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研究生:久保英規
研究生(外文):Hidenori Kubo
論文名稱:比較旋鍍法與浸鍍法製備有機太陽能電池主動層之研究
論文名稱(外文):The Study Of Solar Cell Active Layer Fabricated By Dip Coating And Spin Coating Process
指導教授:鍾卓良林炯棟
指導教授(外文):Chung, CholiangLin, Jyungdong
口試委員:鍾卓良劉德騏林炯棟
口試委員(外文):Chung, CholiangLiu, DechiLin, Jyungdong
口試日期:2012-07-13
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:材料科學與工程學系碩士在職專班
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:215
中文關鍵詞:浸鍍薄膜表面形貌
外文關鍵詞:Dip CoatingP3HTPCBMMorphologyRoll To Roll
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本研究對純共軛高分子P3HT、PCBM 進行混摻溶液製備純共軛高分子浸鍍薄膜與旋鍍薄膜作為探討。並且以去除熱歷史(Routine Thermal Erasing Procedure, RTEP 290℃)和退火(Annealing 70℃、100℃、140℃)。以同樣試片利用下列儀器AFM、FESEM、UV-Vis、PL、XRD去做同一試片分析,AFM探討其表面形態性質,FE-SEM探討其浸鍍薄膜與旋鍍薄膜表面之形貌與厚度,用XRD去針對其結晶特性做探討,再利用UV-Vis、PL光譜儀對其光學性質之探討與研究並測量太陽能電池的能力。在這項研究中,旋鍍薄膜與浸鍍薄膜的比較發現,浸鍍薄膜在拉伸速率為165mm/min未經去除熱歷史製程,其薄膜表面較平坦可取代旋鍍薄膜經過去除熱歷史的製程。在SEM圖中發現浸鍍薄膜拉伸速率為165mm/min未經RTEP跟旋鍍薄膜有經RTEP,表面都相當平滑,可以做為日後roll-to-roll製程上的應用。
It is set to Poly (3-hexyltiophene) (P3HT) and fullerene derivative (PCBM),
in a bulk hetero-junction type organic material thin film solar cell I made the Dip coating method and Spin coating sample and treated (Routine Thermal Erasing Procedure, RTEP 290℃) Or, Annealing (70℃;100℃;104℃). Observation and its thickness were measured for morphology by SEM and AFM. Then, Absorption and intensity were measured and the capability as a solar cell was measured. Furthermore, Diffraction was measured in order to check crystalline.
In this study, spin coating and dip coating comparison, you can find the dip coating in the stretching rate 165mm/min RTEP process can replace the spin coating has RTEP process. SEM images of dip coating stretching rate 165mm/min RTEP, with the spin coating film the RTEP fairly smooth surface, can serve as a future roll-to-roll process on.

中文摘要I
英文摘要II
誌謝III
總目錄IV
表目錄VI
圖目錄VII
第一章 前言1
1-1 研究背景1
1-2 太陽能電池定義與簡介2
1-3 以結構分類2
1-4 以光電轉換方式分類[3]3
1-5 以材料分類3
1-6 共軛導電高分子簡介5
1-7 研究動機6
第二章 文獻回顧7
2-1 有機太陽能電池供電原理7
2-2 有機太陽能電池之演進10
2-3 有機太陽能電池光伏特性12
2-4 有機太陽能電池結構分類14
第三章 實驗方法16
3-1 實驗藥品與方法16
3-1-1 研究方法16
3-1-2 材料18
3-2 實驗樣品與試片之製備19
3-2-1 共軛高分子旋鍍薄膜溶液製備19
3-2-2 共軛高分子浸鍍薄膜溶液製備19
3-2-3 試片製備20
3-2-4 試片熱處理21
3-3 實驗儀器23
3-3-1 場發射電子顯微鏡( FE-SEM )23
3-3-2 X-ray繞射儀( XRD )24
3-3-3 原子力顯微鏡(AFM)24
3-3-4 光致發光光譜儀(Photoluminescence,PL)26
3-3-5 紫外-可見光光譜儀( UV-Visible )27
第四章 結果28
4-1 表面形貌(場發射電子顯微鏡,FE-SEM )28
4-2 表面形貌(原子力顯微鏡,AFM )56
4-3 光學分析(紫外光-可見光光譜儀,UV-Visible)分析83
4-4 光學分析(光致發光光譜儀,PL光譜)分析110
4-5 結晶性分析( X光繞射儀,XRD )137
第五章 討論164
5-1 表面形貌分析164
5-2 光學性質探討(UV-Vis)168
5-3 光學性質探討(PL)176
5-4 薄膜的結晶性分析184
第六章 結論192
第七章 參考文獻194
表目錄
Table 1 溶液配置濃度表19
Table 2 旋鍍薄膜表面平均粗糙度及浸鍍薄膜平均粗糙度167
圖目錄
Figure 1 不同類型太陽能電池轉換效率比較圖4
Figure 2 兩種不同有機半導體所形成之接面圖8
Figure 3 典型的有機太陽能電池結構示意圖9
Figure 4 有機太陽能電池之演進10
Figure 5 不同類型有機太陽能電池示意圖11
Figure 6 為有機太陽能電池之I-V圖[9]13
Figure 7 有機太陽能電池結構示意圖15
Figure 8 P3HT分子結構18
Figure 9 PCBM分子結構18
Figure 10 旋鍍薄膜示意圖20
Figure 11 浸鍍薄膜示意圖20
Figure 12 熱處理示意圖21
Figure 13 實驗製備流程圖22
Figure 14 場發射電子顯微鏡23
Figure 15 X-ray Diffractometer,XRD 24
Figure 16 原子力顯微鏡儀器(右)及探針(左)25
Figure 17 光致激發光譜儀(PL, Hitachi F-7000)之照片26
Figure 18 紫外-可見光吸收光譜儀27
Figure 19 P3HT-93mm/min-no RTEP-no annealing SEM影像28
Figure 20 P3HT+PCBM-93mm/min-no RTEP-no annealing SEM影像29
Figure 21 P3HT-93mm/min-no RTEP-annealing SEM影像30
Figure 22 P3HT+PCBM-93mm/min-no RTEP-annealing SEM影像31
Figure 23 P3HT-93mm/min-RTEP-annealing SEM影像32
Figure 24 P3HT+PCBM-93mm/min-RTEP-annealing SEM影像33
Figure 25 P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing SEM影像34
Figure 26 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP-no annealing SEM影像35
Figure 27 P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing SEM影像36
Figure 28 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing SEM影像37
Figure 29 P3HT-165mm/min -RTEP- annealing SEM影像38
Figure 30 P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP- annealing SEM影像39
Figure 31 P3HT-spin-no RTEP-no annealing SEM影像40
Figure 32 P3HT+PCBM-spin-no RTEP-no annealing SEM影像41
Figure 33 P3HT-spin-no RTEP- annealing SEM影像42
Figure 34 P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing SEM影像43
Figure 35 P3HT-spin-RTEP- annealing SEM影像44
Figure 36 P3HT+PCBM-spin-RTEP- annealing SEM影像45
Figure 37 P3HT+PCBM-93mm/min-RTEP SEM影像46
Figure 38 P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP SEM影像47
Figure 39 P3HT+PCBM-spin-RTEP SEM影像48
Figure 40 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 70℃ SEM影像49
Figure 41 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 100℃ SEM影像50
Figure 42 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 140℃ SEM影像51
Figure 43 P3HT+PCBM-spin-annealing 70℃ SEM影像52
Figure 44 P3HT+PCBM-spin-annealing 100℃ SEM影像53
Figure 45 P3HT+PCBM-spin-annealing 140℃ SEM影像54
Figure 46 不同浸鍍拉伸速率cross section的SEM影像55
Figure 47 浸鍍薄膜表面形貌1 56
Figure 48 浸鍍薄膜表面形貌2 57
Figure 49 浸鍍薄膜表面形貌3 58
Figure 50 浸鍍薄膜表面形貌4 59
Figure 51 浸鍍薄膜表面形貌5 60
Figure 52 浸鍍薄膜表面形貌6 61
Figure 53 浸鍍薄膜表面形貌7 62
Figure 54 浸鍍薄膜表面形貌8 63
Figure 55 浸鍍薄膜表面形貌9 64
Figure 56 浸鍍薄膜表面形貌10 65
Figure 57 浸鍍薄膜表面形貌11 66
Figure 58 浸鍍薄膜表面形貌12 67
Figure 59 旋鍍薄膜表面形貌13 68
Figure 60 旋鍍薄膜表面形貌14 69
Figure 61 旋鍍薄膜表面形貌15 70
Figure 62 旋鍍薄膜表面形貌16 71
Figure 63 旋鍍薄膜表面形貌17 72
Figure 64 旋鍍薄膜表面形貌18 73
Figure 65 旋鍍薄膜表面形貌19 74
Figure 66 旋鍍薄膜表面形貌20 75
Figure 67 旋鍍薄膜表面形貌21 76
Figure 68 浸鍍薄膜表面形貌22 77
Figure 69 浸鍍薄膜表面形貌23 78
Figure 70 浸鍍薄膜表面形貌24 79
Figure 71 旋鍍薄膜表面形貌25 80
Figure 72 旋鍍薄膜表面形貌26 81
Figure 73 旋鍍薄膜表面形貌27 82
Figure 74 P3HT-93mm/min -no RTEP-no annealing之UV吸收83
Figure 75 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-no annealing之UV吸收84
Figure 76 P3HT-93mm/min -no RTEP-annealing之UV吸收85
Figure 77 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-annealing之UV吸收86
Figure 78 P3HT-93mm/min -RTEP-annealing之UV吸收87
Figure 79 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP-annealing之UV吸收88
Figure 80 P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing之UV吸收89
Figure 81 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP-no annealing之UV吸收90
Figure 82 P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing之UV吸收91
Figure 83 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing之UV吸收92
Figure 84 P3HT-165mm/min -RTEP- annealing之UV吸收93
Figure 85 P3H+PCBMT-165mm/min -RTEP- annealing之UV吸收94
Figure 86 P3HT-spin-no RTEP-no annealing之UV吸收95
Figure 87 P3HT+PCBM-spin-no RTEP-no annealing之UV吸收96
Figure 88 P3HT-spin-no RTEP- annealing之UV吸收97
Figure 89 P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing之UV吸收98
Figure 90 P3HT-spin-RTEP- annealing之UV吸收99
Figure 91 P3HT+PCBM-spin-RTEP- annealing之UV吸收100
Figure 92 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP之UV吸收101
Figure 93 P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP之UV吸收102
Figure 94 P3HT+PCBM-spin-RTEP之UV吸收103
Figure 95 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 70℃之UV吸收104
Figure 96 P3HT+PCBM-165m/min -annealing 100℃之UV吸收105
Figure 97 P3HT+PCBM-165m/min -annealing 140℃之UV吸收106
Figure 98 P3HT+PCBM-spin-annealing 70℃之UV吸收107
Figure 99 P3HT+PCBM-spin-annealing 100℃之UV吸收108
Figure 100 P3HT+PCBM-spin-annealing 140℃之UV吸收109
Figure 101 P3HT-93mm/min-no RTEP-no annealing 之PL放射110
Figure 102 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-no annealing之放射111
Figure 103 P3HT-93mm/min -no RTEP-annealing之放射112
Figure 104 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-annealing之PL放射113
Figure 105 P3HT-93mm/min -RTEP-annealing之PL放射114
Figure 106 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP-annealing之PL放射115
Figure 107 P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing之PL放射116
Figure 108 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP-no annealing之PL放射117
Figure 109 P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing之PL放射118
Figure 110 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing之PL放射119
Figure 111 P3HT-165mm/min -RTEP- annealing之PL放射120
Figure 112 P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP- annealing之PL放射121
Figure 113 P3HT-spin-no RTEP-no annealing之PL放射122
Figure 114 P3HT+PCBM-spin-no RTEP-no annealing之PL放射123
Figure 115 P3HT-spin-no RTEP- annealing之PL放射124
Figure 116 P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing之PL放射125
Figure 117 P3HT-spin-RTEP- annealing之PL放射126
Figure 118 P3HT+PCBM-spin-RTEP- annealing之PL放射127
Figure 119 P3HT+PCBM-93mm/min-RTEP之PL放射128
Figure 120 P3HT+PCBM-165mm/min-RTEP之PL放射129
Figure 121 P3HT+PCBM-spin-RTEP之PL放射130
Figure 122 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 70℃之PL放射131
Figure 123 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 100℃之PL放射132
Figure 124 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 140℃之PL放射133
Figure 125 P3HT+PCBM-spin-annealing 70℃之PL放射134
Figure 126 P3HT+PCBM-spin-annealing 100℃之PL放射135
Figure 127 P3HT+PCBM-spin-annealing 140℃之PL放射136
Figure 128 P3HT-93mm/min-no RTEP-no annealing之薄膜XRD繞射137
Figure 129 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-no annealing之薄膜XRD繞射138
Figure 130 P3HT-93mm/min -no RTEP-annealing之薄膜XRD繞射139
Figure 131 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-annealing之薄膜XRD繞射140
Figure 132 P3HT-93mm/min -RTEP-annealing之薄膜XRD繞射141
Figure 133 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP-annealing之薄膜XRD繞射142
Figure 134 P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing之薄膜XRD繞射143
Figure 135 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP-no annealing之薄膜XRD繞射144
Figure 136 P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing之薄膜XRD繞射145
Figure 137 P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing之薄膜XRD繞射146
Figure 138 P3HT-165mm/min -RTEP- annealing之薄膜XRD繞射147
Figure 139 P3H+PCBMT-165mm/min -RTEP- annealing之薄膜XRD繞射148
Figure 140 P3HT-spin-no RTEP-no annealing之薄膜XRD繞射149
Figure 141 P3HT+PCBM-spin-no RTEP-no annealing之薄膜XRD繞射150
Figure 142 P3HT-spin-no RTEP- annealing之薄膜XRD繞射151
Figure 143 P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing之薄膜XRD繞射152
Figure 144 P3HT-spin-RTEP- annealing之薄膜XRD繞射153
Figure 145 P3HT+PCBM-spin-RTEP- annealing之薄膜XRD繞射154
Figure 146 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP之薄膜XRD繞射155
Figure 147 P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP之薄膜XRD繞射156
Figure 148 P3HT+PCBM-spin-RTEP之薄膜XRD繞射157
Figure 149 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 70℃之薄膜XRD繞射158
Figure 150 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 100℃之薄膜XRD繞射159
Figure 151 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 140℃之薄膜XRD繞射160
Figure 152 P3HT+PCBM-spin-annealing 70℃之薄膜XRD繞射161
Figure 153 P3HT+PCBM-spin-annealing 100℃之薄膜XRD繞射162
Figure 154 P3HT+PCBM-spin-annealing 140℃之薄膜XRD繞射163
Figure 155 (a)P3HT-93mm/min-no RTEP-no annealing(b) P3HT-93mm/min -no RTEP- annealing(c) P3HT-93mm/min - RTEP-annealing 164
Figure 156 (a) P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-no annealing(b) P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP- annealing (c) P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP-annealing 164
Figure 157 (a) P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing(b) P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing(c) P3HT-165mm/min - RTEP- annealing 165
Figure 158 (a) P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- no annealing(b) P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing(c) P3H+PCBMT-165mm/min -RTEP- annealing 165
Figure 159 (a) P3HT-spin-no RTEP-no annealing(b) P3HT-spin-no RTEP- annealing(c) P3HT-spin- RTEP- annealing 165
Figure 160 (a) P3HT+PCBM-spin-no RTEP- no annealing(b) P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing(c) P3HT+PCBM-spin-RTEP- annealing 166
Figure 161 P3HT-93mm/min-no RTEP-no annealing、P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT-spin-no RTEP-no annealing之UV吸收168
Figure 162 P3HT+PCBM-93mm/min-no RTEP-no annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT+PCBM-spin-no RTEP-no annealing之UV吸收169
Figure 163 P3HT-93mm/min -no RTEP-annealing、P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing、P3HT-spin-no RTEP- annealing之UV吸收170
Figure 164 P3HT+PCBM-93mm/min-no RTEP-annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing、P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing之UV吸收171
Figure 165 P3HT-93mm/min-RTEP-annealing、P3HT-165mm/min -RTEP- annealing、P3HT-spin-RTEP- annealing之UV吸收172
Figure 166 P3HT+PCBM-93mm/min-RTEP-annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP- annealing、P3H+PCBMT-spin-RTEP- annealing之UV吸收173
Figure 167 P3HT+PCBM-165mm/min-annealing 70℃、P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 100℃、 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 140℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 70℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 100℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 140℃之UV吸收174
Figure 168 P3HT+PCBM-93mm/min-RTEP、P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP、P3HT+PCBM-spin-RTEP之UV吸收175
Figure 169 P3HT-93mm/min-no RTEP-no annealing、P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT-spin-no RTEP-no annealing之PL放射176
Figure 170 P3HT+PCBM-93mm/min no RTEP-no annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT+PCBM-spin-no RTEP-no annealing之PL放射177
Figure 171 P3HT-93mm/min -no RTEP-annealing、P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing、P3HT-spin-no RTEP- annealing之PL放射178
Figure 172 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing、P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing之PL放射179
Figure 173 P3HT-93mm/min -RTEP-annealing、P3HT-165mm/min -RTEP- annealing、P3HT-spin-RTEP- annealing之PL放射180
Figure 174 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP-annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP- annealing、 P3HT+PCBM-spin-RTEP- annealing之PL放射181
Figure 175 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP、P3HT+PCBM-spin-RTEP、P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP之PL放射182
Figure 176 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 70℃、P3HT+PCBM-165mm/min-annealing 100℃、P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 140℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 70℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 100 ℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 140℃之PL放射183
Figure 177 P3HT-93mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT-165mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT-spin-no RTEP-no annealing之XRD繞射184
Figure 178 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP-no annealing、P3HT+PCBM-spin-no RTEP-no annealing之XRD繞射185
Figure 179 P3HT-93mm/min -no RTEP-annealing、P3HT-165mm/min -no RTEP- annealing、P3HT-spin-no RTEP- annealing之XRD繞射186
Figure 180 P3HT+PCBM-93mm/min -no RTEP-annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -no RTEP- annealing、 P3HT+PCBM-spin-no RTEP- annealing之XRD繞射187
Figure 181 P3HT-93mm/min -RTEP-annealing、P3HT-165mm/min -RTEP- annealing、P3HT-spin-RTEP- annealing之XRD繞射188
Figure 182 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP-annealing、P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP- annealing、 P3HT+PCBM-spin-RTEP- annealing之XRD繞射189
Figure 183 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 70℃、 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 100℃、 P3HT+PCBM-165mm/min -annealing 140℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 70℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 100℃、P3HT+PCBM-spin-annealing 140℃之XRD繞射190
Figure 184 P3HT+PCBM-93mm/min -RTEP、P3HT+PCBM-spin-RTEP、P3HT+PCBM-165mm/min -RTEP之XRD繞射191
中文部份
[1]江文彥,“科學發展”,第359期,2002年11月,第68~71頁。
[2]江文彥,科學發展,2002年11月,第359期,pp.68-71。
[3]蕭如娟(a),科儀新知,1988,9,6,65 (b)曾志正,儲三洋,科學月刊,1989,的二十卷,第一期,44。
[4]蕭如娟,“導電塑膠”,科儀新知,第9期, 1988年1月,第65頁。
[5]濱川圭弘 著,張紅梅 崔曉華 譯,光電太陽電池設計與應用,五南圖書出版股份有限公司,2009年。
英文部份
[1]A. Gadisa, W. Mammo, L.M. Andersson, S. Admassie, F. Zhang, M.R. Andersson and O. Inganas, “A New Donor-Acceptor-Donor Polyfluorene Copolymer with Balanced Electron and Hole Mobility”, Adv. Funct. Mater., vol.17, 2007, p.3836.
[2]Braun and D. Heeger, “Visible light emission from semicon- ducting polymer diodes”, A. Appl. Phys. Lett., vol.58, 1991, p.1982.
[3]C.B. Hatfield, “Oil back on the global agenda.Permanent decline in global oil is virtually certain to begin within 20 years ”, Nature., vol.387, 1997, p.121.
[4]Dipl. Ing. Klaus Petritsch, “Organic Solar Cell Architectures”, Cambridge and Graz, 2000.
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