染料敏化太阳能电池的结构与工作原理

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化学与染料敏化太阳能电池学习染料敏化太阳能电池的化学原理和应用

化学与染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池是一种利用光的能量将光能转化为电能的新型

太阳能电池。它采用染料敏化剂和半导体电解质来吸收太阳光并产生

电子。这种电池结构简单、制造成本低廉，且对光的利用效率高，因

此在可再生能源领域表现出巨大的潜力。本文将重点介绍染料敏化太

阳能电池的化学原理和应用。

一、染料敏化太阳能电池的化学原理

染料敏化太阳能电池的关键材料是染料敏化剂。染料敏化剂通常是

一种有机染料，其分子结构中包含了特殊的结构单元，能够吸收可见

光和近紫外光的光子。在吸收光的作用下，染料分子中的电子会被激

发到一个较高的能级，形成带有正电荷的离子和带有负电荷的电子。

电子会通过染料分子的结构向电解质传导，形成电子流。此外，染料

分子中的正离子也可以通过染料与电解质之间的离子交换传导到电解

质一侧，形成离子流。这两种流体的产生使得电解质两侧形成了电势差，从而产生电流。

二、染料敏化太阳能电池的应用

染料敏化太阳能电池有广泛的应用前景，主要体现在以下几个方面。

1. 独立电源

染料敏化太阳能电池可以作为一种便携式独立电源。由于其制造成

本低廉、重量轻，因此可以方便地携带并供应电力给各种便携式设备，如手机、笔记本电脑、MP3等。在户外露营、徒步旅行等活动中，染

料敏化太阳能电池可以帮助人们随时随地捕捉太阳能并充电。

2. 太阳能充电器

染料敏化太阳能电池还可以用于制造太阳能充电器。太阳能充电器

可以将太阳能转化为电能，并将其储存起来以供给手机等设备充电。

它具有环保、可再生的特性，对于提高电力使用效率、减少对传统电

染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池

染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池是目前新型太阳能电池技

术中具有重要研究价值的两种类型。两者在实现清洁能源利用方面都

有着重要的意义。首先，本文将分别介绍两种太阳能电池的工作原理

和结构特点，然后比较两者的优缺点以及在未来应用前景方面的展望。最后，将对两种太阳能电池的未来发展提出一些展望和建议。

染料敏化太阳能电池（DSSC）工作原理是利用染料敏化半导体膜，通过光生电子－空穴对，产生一个电子被注入导电材料的过程，从而

产生电流。DSSC的结构是由玻璃基底、导电玻璃、阳极（TiO2薄膜）、电解质、阴极（Pt）等组成的。这种太阳能电池因其低成本、易制备、高转换效率等特点而备受关注。

有机太阳能电池（OPV）又称为塑料太阳能电池，其工作原理是利

用有机半导体材料吸收光子后产生电子-空穴对，将电子注入到电极上，从而产生电流。OPV的结构包括有机半导体薄膜、透明导电层、金属导电层等。有机太阳能电池因其轻薄、柔性、低成本等特点，被认为是

未来太阳能电池领域的发展方向。

两种太阳能电池在光电转换效率、稳定性、生产成本、材料寿命、材料丰富度等方面都有所不同。DSSC的光电转换效率较高，但在稳定

性和材料寿命方面存在一定的问题；而OPV在生产成本和可塑性方面

具有优势，但转换效率较低。两者的未来应用前景也不尽相同，DSSC

适用于建筑一体化等大型应用领域，而OPV则适用于轻便、柔性的便

携式设备。

未来，DSSC可以通过材料改性、器件结构优化等技术手段提高其

稳定性和寿命，同时更多地探索高效、廉价的染料和电解质。而OPV

染料敏化太阳能电池

染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs)是一种太阳能转换技术，它利用来自太阳能源的可再生能源来产生电能。DSSCs 具有体积小、成本低、简单结构及

高性能的优点，是当今太阳能应用开发的重点之一。

DSSCs 的基本结构是一个带氧化空隙的薄膜，通常称为光敏层，它由一个氧化物(通

常是TiO2)和染料混合物组成。染料的主要作用是将太阳能转换为可被空隙电荷转移的 6 至 8 光子电荷。接下来，光子电荷穿过 TiO2 的空隙转移到层间电子传输剂。当染料被

电子传输剂充电后，它将被转移回正极材料，从而生成电流。此外，DSSC 内部还有一层

电解质膜与正极材料反应，产生盐极化供给整个电池能量，并回流以保持整个电池平衡，

使其便于存储能量和恒定输出电流。

在DSSCs 中，最重要的组成部分是染料，它们具有分解太阳能的能力，并响应光能来吸收能量，有效地将能量转化为可以通过电荷转移进行存储的光子电荷。染料也会影响DSCC 的整体性能，染料应具有合适的紫外线 - 可见能量跨越范围和优良的光动力学性能，以最大程度地提高太阳能转换效率，同时突出它的可靠性和经济性。在近年来，随着新型

染料的迅速发展，染料敏化太阳能电池的效率和成本也有了显著的改善。

综上所述，染料敏化太阳能电池的表现令人印象深刻，因为它具有体积小、成本低、

简单结构及高性能的优点，是太阳能应用开发的重点之一，在未来，它将有效地帮助人类

利用可再生能源来发展可持续的能源系统，从而改善环境问题，提高我们的生活质量。

染料敏化太阳能电池

技术创新
• 光电转换效率提高 • 稳定性改善 • 成本降低
染料敏化太阳能电池的产业化生产及市场推广
产业化生产
• 生产工艺优化 • 设备投资及产能提升 • 质量控制及管理体系建立
市场推广
• 产品应用领域拓展 • 品牌建设及市场宣传 • 渠道建设及合作伙伴关系建立
染料敏化太阳能电池的政策支持及国际合作
对电极层
• 作为电池的正负极 • 收集和传输光生电子 • 与电解质接触实现离子传输
电Байду номын сангаас质层
• 填充在染料敏化半导体层与对电极层之间 • 提供离子传输通道 • 维持电池内部的电化学平衡
染料敏化太阳能电池的关键材料介绍
染料分子
• 光敏性染料 • 宽光谱吸收 • 高光吸收系数
电解质材料
• 固态电解质 • 液态电解质 • 离子液体电解质
染料敏化太阳能电池面临的技术及市场挑战
技术挑战
• 提高光电转换效率 • 改善稳定性 • 降低成本
市场挑战
• 市场竞争加剧 • 政策法规影响 • 公众认知及接受度
05
染料敏化太阳能电池的科学研究及产业化进程
染料敏化太阳能电池的科学研究进展及技术创新
科学研究进展
• 新型染料分子研究 • 新型半导体纳米颗粒研究 • 新型电解质材料研究
染料敏化太阳能电池的稳定性及环境适应性

染料敏化太阳能电池的结构

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells, DSSCs）是一种新型的太阳能电池技术，其结构相对简单，但能够高效地转换太阳能为电能。下面将详细介绍染料敏化太阳能电池的结构。

染料敏化太阳能电池的结构主要包括透明导电玻璃基底、导电氧化物电极、电解质、染料敏化层和对电极。

透明导电玻璃基底是染料敏化太阳能电池的底部，通常使用透明导电玻璃材料如氧化锡（SnO2）涂覆在基底上。透明导电玻璃基底的作用是作为电子传输的通道，同时具有透明性，允许太阳光透过。导电氧化物电极是染料敏化太阳能电池的阳极，通常使用二氧化钛（TiO2）薄膜作为导电氧化物电极。导电氧化物电极的结构通常是多孔的，这样可以增加表面积，提高染料吸附的效果，提高光电转化效率。

电解质是染料敏化太阳能电池的重要组成部分，通常是由有机溶剂和盐组成，如甲基异丙基酮（MEK）和碘盐（I-/I3-）。电解质的主要功能是提供离子传输的通道，维持染料分子的稳定性，并且充当电子输运介质。

染料敏化层位于导电氧化物电极上，是染料敏化太阳能电池的核心部分。染料敏化层通常由染料分子和导电剂组成。染料分子的主要

作用是吸收太阳光，并将光能转化为电能。常用的染料有天然染料如叶绿素、人工合成的有机染料等。导电剂的作用是与染料分子共同参与电子传输，促进电荷的注入和传输。

对电极位于染料敏化太阳能电池的顶部，通常是由铂（Pt）或碳（C）等导电材料构成。对电极的主要作用是收集电子，将其输送到外部电路中。

染料敏化太阳能电池的结构简单而又高效。通过透明导电玻璃基底、导电氧化物电极、电解质、染料敏化层和对电极的组合，能够实现太阳能光能到电能的高效转换。染料敏化太阳能电池具有制备工艺简单、成本低廉、适应性强等优点，因此在可再生能源领域具有广阔的应用前景。

染料敏化太阳能电池原理

染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的电池结构和工作机理

DSSC由镀有透明导电膜的导电基片、多孔纳米晶半导体薄膜、染料光敏化剂电解质溶液及透明对电极等几部分构成（图1-1），其工作原理如图1-2所示，其中，E cb为半导体的导带边，E vb半导体的价带边，S*、S0和S 分别为染料的激发态、基态和氧化态；Red和Ox为电解质中的氧化还原电对。

Fig. 1-1 Structure representation of nanocrystalline TiO2 dye-sensitized solar cell

D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。

图1-1 染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的结构示意图

D、D*分别是染料的基态和激发态，I-/I3-为氧化还原电解质。

Fig. 1-2 Working principle of nanocrystalline TiO2 dye-sensitized solar cell 图1-2 染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池的工作原理[3]

1）当能量低于半导体的禁带宽度且大于染料分子特征吸收波长的入射光（hν）照射到电极上时，吸附在电极表面的基态染料分子（D）中的电子受激跃迁至激发态。 D + hν→D* （染料激发）（1-1）

2）激发态染料分子(D*)将电子注入到半导体导带中，此时染料分子自身转变氧化态。D* →D+ + e- →E cb（1-2）

3）处于氧化态的染料分子（D+）则通过电解质（I-/I3-）溶液中的电子给体（I-），自身恢复为还原态，使染料分子得到再生。

染料敏化太阳能电池地结构与工作原理

氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极
产生光
电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流（图1-2）。
染料敏化太阳能电池的结构与工作原理
染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt对电极组成,
苴பைடு நூலகம்
丿、
结构如图1-1。
透明疲咼透明导电理
PL腔
电解囲魏
弟米二暫化
钛雪孔屢
透明辱电膜
- 透明际
图1-1染料敏化太阳能电池结构图
当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。

染料敏化太阳能电池原理

1.光吸收：染料敏化太阳能电池利用染料吸收光线，将光子能量转化

为电子激发。染料通常由具有较高光吸收率的有机分子组成，可以吸收一

定波长范围内的光线。

2.电荷分离：吸收光线后，染料分子激发产生电子-空穴对。电子被

激发到染料分子的共轭π电子体系中，形成激发态染料阴离子；空穴则

留在染料分子上。激发态染料阴离子具有较长的寿命，可以脱离染料，游

离到电解质中。

3.电流输出：电子从染料分子的共轭π电子体系中传输到电解质溶

液中的I3-离子上，生成I-离子。在电解质中增加了I-离子的浓度，促

进了电荷传输。电子从I-离子上传输到导电玻璃（如氧化锡涂层的导电

玻璃）上，形成电流。这个过程是由电解质中的氧化还原反应实现的。

染料敏化太阳能电池的整体结构包括透明导电玻璃、电解质、染料敏

化薄膜和反电极。透明导电玻璃通常是氧化锡涂层的导电玻璃，用于收集

电池输出的电流。电解质提供了离子的传输路径，并进行电子传输和电荷

均衡。染料敏化薄膜涂覆在电解质上，用于吸收光线并产生电子激发。反

电极位于染料敏化薄膜的另一侧，通过电解质与导电玻璃相连接，形成电

池的闭路。

整个过程涉及到光吸收、光电转换、电荷分离、电荷传输和电流输出

等多个物理和化学过程。染料敏化太阳能电池的优势是可以利用广谱的光线，包括可见光和红外光，以及光的反射和散射，提高光的利用率。此外，染料敏化太阳能电池可以通过调整染料的吸收谱来适应不同光照条件，具

有较高的光电转换效率。

总结起来，染料敏化太阳能电池依靠染料吸收光线，并利用电解质和导电玻璃之间的氧化还原反应，将光能转化为电能。它具有许多优点，可以成为太阳能电池技术的发展方向之一

染料敏化太阳能电池的结构与工作原理

染料敏化太阳能电池主要由表面吸附了染料敏化剂的半导体电极、电解质、Pt对电极组成，其结构如图1-1

图1-1染料敏化太阳能电池结构图

当有入射光时，染料敏化剂首先被激发，处于激发态的染料敏化剂将电子注入半导体的导带。

氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原，中继分子扩散至对电极充电。这样，开路时两极产生光电势，经负载闭路则在外电路产生相应的光电流（图1-2）。

二氧化钛染料D电解质i葩金属对电极

图1-2染料敏化太阳能电池工作原理图通过超快光谱实验可得出染料敏化太阳能电池各个反应步骤速率常数的数量级［12］：

①染料(S)受光激发由基态跃迁到激发态(S*):

S+hufS*

②激发态染料分子将电子注入到半导体的导带中:

S*fS++e-(CB)，k inj=1010~1012s-1

③1_离子还原氧化态染料可以使染料再生：

3I-+2S+fI3

-+3

-+2S，k3=108s-1

④导带中的电子与氧化态染料之间的复合：

(CB)fS，k b=106s-1

++e-

⑤导带中的电子在纳米晶网络中传输到后接触面(backcontact,BC)后而流入到外电路中：

e-(CB)fe-(BC)，k5=103~100s-1

⑥纳米晶膜中传输的电子与进入TiO2膜的孔中的13

-离子复合：

(CB)f3I-，J0=10-11~10-9Acm-2

-+2e-

⑦I3

一离子扩散到对电极上得到电子使I_离子再生：

+2e-(CE)f3I-，J0=10-2~10-1Acm-2

激发态的寿命越长，越有利于电子的注入，而激发态的寿命越短，激发态分子有可能来不及电子注入到半导体的导带中就已经通过非辐射衰减而返回到基态。②、④两步为决定电子注

染料敏化太阳能电池

概述

染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs）是一种新型的太阳能转换技术，利用有机染料将太阳光转化为电能。相比于传统的硅基太阳能电池，染料敏化太阳能电池具有成本低、制备简单、柔性可调、较高的光电转换效率等优势，因此在太阳能领域引起了极大的关注。

工作原理

染料敏化太阳能电池的工作原理基于光生电化学效应。首先，太阳光穿过负载染料的半透明电极，并被染料吸收。吸收光的染料分子会产生激发态电子，在紧随其后的电解质中获得电子并转移到染料颗粒表面的半导体纳米晶粒中。然后，电子从半导体纳米晶粒中通过电解质转移到透明导电玻璃电极上，并通过外部电路回流到半透明电极上的电子空位。这个光生电子转移和电荷回流的过程形成了一个光电转换的闭合回路，从而产生出可用的电能。

结构组成

染料敏化太阳能电池主要由光电极、电解质和透明导电玻璃电极构成。

光电极

光电极是染料敏化太阳能电池的关键组成部分，其中包含染料、半导体纳米晶粒和电子传输材料。染料通过吸收光能将其转化为激发态电子，而半导体纳米晶粒

则负责接收和传输这些电子。电子传输材料位于半导体纳米晶粒和透明导电玻璃电极之间，起到连接和传输电子的作用。

电解质

电解质是染料敏化太阳能电池中的离子液体，它能够扩散和传输电子，并且具有足够的氧化还原能力。常用的电解质有有机液体和无机液体两种。

透明导电玻璃电极

透明导电玻璃电极位于DSSCs的底部，通常由锡氧化物（SnO2）或氟化锡（FTO）等材料制成。透明导电玻璃电极的作用是提供一个支撑底座，以及给流经DSSCs的太阳光提供一个透明的通道。

染料敏化太阳能电池的原理

染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，简称DSSCs）是一种新型的光电转换器件，具有高效率、低成本、易制备等优点，

因此备受关注。其工作原理主要包括光吸收、电子传输和电荷注入等

过程。下面将详细介绍染料敏化太阳能电池的原理。

1. 光吸收过程

染料敏化太阳能电池的光吸收过程是其工作的第一步。在DSSCs 中，染料分子起着吸收光子的作用。染料分子通常吸收可见光范围内

的光子，将光子激发至激发态。常用的染料有吲哚染料、酞菁染料等。当光子被染料吸收后，染料分子发生跃迁，电子从基态跃迁至激发态。

2. 电子传输过程

在光吸收后，染料分子中的电子被激发至激发态，形成激子。激

子在染料分子内部扩散，最终将电子注入到TiO2（二氧化钛）纳米晶

体表面。TiO2作为电子传输的介质，具有良好的导电性和光稳定性，

能够有效地传输电子。

3. 电荷注入过程

当激子将电子注入到TiO2纳米晶体表面时，电子被注入到TiO2

的导带中，形成电子空穴对。同时，染料分子中失去电子的正离子被

还原，形成还原态染料。在这一过程中，电子从TiO2传输至电解质中，

形成电子流，从而产生电流。而正离子则通过电解质回迁至染料分子，完成电荷平衡。

4. 电子回流过程

在DSSCs中，电子传输至电解质后，需要通过外部电路回流至染

料分子，以维持电荷平衡。外部电路中连接有负载，电子在外部电路

中流动，产生电流，从而实现光能转化为电能的过程。电子回流的速

率直接影响DSSCs的光电转换效率。

综上所述，染料敏化太阳能电池的工作原理主要包括光吸收、电

2 染料敏化太阳能电池的工作原理及其结构

如图1 所示，染料敏化太阳能电池(DSSC)是由二氧化钛多孔膜、光敏化剂（染料）、电解质（含氧化还原电对）、镀铂对电极及导电基板组成的夹层结构。其基本工作原理是：在染料分子的激发态、TiO2导带、SnO2（导电玻璃）导带、Pt（对电极）功函之间存在着一个能级梯度差，当染料分子吸收太阳光其中基态的电子受光激发跃迁到染料激发态能级后，在能级差的驱动下，电子将会迅速转移到TiO2导带中，经纳米晶TiO2膜空间网格的输运进入到SnO2导带，后经外路到达对电极，并与氧化还原电对进行电子交换后，依靠氧化还原电对在氧化态染料和对电极间完成电子转移，从而实现整个光电循环。

2.1 氧化物半导体薄膜

染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米多孔半导体氧化物薄膜电极。对于半导体氧化物的选择，从其导带边电位及带

隙分析，适宜的有ZnO、Nb2O5和TiO2等氧化物半导体，这些氧化物半导体可以与敏化染料分子中的羧基形成酯键，有利于光诱导电子转移。纳米多孔氧化物薄膜，可借助于敏化染料对可见光的良好响应，将其吸收谱带拓展到可见光区乃至近红外区，从而提高了对太阳光的利用。薄膜的材料主要集中于对TiO2的研究，染料中基态的电子吸收太阳光能量而跃迁到激发态，并注入到TiO2导带中，通过TiO2膜输运到导电玻璃基体并在那里富集，然后通过外电路流向对电极。

虽采用ZnO 和Nb2O5等也取得了较好的结果，但以TiO2获得转换效率最高。TiO2通常采用溶胶-水热法制备，这样可

以获得高比表面积、高晶化度及高表面活性的纳米TiO2。TiO2膜收集并传输电子，厚度大约在5~20nm，TiO2的质量大约在1~4 g/cm2，孔隙率在50%-65%，平均孔径约为15nm，平均粒径大约20 nm，这样有效的染料吸收面积相当于TiO2

染料敏化太阳能电池的工作原理

染料敏化太阳能电池是一种新型的太阳能电池，它可以使用染料来将太阳能转换为电能。其工作原理如下：

1、当太阳光照射到染料敏化太阳能电池上时，太阳能会被染料吸收，并将能量转换成电子和空穴；

2、电子和空穴会进入正负极，并在此过程中产生电流；

3、电子和空穴会通过导线回到电池的正负极，这样就可以从染料敏化太阳能电池中获得电能。

染料敏化太阳能电池研究进展

染料敏化太阳能电池（Dye sensitized solar cells，DSSCs）是一

种新型的太阳能电池技术，自它的发明以来，一直受到广泛的研究和关注。与传统的硅太阳能电池相比，染料敏化太阳能电池具有较低的制造成本、

较高的转换效率和较好的光电转化性能，因此被认为是太阳能电池领域的

一个有潜力的替代品。本文将介绍染料敏化太阳能电池的结构、工作原理

以及相关研究进展。

染料敏化太阳能电池的结构主要包含工作电极、敏化剂、电解液和对

电极。其中，工作电极由导电玻璃、导电膜和透明导电剂组成，敏化剂通

常使用染料吸附在导电膜表面。电解液则用于媒介电子传输，通常由碘离子、碘离子还原剂及其携带体组成。对电极则由电子传输材料组成。

染料敏化太阳能电池的工作原理是光电效应。当太阳光照射到敏化剂

上时，染料分子中的电子被激发，由导电玻璃传递到导电膜上，然后通过

电解液传输至对电极，最终回到敏化剂上。在电解液中，碘离子被还原为

碘离子，充当电子传输的媒介。通过这种光电效应，太阳能可以转化为电能，实现能源的转换和利用。

染料敏化太阳能电池的研究进展主要包括改进染料的吸光性能、提高

电池的光电转化效率和稳定性。近年来，许多研究人员致力于寻找更高效

的敏化剂。例如，一些研究表明，采用富勒烯作为敏化剂可以提高电池的

光电转化效率。此外，研究人员还尝试使用新型的染料材料，如无机染料、有机无机杂化材料和半导体纳米晶体等，来改善电池的性能。

除此之外，研究人员还试图通过改变电池的结构来提高其性能。例如，一些研究表明，采用纳米结构的电解液可以提高电池的能量转换效率。此

染料敏化太阳能电池的基本结构和工作原理

与传统的莊堪K阳能取池相比・DSSC低廉的成也简单的制备过外吸啪了大fit的研究者的研究冃光.在转换机理上，具有很人泾别，对丁DSSG染料分子紂到光能斤从堪态能级跃迁到激发态能级，并产41光电&然麻光电十注入到半导体的导带口染料分子墓态与激发态的能戢羞与pn结的帯隙郴近。祥吐了空冗对的分离方代［:, DSSC也卜jfclipn结太阳傥山池不|,ib ；|；者獺的是内处电场，|fuDSSC则矗染料分『激发态能级仃T导-体彳带能级的能最斥E r以及染料分f堆态能级利电解液屮輒化述悚对的化学势间的能址)：■■■.E2・这两种能级幷的L L配便得电f•的传输彳計以噸利进行，从血产聖光迫流"DSSC两端的比也I 〔來源于半导体朮阳极溥膜的费米能级^'L L M液屮械化述原对的化学孙Z於。山J DSSC«：眛的能扯转换机网「町以便紂D阴C所使用的半导体材料价格较低、制备工艺也和对简也

总Z, DSSCH仃成木低.1.2简单的优点,这足其它朮伏产品尢法比拟的。随联技术的不断进步*英11好的“训询就必将显现出頼他出的坏境问题得到改執 1.2.1 DSSC 结构

DSSC的结构如图1-1所屆叮分为以卜儿个部分;FTO或ITOT电圧底、丫学休光阳极薄膜、染料敏化剂、电解液和对电极.

(I)导电腿底：DSSCI'采川的导电施底I型肚掺姒的讯化做FTO)导电玻璃.Ilf tll/i：评通玻屈I:镀上甘电膜制成,透光率咸AJ 85%* I'儿欧加;等的方块1 LN L +热稳龙性良好，用r收集和传输电&

染料敏化纳米晶太阳能电池的结构和工作原理

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