加州首府萨克拉门多市城市公用事业区非晶硅光伏电站综述概要.docx

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加州首府萨克拉门多市城市公用事业区非晶硅光伏电站综述概要

 

说明:

1、需要注意的是本文中所出现的“最新”、“目前”等词,除了特别注明的,多指2003年之前的时间;

2、非晶硅组件自1994年开始出现大规模应用,本文具有指导意义的是其技术方面的信息和数据,文中提到的价格方面的信息和数据已比较过时。

加州首府萨克拉门多市城市公用事业区非晶硅光伏电站综述

摘要

加州首府萨克拉门多市城市公用事业区(简称:

SMUD)太阳能计划已经安装了超过10MW的光伏系统,其中包括2MW的非晶硅薄膜光伏系统,这些非晶硅系统自1994年开始安装,规模从1KW到700KW不等。

相对于更传统的单晶硅和多晶硅光伏组件,尽管非晶硅组件的光电转换效率较低,会增加系统与面积相关的成本,但其显著的价格优势能够显著的节约系统成本。

SMUD大量的第一手经验表明,薄膜组件已表现出良好的耐久性、长期可靠性和令人满意的长期工作性能。

本文同时介绍了独立的第三方组件测试结果,并包含对表征非晶硅组件长期工作性能的关键因素的分析。

论述了SMUD在非晶硅组件耐久性和可靠性方面的经验,同时讨论了遇到的多项问题,其中包括一个关键的关心问题,即玻璃/玻璃结构无框组件的局部破裂问题。

基于SMUD在非晶硅组件方面的大量实践经验,本文论述了具有特殊背景的专题,比如:

工作性能、耐久性和可靠性、系统设计、供应商/工艺、和成本/定价等。

1、引言

当今世界,在光伏系统的多样性方面,SMUD拥有最多的实践经验1.2。

自1984年以来,SMUD已经在大约1000个光伏系统中安装了超过10MW的光伏组件。

这些应用从小的住宅屋顶系统到世界上最大的一座光伏电站——3.5MW的RanchoSeco光伏系统。

SMUD太阳能计划已经安装了超过2MW的非晶硅薄膜光伏系统,这些系统自1994年开始安装,规模从1KW到700KW不等。

这些组件应用如下:

住宅和商用建筑物的屋顶、停车场顶棚、新的商业建筑光伏建筑一体化(BIPV)、大型地面光伏电站。

相对早已成熟的晶体硅光伏组件,薄膜光伏组件具有许多优势。

薄膜光伏组件的半导体材料用量少于晶体硅组件的1%,薄膜光伏技术更适合于大规模生产,制造同样规模的薄膜光伏组件耗能更少。

这些优势使得薄膜电池的制造成本明显低于晶体硅光伏产品。

尽管如此,2001年硅基薄膜光伏组件仅占全球光伏产量的14%,而传统的单晶硅光伏产品大约占有35%的市场份额,多晶硅光伏组件大约占47%的市场份额,剩余的份额由新出现的碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CIS)电池占有3.4。

在硅基薄膜组件14%的份额中,非晶硅产品占有8.6%,a-Si/c-Si异质结电池占有4.6%。

相对于更传统的单晶硅和多晶硅光伏组件,尽管非晶硅组件的光电转换效率较低,会增加系统与面积相关的成本,但其明显的价格优势能够显著地节约系统成本。

在与面积相关的成本影响不高的地区,非晶硅组件能在非常广泛的应用领域提供明显节约成本的光伏方案。

SMUD的大量实践经验表明,非晶硅光伏组件具有良好的耐久性、长期可靠性和令人满意的长期工作性能。

应当高度重视以下几个方面:

正确的包装和搬运以避免在运输过程中损坏组件;需要训练有素的安装工安装无框的玻璃组件;以及生产厂家正确的质量评价和质量控制体系,从而确保其所有产品能够的满足相关的工作性能和可靠性方面的标准。

在SMUD太阳能计划的实施过程中,已成功的解决以上问题。

根据SMUD在薄膜组件方面的大量实践经验,具有特殊背景的专题诸如工作性能、耐久性和可靠性、系统设计、供应商/工艺、和成本等将在以下各节分别讨论。

2、SMUD的薄膜光伏经验

SMUD最开始用的薄膜组件为AdvancedPhotovoltaicSystems公司(EPV公司的前身)的APS50型组件,这些组件于1994年用在一座应用于变电站的100KW光伏系统上(如图1所示)。

随后Solarex/BPSolar公司的MST43组件和EnergyPhotovoltaics公司的EPV40组件也得到大量的应用。

这些系统的规模由1KW到700KW,广泛应用于公共事业光伏电站/地面光伏系统、太阳能停车棚顶、商业和公共建筑物的屋顶光伏电站、住宅屋顶光伏电站和仓库的房顶、公共水池处露天看台的遮阴部分和停车场的照明系统。

薄膜组件具有外观均匀的视觉效果,其尤其适合应用于光伏建筑物一体化项目。

自1999年中期至2002年中期,在PVPioneerII计划的实施下,大约170KW的非晶硅薄膜组件应用于客户自有的居民系统。

这些系统的额定值为决定其系统造价的组件“稳定”功率。

在组件衰减到稳定的额定功率之前的最初几个月,光伏系统的初始输出功率会比较高,而许多用户并不知道这一事实。

知道这一情况的用户对最初阶段得到的“额外”的电力则非常得意。

根据组件供应合同,SMUD仅支付组件使用一年后的稳定额定功率的费用,最初一年的衰减损失由制造商承担。

这一点应该作为一项行业标准并适用于所有供货商所提供的所有光伏组件。

3、工作性能

通常在评价怎样选择一个光伏组件技术时,薄膜光伏组件的工作性能(主要是光电转换效率)是其两项关键指标之一(在下一节讨论另一关键指标——耐久性)。

相对于单晶硅和多晶硅组件,人们通常认为薄膜组件,尤其是非晶硅组件的工作性能衰减的很厉害。

“稳定性问题”,这一在早期的薄膜电池生产质量控制中的问题,影响着人们去接受非晶硅组件技术。

自1994年实施光伏计划以来,SMUD在非晶硅组件方面的大量实践证明非晶硅组件的工作性能能够与单晶硅和多晶硅媲美。

非晶硅组件具有光致衰减效应(Staebler-Wronski[SW]effect),即经过光照一段时间后,相对初始输出功率,组件的稳定输出功率会下降约18%—20%(译者注:

这是2000年左右的技术水平,目前(2010年)多数双结非晶硅的光致衰减率约10%—15%)。

这一效应主要发生在最初的几个月里,一般在室外光照6个月左右后会逐渐达到其“稳定”值。

有人会将初始输出功率值误解为“额定值”,进而将其工作性能与初始功率进行对比。

非晶硅组件的额定输出参数应当标定为其经过光致衰减效应后的稳定参数。

针对额定值的标定和组件的长期工作性能,亚利桑那州立大学光伏检测实验室(ASU-PTL)随记抽取了一些组件为SMUD进行了独立的测试。

SMUD的工作人员和承包商进行了额外的野外测试。

对任何特定的电池制造工艺和生产工序,从初始状态到其稳定状态的衰减率非常接近,至少标准生产的组件的衰减率差的不会太多。

在生产过程中应当严格执行相关的质量评价和质量控制程序,从而使得组件的平均稳定参数等于其额定参数,或者至少分布在极小范围并接近其额定参数。

SMUD的大量野外实验显示,在工作3个月后,非晶硅组件的工作状态已接近其稳定值;6个月后,其功率一般非常接近其稳定值,误差远小于10%;1年的时间已足够使其稳定。

随后会出现类似于单晶硅和多晶硅的长期衰减(通常以每年小于1%的幅度降低);同时会因为季节性的退火过程,导致非晶硅组件的性能发生随季节变化的类正弦震荡;以上两点会促使组件的实际功率不同于其稳定点的功率。

夏季的室外高温能够暂时地部分抵消SW效应使得组件的实际输出功率比其稳定值高一些,但是经光照后会重新回到稳定值。

这种季节变化(可以从EPV产品1400天的测试曲线明显的看出)的幅度有5%—8%,足以将“长期衰减效应”给遮掩住。

EPV40型组件是标准条件下功率为40W的双结非晶硅组件,玻璃/玻璃层压结构。

从图3可以看出5,经过1000多天的室外衰减,4块随机抽测的额定功率为40W的EPV-40型组件的实际功率Pmax为36.5—41W。

需要注意的是,随着季节的变化每个模块均有3—4W的变化幅度,其平均值为38到39.5W(差距很小),三年多的时间内相对额定功率长期衰减了1%—5%。

图4所示为的更多的EPV40型组件衰减了600至700天的数据5。

这些额定功率为40W的组件的最大功率为36W至41W。

考虑到季节变化时,其平均最大功率为38W到44W,整体平均最大功率约38到39W,其实际峰值功率相对额定功率大约有2.5%到5%的衰减。

从SMUD的长期室外衰减的实验来看,可以预计峰值功率能够在长期(例如几十年)相当恒定,每年平均衰减率小于1%。

即能够保证组件可以在20年后衰减小于20%或在25年后衰减小于25%。

长期峰值功率的衰减通常由图5(文献6中Delahoy的报道)所示理想曲线中三个因素构成。

第一部分是由初始值衰减到“稳定”值(曲线A),这一部分是第一年的初始衰减(即SW效应)。

其衰减大概主要发生在最初的一个月,然后逐渐的达到理想条件下等于组件额定功率的“稳定”功率。

然后是稳定功率随季节变化大约有5%到8%,围绕着它的额定值震荡(正弦曲线B)。

曲线B叠加在直线C上,直线C在组件寿命期内以大约每年0.5%到1%的速率衰减。

因为长期衰减值远小于温度效应震荡值,故长期衰减的因素不易被观测到,很难确定其精确速率。

我们调研的结果表明,单晶硅和多晶硅的长期衰减速率与非晶硅的长期衰减速率基本相当。

这些研究结果大多报道称晶体硅的长期衰减速率为每年1%到2%,有些甚至高达每年1%到5%。

这并不是一个很简单可以决定的值,因为它受很多因素影响,某些用在组件上的材料会使衰减大大增加。

季节因素的影响使得对非晶硅组件的长期衰减速率的评估变得更加复杂。

在SMUD,经验表明在萨克拉门多的气候条件下,最新的组件的长期衰减率更小——小于0.5%。

在计算非晶硅组件的长期衰减率时,取决于在一年中的那个季节进行测量,季节效应可能很容易被混肴进去。

在20世纪80年代早期,亚利桑那州立大学太阳能研究室的D.E.Osborn(本文作者)综合研究了以上三种衰减机制的合并7,其结果已被他人多次证实。

在SMUD光伏计划的实施过程中,非晶硅光伏系统已经表现出极好的系统性能。

对于已经安装了至少18个月并至少有12个月(不包含最初的6个月)的产能输出数据的36座住宅型PVPioneerII非晶硅光伏系统,其平均利用率为18%,其中,利用率的定义为:

系统的实际输出与系统在一年8760个小时(即365天×24小时/天)内额定输出的比例。

这一参数比设计值稍微高一些,并且与类试的晶体硅系统基本相当。

我们分析了另外12座住宅型PVPII系统的工作指数(PerformanceIndex,简称PI,即系统的实际输出电力与系统的额定输出的比例)。

如图6所示,这些使用SolarexMillenia非晶硅组件和Omnion逆变器的系统中,其平均PI可高到104%,最低的一个为55%,12个系统PI的平均值是为80%。

其中系统性能差的那些,研究发现是逆变器、接线和阴影的问题所导致的。

由于非晶硅开始投入使用时的输出比其稳定后的高,选择的逆变器必须能够承受这一较高的初期直流输入,否则会发生过载输入问题。

SMUD发现并无必要刻意地选择成本较高的较大功率的逆变器去解决初期的过载输入问题。

初始衰减主要发生在衰减期的初期,故过载问题相对来说是一个短期的问题,另外,组件并不是在全年或全天均工作在最高的工作状态。

当发生组件的输出短时间内大于逆变器的直流输入限制时,多数逆变器将自动在限制点切断,这样做仅仅损失了多余的电力,在系统直流输出达到设计参数后逆变器会再重新开始工作。

4.、耐久性和可靠性

光伏组件需要在无人看管、极少量的维护和恶劣的室外环境下可靠地工作30年以上。

值得高兴的是,现在的大多数光伏组件(不论薄膜还是晶体硅)基本上都能满足这一条件。

为了能够确保SMUD光伏计划所属的光伏系统的质量和工作性能,光伏制造商、供货商和设计者均有义务按照相关的重要行业标准来确保光伏设备、系统设计和安装过程的质量,并严格执行SMUD实施的质量评价和质量控制程序。

SMUD利用非晶硅组件的光伏设施在投入使用后运行良好,并未遇到使用晶体硅的光伏系统未遇到的问题,除了一项例外。

当使用无框的双层玻璃结构的组件时,必须要特别注意玻璃的边缘破碎崩边问题,还要使用合理的安装方式以避免应力释放导致的组件破裂问题。

这些破裂会在安装几周后发生,常常是从边缘破裂处开始传播,引起这一问题的原因如下:

热应力或结构应力、拆包或安装方式不恰当(碰撞了组件的拐角处或组件的边缘)、固定螺栓的扭矩过大、缺少应力释放垫片(压块上的橡胶或尼龙垫片)、固定组件的支架不平行导致组件严重变形弯曲等。

通过对搬运工人和安装工人适当的培训,SMUD迅速地将组件废品率从接近15%降低到大约1%。

当使用无框的玻璃结构组件时,必须进行这种专门而简单的现场培训。

SMUD已经使用的非晶硅组件大多数是无框结构的。

组件封框的确能够使得组件在搬运和安装时不宜损坏。

SMUD发现组件的边框占了其相当的一部分成本。

这样会增加系统成本并且带来浪费。

比较例外的是,在应用到屋顶型的系统时,可以使用封框的组件,这样既简单又能够降低一些系统的安装成本,并且边框可以做接线槽使用。

但是,在使用有框组件时应当确保其降低的安装成本比其自身的成本高才比较划算。

Solarex/BPMillennia的有框组件与木瓦屋顶的结合就是比较好的例子。

尽管早期的薄膜组件会有一系列的问题,但SMUD还未遇到与非晶硅组件边缘封装有关的问题。

我们观察有少部分组件会有少量的“斑点”和污点,并且随着时间的变化变的更加明显。

但是并未发现这些可以观察到的“缺陷”对组件的工作性能有什么影响。

过多的“斑点”可能是组件层压或其他工序导致水气进入非晶硅薄膜层,会引起组件过早的失效,这些是质量评价和质量控制不严格导致的,应当引起足够的重视。

安装在SMUD的非晶硅组件的保证是:

20年后有80%的额定功率或25年后有75%的额定功率。

对我们这样的终端客户,这样的电力保证看起来非常必要。

从SMUD自己的大量野外试验,和在国家可再生能源实验室(NREL)和桑迪亚国家实验室长期的组件室外测试,加上不同供货商做的加速老化试验以及SMUD的工程师对非晶硅组件的失效方式的分析来看,SMUD完全期待制作良好的非晶硅组件能够在质保期内连续地提供充足的电力。

我们认为其有效寿命期限能够超过30年。

SMUD截止到目前的经验趋向于肯定这一判断。

除了上文讨论的组件破裂问题,在SMUD安装的非晶硅组件在可靠性方面与晶体硅光伏组件相比没有任何明显的区别。

这种组件可靠性方面的区别可以全部归咎于在某一组件生产过程中未执行严格的QA/QC,而不是组件的原材料导致的。

不管生产厂家还是组件类型,在严格执行良好的QA/QC程序时,非晶硅组件的可靠性就非常高;反之,当QA/QC的控制降低时,SMUD发现组件的损坏率就会增加。

5、其它地方在非晶硅工作性能、耐久性和可靠性方面的经验

SMUD在非晶硅发电方面令人满意的经验(比多数地方多得多),与世界上以各种方式报道的经验非常相似。

正如SMUD发现的那样,非晶硅发电方面的经验主要取决于制造商的QA/QC的控制的程度和他们对提高生产质量方面的努力和承诺。

Gottschalg等人调查了在不同气候区域运行了多年的多个双结非晶硅薄膜电站8。

这些电站分布在巴西、中国、西班牙、瑞士和英国。

他们发现组件的初期衰减大约为20%,基本上稳定到与系统设计参数相符。

对于设计良好和安装合理的系统,他们发现:

“在不同的气候条件下工作的非晶硅光伏系统均能够表现出非常高的工作效能比率”,这些系统的工作效能比率为86%到接近100%。

他们同样发现:

“在初期衰减后,所有的系统均比较稳定地工作”。

Ruther等人调查了一座在巴西运行了四年多的经仔细监控的非晶硅光伏系统。

他们发现其效能比率在交流端高达83%,直流端高达91%。

他们同样发现,由于非晶硅电池相对于晶体硅电池具有更小的温度系数,而且在高温条件下发生的退火效应会显著地降低组件的初期衰减率,所以相对于晶体硅,非晶硅组件极其适合在高温地区应用。

他们报道:

“在经过初期的光致衰减后,非晶硅光伏系统在稳定输出状态下运转良好,其工作效能比率与那些传统的单晶硅光伏系统相当。

Duke等人在他们的文章中报道称10,在肯尼亚家用太阳能市场,不同厂家的非晶硅组件的质量偏差非常大,进而影响到其室外工作性能。

他们指出一些非晶硅组件的稳定输出功率小于其额定值,即使一些高质量企业的组件也只能达到其额定值的90%。

他们同时指出:

“晶体硅组件的平均工作水平也仅仅在其保证值的下限,大约是额定功率的90%。

“这与SMUD在所有类型的组件技术方面的经验非常类试,需要提醒生产厂家在实际标定组件的额定功率及在他们的QA/QC控制过程中引起高度重视。

这就是SMUD为什么支付”每稳定瓦数“和进行独立测试的主要原因。

Duke等人同样指出:

”制作良好的非晶硅组件表现出一定的与晶体硅组件基本相当的长期衰减“。

同时他们强调,由于复杂的衰减机制,准确地预测非晶硅组件的工作性能比较困难。

这些因素已被理解的比较充分,考虑到由于季节变化的影响不容易确定何处是组件真正的“稳定“值这一主要尚未解决的问题,可以允许认真和高质量的制造商标定合适的、较准确的(精确到几个百分点)组件稳定额定参数。

桑迪亚国家实验室对表征非晶硅组件可靠性和工作性能的数据进行了仔细监控和分析11。

对4家不同厂家(包括在SMUD的计划中得到广泛应用的EPV和BP公司的产品)提供的多个组件在新墨西哥进行了几年的连续室外光衰减,在进行仔细的性能评估后,King等人发现,测试的大多数组件一年后的“稳定”功率比其初始值降低了20%,季节震荡效应(即退火效应)使得组件衰减曲线在稳定值附近有±4%的变化。

King等人同样注意到,由于季节性的退火现象和太阳光谱的季节变化的影响,非晶硅组件的光电转换效率“夏季要比冬季高大约13%,这与非晶硅系统的野外实践结果相符“。

晶体硅系统与此相反,在夏季的高温下其工作性能会有明显的降低。

这一明显的优势使得非晶硅组件更适合应用在在夏季需要消耗较多电力的地方。

6、设计、供货商/程序和成本

搬运和包装问题是所有玻璃基光伏组件的关键问题。

光伏组件应该用优质的、开槽的、闭孔泡沫包装,并用坚固的木箱或抗压性较好的防水运输用纸板箱进行运输。

对于无框的层压组件,包装是重中之重,必须要考虑好如何包装并进行实验。

上文谈到的对搬运工人和安装工人的培训也是必须的。

由于非晶硅组件的转换效率比晶体硅产品的底,基于目前的相对转换效率,在安装同等规模的电站时,非晶硅系统要比晶体硅系统的占地大约多一倍。

这就相应的增加了系统安装成本的土地和支架成本等部分。

在评估组件供货标书时,SMUD根据与面积相关的成本和非组件成本(BOS)调整了投标价格。

当考虑到因使用低效率组件增加了系统的和面积相关的其他成本后,组件的相对成本仍相对较低时,SMUD就可以选用低转换效率的组件。

基于大量的经验和设备合同,SMUD发现相比典型的晶体硅系统,当使用转换效率在5%到6%的非晶硅组件,安装在简单的屋顶系统和无跟踪的地面系统时,一个典型的非晶硅系统会使系统的与面积相关的成本部分增加约$0.5/W到$0.8/W。

只有拥有经验的安装队伍,具有相当多的实践经验,能利用预制好的子方阵,并有周密的工序和在整齐干净的房顶上有良好的设计,并与SMUD有长期合作者才能达到上述差价的低端——所有这些可以帮助降低系统成本。

所以非晶硅组件的价格相对晶体硅组件应满足上述差价才有竞争力。

SMUD与EPV签订的非晶硅组件的价格为从1998年的$2.50/W,逐年递减到2002年的$1.50/W。

尽管如此,SMUD的购买价格从未低于$1.750/W。

由于SMUD的主要非晶硅组件供应商经历了各种因难——主要是推迟了使新成立的CalSolar非晶硅光伏工厂达到正常量产的时间,以及持续的资金不足影响了供应商对生产问题的解决——非晶硅组件的价格停滞在大约$2.20/W至$2.25/W。

目前,为了使得非晶硅组件能够有效的与晶体硅组件进行竞争,对于公共设施及大型客户的定价,应接近于$2.00/W。

没有补贴的光伏系统要求光伏组件的价格在$1.50/W(大规模情况)左右、效率至少在7%~10%之间,这些是薄膜组件必需要达到的目标,对业界来说在未来的一段时间也是可以达到的目标。

这些目标与美国能源部及美国光伏工业路线图的相一致12,随着相关政策的推出,它们将作为美国的激励性计划推动光伏产业的壮大与扩张,就如同加利福尼亚州的BuydownProgram。

包括非晶硅在内的薄膜光伏技术,是实现光伏技术成为一项主流电力设施的重要途径。

7、总结

自1994年以来,SMUD的太阳能计划已经累积安装了超过2MW的非晶硅薄膜光伏产品(规模从1KW到700KW)。

基于在此项目中的广泛经验和其他世界范围内的薄膜安装使用经验,可以清楚地发现薄膜光伏材料,如非晶硅,与已经非常成熟的晶体光伏材料相比,具有更为明显的潜在优势。

相对于更传统的单晶硅和多晶硅光伏组件,尽管非晶硅组件的光电转换效率较低,会增加系统与面积相关的成本,但其明显的价格优势能够显著的节约系统成本。

SMUD的大量野外试验表明,非晶硅光伏组件已表现出良好的耐久性、长期可靠性和令人满意的长期工作性能,这一特征也被独立的第三方组件测试结果证实。

根据组件供应合同,SMUD仅按照组件使用一年后的稳定额定功率支付费用,最初一年的衰减损失由制造商承担。

这一点应该作为一项行业标准并适用于所有供货商所提供的所有光伏组件。

对搬运工和操作工进行专门的训练后,可以非常成功地安装无框的玻璃/玻璃结构薄膜组件。

与晶体硅组件在组件可靠性方面的区别可以全部归咎于在某一组件生产过程中未执行严格的QA/QC,而不是组件的原材料导致的。

不管生产厂家还是组件类型,在严格执行良好的QA/QC程序时,非晶硅组件的可靠性就非常高;反之,当QA/QC的控制降低时,SMUD发现组件的损坏率就会增加。

非晶硅发电的成功应用主要取决于制造商的QA/QC的控制的程度和他们对提高生产质量方面的努力和承诺。

8、致谢

作者在此感谢SMUD光伏计划的DaveCollier,HarjitKapoor与LeeUlrich,感谢他们在SMUD光伏系统及部件的性能监测及分析方面的支持,以及SMUD其他光伏成员,感谢他们为光伏商业化的发展做出的杰出贡献。

非常感谢本论文报告所涉及的泰国光伏公司(TPV)对本报道的大力支助,这篇报告的全文PDF版可以在网站的“新闻”部分下载,或者Email联系作者。

9、参考文献

1).Osborn,D.E.,“SMUD:

AUtilityHelpingtoCreatetheSolarCentury”,RenewableEnergyWorld,September/October2000.

2).Osborn,D.E.,“SustainedOrderlyDevelopmentandCommercializationofGrid-ConnectedPhotovoltaics:

SMUDasaCaseExample”,KeynoteAddress,World

SustainableEnergyConference,Wels,Austria,March2001.

3).Maycock,P,PVNews,Vol.21,No.3,March2002.

4).Maycock,P.,“TheWorldPVMarket:

ProductionIncreases36%”,RenewableEnergyWorld,July/August2002.

5).ArizonaStateUniversityPhotovoltaicTestLaboratory(ASU-PTL),SMUDPVModuleTestReports,April/May2002.

6).Delahoy,A.,Li,Y-M.,Se

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