-shell particle 3 of the present invention will be described with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS. First, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、半導体コア1の表面を半導体シェル2で被覆する。半導体シェル2による半導体コア1の表面の被覆は、たとえば、半導体シェル2の原料粉末を所定の液相中で反応させた液を、上記の半導体コア1の沈殿物の分散液に加え、その後精製して沈殿させることにより行なうことができる。すなわち、この沈殿物が、半導体コア1の表面が半導体シェル2で被覆された粒子となる。
Next, as shown in FIG. 3B, the surface of the
図4に、半導体シェル2がCuGa1-x2Inx2S2-2y2Se2y2(0≦x2≦1、0≦y2≦1)の式で表わされる半導体から構成されるときの半導体シェル2の組成の変化による格子定数とバンドギャップエネルギとの変化を示す。図4に示すように、半導体シェル2の組成をCuGaS2、CuGaSe2、CuInS2およびCuInSe2と変化させることによって、半導体シェル2のバンドギャップエネルギを、CuGaS2(2.43eV)、CuGaSe2(1.68eV)、CuInS2(1.53eV)およびCuInSe2(1.04eV)と順次小さくしていくことができる。
4, the composition of the
なお、図4の斜線部分が、半導体シェル2がCuGa1-x2Inx2S2-2y2Se2y2(0≦x2≦1、0≦y2≦1)の式で表わされる半導体から構成されるときに、半導体シェル2が取り得る格子定数とバンドギャップエネルギの範囲を示している。
Note that when the hatched portion in FIG. 4, the
<光電変換層および光電変換素子>
図5に、本発明の光電変換素子の一例の模式的な断面図を示す。図5に示すように、本発明の光電変換素子の一例は、光電変換層15と、光電変換層15の受光面側の表面上に設けられたバッファ層13と、バッファ層13の受光面側の表面上に設けられた透明電極層14と、光電変換層15の裏面側に設けられた裏面側電極11とを備えている。
<Photoelectric conversion layer and photoelectric conversion element>
In FIG. 5, typical sectional drawing of an example of the photoelectric conversion element of this invention is shown. As shown in FIG. 5, an example of the photoelectric conversion element of the present invention includes a
光電変換層15は、半導体シェル2中に複数の半導体コア1が埋設された構造を有している。ここで、光電変換層15は、たとえば、上記のようにして製造されたコアシェル粒子3を所定の液中で分散させた分散液を作製し、当該分散液を裏面側電極11の表面上に塗布して乾燥させ、その後、焼結することによりコアシェル粒子3の半導体シェル2同士を結合させることによって形成することができる。
The
光電変換層15の厚さは、0.5μm以上10μm以下であることが好ましく、1μm以上4μm以下であることがより好ましい。光電変換層15の厚さが0.5μm以上10μm以下である場合、特に1μm以上4μm以下である場合には、半導体コア1から半導体シェル2へと流出したキャリアを効率的に電極で収集することができるため、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。
The thickness of the
また、バッファ層13は、たとえば、光電変換層15の表面上に硫化亜鉛(ZnS、または、ZnS(O,OH))をスパッタリング法またはCBD(Chemical Bath Deposition)法により積層することにより形成することができる。また、透明電極層14は、たとえば、バッファ層13の表面上に酸化亜鉛(ZnO)をスパッタリング法により積層することにより形成することができる。なお、裏面側電極11としては、たとえばモリブデン(Mo)等の金属を用いることができる。
The
図5に示す光電変換素子の受光面側から光電変換層15に光が入射した際に、入射光のうち長波長の光は、半導体コア1において中間バンドを介したキャリアの発生に用いられ、入射光のうち短波長の光は、半導体シェル2に入射することによって半導体シェル2におけるキャリアの発生に用いられる。そして、長波長の光が入射することによって半導体コア1で発生したキャリアは、半導体シェル2を通って、裏面側電極11および透明電極層14から取り出される。また、短波長の光が入射することによって半導体シェル2で発生したキャリアも、裏面側電極11および透明電極層14から取り出される。これにより、本発明のコアシェル粒子3を用いて光電変換層を形成した場合には、半導体コア1における中間バンドを介したキャリア生成効率が高く、また、半導体コア1で発生したキャリアを効果的に半導体シェル2の方向に取り出すことができるため、中間バンドを有する半導体コア1におけるキャリア再結合を抑制することができ、光電変換素子の光電変換効率を高くすることができる。
When light is incident on the
図6に、半導体シェル2のバンドギャップが半導体コア1のバンドギャップよりも狭いときの光電変換層15のバンドギャップと、当該光電変換層15中を移動するキャリアのエネルギとの関係を示す。図7に、半導体シェル2のバンドギャップと半導体コア1のバンドギャップとが同一の広さであるときの光電変換層15のバンドギャップと、当該光電変換層15中を移動するキャリアのエネルギとの関係を示す。なお、図6および図7において、実線が半導体コア1がある箇所のバンドギャップを示し、破線が半導体コア1がない箇所のバンドギャップを示し、1点鎖線がキャリアのエネルギを示す。
FIG. 6 shows the relationship between the band gap of the
図6に示すように、半導体シェル2のバンドギャップが半導体コア1のバンドギャップよりも狭いときの光電変換層15においては、半導体コア1に起因するバンドギャップエネルギが大きくなっている箇所が局所的に存在していることから、光電変換層15中を移動するキャリアは、半導体コア1に捕捉されにくくなっている。一方、図7に示すように、半導体シェル2のバンドギャップと半導体コア1のバンドギャップとが同一の広さであるときの光電変換層15においては、半導体コア1に起因するバンドギャップエネルギが大きくなっている箇所が局所的に存在していないことから、光電変換層15中を移動するキャリアは、図6に示す場合と比較して半導体コア1に捕捉されやすい。
As shown in FIG. 6, in the
したがって、半導体シェル2のバンドギャップを半導体コア1のバンドギャップよりも狭くすることによって、半導体コア1で発生したキャリアの半導体シェル2への輸送を円滑にできるだけでなく、半導体シェル2から光電変換素子の外部に取り出すまでの輸送も円滑に行なうことができる。
Accordingly, by making the band gap of the
以下、本発明のコアシェル粒子、光電変換層および光電変換素子のより具体的な一例について実施例の欄で説明するが、本発明は、実施例の構成に限定されないことは言うまでもない。 Hereinafter, specific examples of the core-shell particles, the photoelectric conversion layer, and the photoelectric conversion element of the present invention will be described in the Examples section, but it is needless to say that the present invention is not limited to the configurations of the Examples.
<半導体コアの作製>
まず、図8の模式的側面図に示すように、アルゴン雰囲気中で、フラスコ26に、0.5mmol(ミリモル)のCuCl、0.47mmolのGaCl3、1mmolのS、0.03molのビス(2,4−ペンタンジオナト)すず(IV)ジクロリド、および濃度70%のオレイルアミン15mlを入れて、半導体コア作製用の溶液20を作製した。
<Fabrication of semiconductor core>
First, as shown in the schematic side view of FIG. 8, in an argon atmosphere, 0.5 mmol (mmol) of CuCl, 0.47 mmol of GaCl 3 , 1 mmol of S, 0.03 mol of bis (2 , 4-pentanedionato) tin (IV) dichloride and 15 ml of oleylamine with a concentration of 70% were added to prepare a
次に、フラスコ26をマントルヒーター24に設置し、冷却器21を介してシュレンクライン(図示せず)に接続した。このとき、フラスコ26中には、大気が入らないようにした。
Next, the
次に、シュレンクラインに接続された真空ポンプと窒素ガス供給管とを用いて、フラスコ26の真空引きと窒素雰囲気への置換とを交互に3回繰り返した。
Next, evacuation of the
次に、マグネチックスターラー23にて溶液20を攪拌しながら、温度計22を見ながら、溶液20の温度が130℃となるまでマントルヒーター24を用いて昇温し、その状態で、1時間保持した。
Next, while stirring the
次に、マントルヒーター24を用いて、溶液20の温度を2.5℃/分程度の昇温速度でゆっくりと265℃まで昇温し、その状態で、1.5時間保持した。これにより、溶液20中で半導体コアが成長した。その後、フラスコ26をウォーターバス(図示せず)に浸漬して、急冷した。
Next, using the
次に、フラスコ26に、オレイルアミン1ml、トルエンおよびエタノールをこの順に加え、遠心分離し、上澄み液を捨てることにより、精製を行なった。この精製を3回繰り返した。これにより、CuGaS2の式で表わされる半導体と当該半導体のバンドギャップに中間バンドを形成する不純物であるSnとからなるCuGaS2:Snの式で表わされる半導体コアが沈殿物として得られた。このようにして得られた半導体コアの平均粒径を透過型電子顕微鏡を用いて算出したところ、11nmであることが確認された。
Next, purification was performed by adding 1 ml of oleylamine, toluene and ethanol in this order to the
<半導体シェルの作製>
まず、アルゴン雰囲気中で、0.5mmolのCuCl、0.5mmolのGaCl3および1mmolのSを、濃度70%のオレイルアミン15ml中に溶解させることによって、半導体シェル作製用の溶液を作製した。
<Production of semiconductor shell>
First, a solution for producing a semiconductor shell was prepared by dissolving 0.5 mmol of CuCl, 0.5 mmol of GaCl 3 and 1 mmol of S in 15 ml of oleylamine having a concentration of 70% in an argon atmosphere.
次に、上記のようにして沈殿物として得られた半導体コアにオレイルアミンを加えることによって、オレイルアミン中に半導体コアを分散させた分散液Aを作製し、分散液Aをシリンジに移した。 Next, oleylamine was added to the semiconductor core obtained as a precipitate as described above to prepare dispersion A in which the semiconductor core was dispersed in oleylamine, and the dispersion A was transferred to a syringe.
次に、分散液Aをフラスコに入れて、当該フラスコをマントルヒーターに設置し、シュレンクラインに接続した。次に、シュレンクラインに接続された真空ポンプと窒素ガス供給管とを用いて、フラスコの真空引きと窒素雰囲気への置換とを交互に3回繰り返した。 Next, Dispersion A was placed in a flask, and the flask was placed on a mantle heater and connected to a Schlenk line. Next, using a vacuum pump connected to the Schlenk line and a nitrogen gas supply pipe, evacuation of the flask and replacement with a nitrogen atmosphere were alternately repeated three times.
次に、上記のようにして作製した半導体シェル作製用の溶液を、マントルヒーターによって265℃に加熱された分散液Aが入ったフラスコ内に滴下し、その後、フラスコ内の溶液の温度を室温(25℃)に戻した。 Next, the solution for producing the semiconductor shell produced as described above is dropped into the flask containing the dispersion A heated to 265 ° C. by a mantle heater, and then the temperature of the solution in the flask is set to room temperature ( 25 ° C).
次に、フラスコに、オレイルアミン1ml、トルエンおよびエタノールをこの順に加えて、遠心分離し、上澄み液を捨てることにより、精製を行なった。この精製を3回繰り返した。これにより、CuGaS2:Snの式で表わされる半導体コアの表面にCuGaS2の式で表わされる半導体シェルが形成された構造の粒子(CuGaS2:Sn/CuGaS2)が沈殿物として得られた。 Next, 1 ml of oleylamine, toluene and ethanol were added to the flask in this order, followed by centrifugation, and purification was performed by discarding the supernatant. This purification was repeated three times. Thus, CuGaS 2: particle structure semiconductor shell is formed of the formula in CuGaS 2 on the surface of the semiconductor core of the formula of Sn (CuGaS 2: Sn / CuGaS 2) was obtained as a precipitate.
なお、(i)GaCl3の少なくとも一部のInCl3等への置換、(ii)Sの少なくとも一部のSeへの置換、ならびに(iii)上記の(i)および(ii)の双方のいずれか1つを行なうことによって、半導体シェルのバンドギャップを半導体コアのバンドギャップよりも狭くすることができる。すなわち、CuGaS2のGaの一部がInに置換した場合には、半導体シェルの伝導帯の下端を半導体コアの中間バンド側にシフトさせることができ、CuGaS2のSの一部がSeに置換した場合には、半導体シェルの価電子帯の上端を半導体コアの中間バンド側にシフトさせることができる。これにより、光の入射により半導体コアで発生したキャリアを半導体シェルに円滑に流出させることができるとともに半導体シェルから半導体コアにキャリアが逆流しにくくなる。 In addition, (i) substitution of at least part of GaCl 3 with InCl 3 or the like, (ii) substitution of at least part of S with Se, and (iii) any of both (i) and (ii) above By performing one of these, the band gap of the semiconductor shell can be made narrower than the band gap of the semiconductor core. That is, when a part of Ga in CuGaS 2 is replaced with In, the lower end of the conduction band of the semiconductor shell can be shifted to the intermediate band side of the semiconductor core, and a part of S in CuGaS 2 is replaced with Se. In this case, the upper end of the valence band of the semiconductor shell can be shifted to the intermediate band side of the semiconductor core. As a result, carriers generated in the semiconductor core due to the incidence of light can smoothly flow out to the semiconductor shell, and carriers do not easily flow back from the semiconductor shell to the semiconductor core.
<半導体微粒子の作製>
まず、図9の模式的側面図に示すように、アルゴン雰囲気中で、フラスコ26に、0.5mmol(ミリモル)のCuCl、0.5mmolのGaCl3、1mmolのS、および濃度70%のオレイルアミン15mlを入れて、半導体微粒子作製用の溶液30を作製した。
<Preparation of semiconductor fine particles>
First, as shown in the schematic side view of FIG. 9, in an argon atmosphere, a
次に、フラスコ26をマントルヒーター24に設置し、冷却器21を介してシュレンクライン(図示せず)に接続した。このとき、フラスコ26中には、大気が入らないようにした。
Next, the
次に、シュレンクラインに接続された真空ポンプと窒素ガス供給管とを用いて、フラスコ26の真空引きと窒素雰囲気への置換とを交互に3回繰り返した。
Next, evacuation of the
次に、マグネチックスターラー23にて溶液30を攪拌しながら、温度計22を見ながら、溶液30の温度が130℃となるまでマントルヒーター24を用いて昇温し、その状態で、1時間保持した。
Next, while stirring the
次に、マントルヒーター24を用いて、溶液30の温度を2.5℃/分程度の昇温速度でゆっくりと265℃まで昇温し、その状態で、1.5時間保持した。これにより、溶液20中で半導体微粒子が成長した。その後、フラスコ26をウォーターバス(図示せず)に浸漬して、急冷した。
Next, using the
次に、フラスコ26に、オレイルアミン1ml、トルエンおよびエタノールをこの順に加え、遠心分離し、上澄み液を捨てることにより、精製を行なった。この精製を3回繰り返した。これにより、CuGaS2の式で表わされる半導体微粒子が沈殿物として得られた。
Next, purification was performed by adding 1 ml of oleylamine, toluene and ethanol in this order to the
<光電変換素子の作製>
以下、図10(a)〜図10(c)の模式的断面図を参照して、実施例の光電変換素子の製造方法について説明する。まず、図10(a)に示すように、ガラス基板41上に、たとえばスパッタリング法または蒸着法により、Mo膜42を積層する。
<Production of photoelectric conversion element>
Hereinafter, with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS. 10A to 10C, a method for manufacturing the photoelectric conversion element of the example will be described. First, as shown in FIG. 10A, a
次に、上記のようにして作製した半導体微粒子51をトルエン中に分散させた分散液CをMo膜42上に塗布して乾燥させることにより第1半導体層前駆体43を形成する。
Next, the first
次に、上記のようにして作製した半導体シェル2によって被覆された半導体コア1をトルエン中に分散させた分散液Bを第1半導体層前駆体43上に塗布して乾燥させることにより第2半導体層前駆体44を形成する。ここで、分散液Bと分散液Cとの混合液を用いて第2半導体層前駆体44を形成してもよい。この場合には、分散液C中の半導体微粒子51の粒子サイズを分散液B中のコアシェル粒子3の粒子サイズよりも小さくすることによって、第2半導体層前駆体44の焼結後の光電変換層15におけるボイドの形成を抑制することができる。
Next, the dispersion B, in which the
次に、上記のようにして作製した分散液Cを第2半導体層前駆体44上に塗布して乾燥させることにより第3半導体層前駆体45を形成する。
Next, the dispersion liquid C produced as described above is applied onto the second
次に、硫化水素(H2S)またはセレン(Se)雰囲気で、第1半導体層前駆体43、第2半導体層前駆体44および第3半導体層前駆体45を焼結することによって、これらの前駆体中における半導体微粒子51同士またはコアシェル粒子3同士を結合させることができる。これにより、図10(b)に示すように、Mo膜42上に、第1半導体層前駆体43中の半導体微粒子51が焼結してなる第1半導体層43aと、第2半導体層前駆体44中のコアシェル粒子3が焼結してなる光電変換層15と、第3半導体層前駆体45中の半導体微粒子51が焼結してなる第3半導体層45aとがこの順序に積層して形成される。なお、光電変換層15は、半導体シェル2中に複数の半導体コア1が埋設された構造を有している。
Next, by sintering the first
次に、図10(c)に示すように、第3半導体層45a上にバッファ層46を形成する。ここで、バッファ層46のバンドギャップエネルギは、第3半導体層45aのバンドギャップエネルギよりも大きいことが好ましい。また、バッファ層46の伝導帯の下端は第3半導体層45aの伝導帯の下端よりも高エネルギ側に位置しており、かつバッファ層46の価電子帯の上端は第3半導体層45aの価電子帯の上端よりも低エネルギ側に位置している若しくは第3半導体層45aの価電子帯の上端に一致していることが好ましい。これらの場合には、光電変換素子の開放電圧を大きくすることができる。
Next, as shown in FIG. 10C, the
なお、バッファ層46としては、たとえばCBD法によって、ZnS膜を積層することができる。ZnS膜中には、酸素(O)および/または水酸基(OH)等が含まれていてもよい。
As the
次に、バッファ層46上に、高抵抗層47および透明導電層48をこの順序で積層する。ここで、高抵抗層47としては、たとえばスパッタリング法により、高抵抗ZnO層を形成することができる。また、透明導電層48としては、たとえばスパッタリング法により、ITO(Indium Tin Oxide)層、ZnO層、またはZnOにアルミニウム(Al)および/またはボロン(B)等の不純物をドープした層を形成することができる。
Next, the high resistance layer 47 and the transparent
その後、透明導電層48の表面上に、銀ペーストまたはアルミニウムペーストをスクリーン印刷した後に焼成することによって、受光面側電極49を形成する。これにより、実施例の光電変換素子が作製される。
Thereafter, a silver paste or an aluminum paste is screen-printed on the surface of the transparent
<まとめ>
本発明は、半導体コアと半導体コアの表面上に設けられた半導体シェルとを備え、半導体コアは、半導体と半導体のバンドギャップ中に中間バンドを形成する不純物とを含むコアシェル粒子である。このような構成とすることにより、半導体コアへの長波長の光の入射により中間バンドを介した電子励起を利用して発生したキャリアと、短波長の光の入射により半導体シェルで発生したキャリアとを半導体シェルを通して外部に取り出すことができるため、本発明のコアシェル粒子を用いて作製された光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。
<Summary>
The present invention includes a semiconductor core and a semiconductor shell provided on the surface of the semiconductor core, and the semiconductor core is a core-shell particle including a semiconductor and an impurity that forms an intermediate band in the band gap of the semiconductor. With such a configuration, carriers generated using electronic excitation via an intermediate band due to incidence of long-wavelength light on the semiconductor core and carriers generated in the semiconductor shell due to incidence of short-wavelength light Thus, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element having the photoelectric conversion layer produced using the core-shell particles of the present invention can be improved.
ここで、本発明のコアシェル粒子においては、第1半導体シェルの伝導帯下端および価電子帯上端が、それぞれ、半導体コアの伝導帯下端および価電子帯上端よりも中間バンド側に位置していることが好ましい。このような構成とすることにより、光が入射することにより半導体コアで発生したキャリアを半導体シェルに流出させやすくなるとともに、半導体シェルから半導体コアにキャリアが逆流するのを効果的に抑止することができる。そのため、本発明のコアシェル粒子を用いて作製された光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。 Here, in the core-shell particles of the present invention, the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the first semiconductor shell are located closer to the intermediate band side than the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the semiconductor core, respectively. Is preferred. By adopting such a configuration, it becomes easier for carriers generated in the semiconductor core to flow out to the semiconductor shell due to the incidence of light, and effectively prevent the carriers from flowing back from the semiconductor shell to the semiconductor core. it can. Therefore, the photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion element having a photoelectric conversion layer produced using the core-shell particles of the present invention can be improved.
また、本発明のコアシェル粒子において、半導体コアの半導体は、銅と、ガリウムおよびインジウムの少なくとも一方と、硫黄およびセレンの少なくとも一方とを含み、半導体コアの不純物は、炭素、ケイ素、ゲルマニウム、チタン、鉄およびクロムからなる群から選択された少なくとも1種を含むことが好ましい。このような構成とすることにより、光の入射による半導体コアでのキャリア生成効率をより向上させることができる。 In the core-shell particle of the present invention, the semiconductor core semiconductor includes copper, at least one of gallium and indium, and at least one of sulfur and selenium, and the semiconductor core impurity includes carbon, silicon, germanium, titanium, It is preferable to include at least one selected from the group consisting of iron and chromium. With such a configuration, the carrier generation efficiency in the semiconductor core due to the incidence of light can be further improved.
また、本発明のコアシェル粒子において、半導体シェルは、銅と、ガリウムおよびインジウムの少なくとも一方と、硫黄およびセレンの少なくとも一方とを含むことが好ましい。このような構成とすることにより、半導体コアと半導体シェルとの界面における界面準位密度を低減してキャリアの再結合を抑制し、光の入射による半導体コアでのキャリアの生成効率および半導体コアから半導体シェルへのキャリア取り出し効率を向上させることができる。 In the core-shell particle of the present invention, the semiconductor shell preferably contains copper, at least one of gallium and indium, and at least one of sulfur and selenium. With such a configuration, the interface state density at the interface between the semiconductor core and the semiconductor shell is reduced to suppress carrier recombination, and the efficiency of carrier generation in the semiconductor core due to light incidence and the semiconductor core Carrier extraction efficiency to the semiconductor shell can be improved.
また、本発明のコアシェル粒子において、半導体シェルは、半導体コアよりもインジウムまたはセレンの含有比率が高いことが好ましい。このような構成とすることにより、半導体シェルのバンドギャップが半導体コアを構成する半導体のバンドギャップよりも狭くなり、かつ半導体シェルの伝導帯下端および価電子帯上端がそれぞれ半導体コアを構成する半導体の伝導帯下端および価電子帯上端よりも中間バンド側に位置するため、半導体コアで発生したキャリアが半導体シェルに流出しやすくなるとともに、半導体シェルから半導体コアへのキャリアの逆流もより効果的に抑止することができる。 In the core-shell particles of the present invention, the semiconductor shell preferably has a higher content ratio of indium or selenium than the semiconductor core. By adopting such a configuration, the band gap of the semiconductor shell is narrower than the band gap of the semiconductor constituting the semiconductor core, and the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the semiconductor shell are each of the semiconductor constituting the semiconductor core. Because it is located on the middle band side from the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band, carriers generated in the semiconductor core are likely to flow out to the semiconductor shell, and the backflow of carriers from the semiconductor shell to the semiconductor core is more effectively suppressed. can do.
また、本発明は、半導体コアと半導体コアの周囲を取り囲むようにして設けられた半導体シェルとを備え、半導体コアは、半導体と半導体のバンドギャップ中に中間バンドを形成する不純物とを含む光電変換層である。このような構成とすることにより、半導体コアへの長波長の光の入射により中間バンドを介した電子励起を利用して発生したキャリアと、短波長の光の入射により半導体シェルで発生したキャリアとを半導体シェルを通して外部に取り出すことができるため、本発明の光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。 The present invention also includes a semiconductor core and a semiconductor shell provided so as to surround the semiconductor core, and the semiconductor core includes a semiconductor and an impurity that forms an intermediate band in the semiconductor band gap. Is a layer. With such a configuration, carriers generated using electronic excitation via an intermediate band due to incidence of long-wavelength light on the semiconductor core and carriers generated in the semiconductor shell due to incidence of short-wavelength light Thus, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element having the photoelectric conversion layer of the present invention can be improved.
また、本発明の光電変換層において、半導体シェルのバンドギャップは、半導体コアのバンドギャップよりも狭いことが好ましい。このような構成とすることにより、半導体コアで発生したキャリアの半導体シェルへの輸送を円滑にできるだけでなく、半導体シェルから光電変換素子の外部に取り出すまでの輸送も円滑に行なうことができる。 In the photoelectric conversion layer of the present invention, the band gap of the semiconductor shell is preferably narrower than the band gap of the semiconductor core. With such a configuration, not only can the carrier generated in the semiconductor core be smoothly transported to the semiconductor shell, but also the transport from the semiconductor shell to the outside of the photoelectric conversion element can be performed smoothly.
また、本発明の光電変換層において、半導体シェルの伝導帯下端および価電子帯上端が、それぞれ、半導体コアの伝導帯下端および価電子帯上端よりも中間バンド側に位置することが好ましい。このような構成とすることにより、光が入射することにより半導体コアで発生したキャリアを半導体シェルに流出させやすくなるとともに、半導体シェルから半導体コアにキャリアが逆流するのを効果的に抑止することができる。そのため、本発明の光電変換層を有する光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。 In the photoelectric conversion layer of the present invention, it is preferable that the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the semiconductor shell are positioned closer to the intermediate band than the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band of the semiconductor core, respectively. By adopting such a configuration, it becomes easier for carriers generated in the semiconductor core to flow out to the semiconductor shell due to the incidence of light, and effectively prevent the carriers from flowing back from the semiconductor shell to the semiconductor core. it can. Therefore, the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element having the photoelectric conversion layer of the present invention can be improved.
さらに、本発明は、上記の光電変換層と、光電変換層の表面上に設けられた電極とを含む光電変換素子である。このような構成とすることにより、半導体コアへの長波長の光の入射により中間バンドを介した電子励起を利用して発生したキャリアと、短波長の光の入射により半導体シェルで発生したキャリアとを半導体シェルを通して電極から外部に取り出すことができるため、光電変換素子の光電変換効率を向上させることができる。 Furthermore, this invention is a photoelectric conversion element containing said photoelectric conversion layer and the electrode provided on the surface of the photoelectric conversion layer. With such a configuration, carriers generated using electronic excitation via an intermediate band due to incidence of long-wavelength light on the semiconductor core and carriers generated in the semiconductor shell due to incidence of short-wavelength light Can be taken out from the electrode through the semiconductor shell, so that the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion element can be improved.
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の実施の形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、コアシェル粒子、光電変換層および光電変換素子に利用することができ、特に、太陽電池用のコアシェル粒子、太陽電池用の光電変換層、およびこれらを用いた太陽電池に好適に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for core-shell particles, photoelectric conversion layers, and photoelectric conversion elements, and is particularly preferably used for core-shell particles for solar cells, photoelectric conversion layers for solar cells, and solar cells using these. be able to.
1 半導体コア、1a 半導体コアを構成する半導体のバンドギャップ、2 半導体シェル、2a 半導体シェルのバンドギャップ、3 コアシェル粒子、4a 中間バンド、5 光、11 裏面側電極、13 バッファ層、14 透明電極層、15 光電変換層、20,30 溶液、21 冷却器、22 温度計、23 マグネチックスターラー、24 マントルヒーター、26 フラスコ、41 ガラス基板、42 Mo膜、43 第1半導体層前駆体、43a 第1半導体層、44 第2半導体層前駆体、45 第3半導体層前駆体、45a 第3半導体層、46 バッファ層、47 高抵抗層、48 透明導電層、49 受光面側電極、51 半導体微粒子。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記半導体コアの表面上に設けられた半導体シェルと、を備え、
前記半導体コアは、Cuと、GaおよびInの少なくとも一方と、SおよびSeの少なくとも一方とを含む第1半導体と、前記第1半導体のバンドギャップ中に中間バンドを形成する不純物とを含み、
前記半導体シェルは、Cuと、GaおよびInの少なくとも一方と、SおよびSeの少なくとも一方とを含む第2半導体を含む、コアシェル粒子。 A semiconductor core;
A semiconductor shell provided on the surface of the semiconductor core,
The semiconductor core is seen containing a Cu, at least one of Ga and In, and the first semiconductor and at least one of S and Se, an impurity for forming the intermediate band in the band gap of the first semiconductor,
The semiconductor shell, Cu and, at least one of Ga and In, including a second semiconductor containing at least one of S and Se, core-shell particles.
前記光電変換層と電気的に接続された電極とを含む、光電変換素子。A photoelectric conversion element comprising an electrode electrically connected to the photoelectric conversion layer.
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