基于專利的可印刷柔性太陽能電池發展趨勢

張志娟，趙志耘，張 旭，趙蘊華

(中國科學技術信息研究所，北京 100038)

可印刷柔性太陽能電池柔性、大面積化及低成本的特點，符合太陽能電池發展的趨勢。印刷電子是基于印刷原理的電子制造技術，將有機或無機材料電子器件印刷到柔性、可延性塑料或薄金屬基板上。簡單地說就是通過印刷的方式，把一些功能材料以油墨的形式印刷或沉積到承印物上，形成導電的線路。印刷電子技術具有低成本、工藝簡單、可大面積制備及柔性等特點，還能降低制備時的能量消耗［1－2］。

可印刷柔性太陽能電池是印刷電子領域的重要應用方面。柔性太陽能電池運用了成熟的高速報紙印刷卷對卷技術，將半導體材料印刷到覆蓋在卷筒表面的導電塑料或不銹鋼箔片上，印刷技術節約了昂貴的原材料，并可在常壓環境下生產，降低了生產成本。可印刷太陽能電池的印刷制備工藝涉及旋涂、刮刀、絲網印刷和噴墨印刷等;可應用到太陽能背包、太陽能敞篷、太陽能手電筒、太陽能汽車、太陽能帆船甚至太陽能飛機上。可印刷柔性太陽能電池的另一個重要應用領域是光伏建筑一體化，它可以集成在窗戶或屋頂、外墻或內墻上。可印刷柔性太陽能電池技術的應用領域涉及日常生活和建筑等方面，覆蓋面廣，發展前景廣闊［3－4］。

IDTechEx公司研究顯示［5－7］:2009 年全球印刷電子市場的產值為19億美元，有35%的電子產品通過印刷的方式生產;預計到2020年，印刷電子市場的規模將達570億美元，有83%的產品將被印刷，其中75%的產品是在柔性承印物上生產的。可印刷太陽能電池是印刷電子領域的重要應用方面，未來可印刷太陽能電池的市場規模約為170億美元。

可印刷柔性太陽能電池技術前景廣闊，由于發展時間相對較短，利用專利等事實型數據對發展趨勢進行的研究鮮見報道。本文作者以美國科學情報研究所(ISI)出版的Derwent Innovation Index(DII)數據庫為數據來源，利用主題與專利分類號相結合的方式，檢索下載了可印刷柔性太陽能電池技術相關的專利。

數據下載時間為2012年12月3日，用TDA、Excel等統計與分析軟件進行分析。專利從申請到公開有18個月的滯后期，因此2011、2012年的數據僅供參考。

1 總體趨勢

全球可印刷柔性太陽能電池技術專利申請量排名前10位的如圖1所示。

圖1 全球可印刷柔性太陽能電池技術專利申請量排名前10位Fig.1 Top 10 of printed and flexible solar cells technology

從圖1可知，美國在該技術方面的專利數量位居第1;日本位列第2;中國居于第3位;韓國、德國緊隨其后。

圖2為可印刷柔性太陽能電池技術專利申請量排名前5位的專利逐年申請情況。

圖2 可印刷柔性太陽能電池技術專利申請量排名前5位的逐年申請的情況Fig.2 Top 5 of printed and flexible solar cells technology patents by year

從圖2可知，日本對該技術研究得較早;進入21世紀后，各國非常重視該技術的研發，專利申請量高速增長。

圖3為全球可印刷柔性太陽能電池技術專利(族)逐年申請情況。

圖3 可印刷柔性太陽能電池技術專利逐年申請的情況Fig.3 Number of printed and flexible solar cells technology patents by year

從圖3可知，自2000年以來，專利申請數量呈現顯著上升的態勢，說明該技術至此受到各方廣泛關注，主要原因是人們對未來新能源的憂慮。

一般而言，技術的發展需要經過4個階段:①技術孕育期，早期技術萌芽期，企業進入意愿低，專利申請數量和申請人數量均很少;②技術成長期，此時產業技術有突破或廠商對市場價值有了認知，競相投入發展，專利申請量與專利權人數急速上升;③技術成熟期，廠商投資于研發的資源不再擴張，只剩少數繼續發展該技術，且其他廠商進入此市場的意愿低，專利申請量與專利權人數成長逐漸減緩;④技術瓶頸期，產業技術研發遇瓶頸難以突破或此類產業已成熟，專利申請量與專利權人數呈負增長［8］。

可印刷柔性太陽能電池技術的生命周期見圖4。

圖4 可印刷柔性太陽能電池技術的生命周期Fig.4 Life cycle of printed and flexible solar cells technology

從圖4可知，該技術在1963－2000年處于萌芽期，研發剛開始，技術處于探索階段，專利申請數量及專利權人均較少，申請的多為基礎性專利;2001－2010年，進入技術生長期，開始持續快速發展，專利的申請數量和專利權人數均迅速增加，投入與產出均大幅提高，參與企業不斷增加，競爭日益加劇。

2 技術重點

可印刷柔性太陽能電池技術專利排名前10位的IPC(國際專利分類)小類分布見圖5。

圖5 可印刷柔性太陽能電池技術排名前10位的IPC小類專利申請情況Fig.5 Patent applications of IPC subclasses(Top 10)

從圖5可知，該技術專利主要集中在電學領域(H部，包括H01L、H01B、H05K、H05B)的半導體器件、導電材料及印刷電路，其次是化學、冶金領域(C部，包括 C08G、C09K、C08L、C09D)的高分子化合物、涂料組合物及應用材料;另外還有作業、運輸領域(B部，包括B32B、B05D)的制造工藝。半導體器件(H01L)方面排名第1位，且遠高于其他類別，說明是該技術的關鍵領域。

可印刷柔性太陽能電池技術專利排名前10位的IPC大/小組見圖6。

圖6 可印刷柔性太陽能電池技術排名前10位的IPC大/小組的專利申請情況Fig.6 Patent applications of IPC subgroups(Top 10)

從圖6可知，H01L-031/18［制造或處理這些器件或其部件所特有的方法或設備(非特有的方法或設備入)］、H01L-031/04(用作轉換器件的)、H01L-031/042(包括光電池板或陣列，如太陽電池板或陣列)等3方面的專利申請量排名前3位，且數量遠多于其他的技術類別，說明該技術涉及的設備及器件是研究重點。

3 機構情況

圖7反映了基于機構活躍度的專利數量分布情況，圖中每塊扇形代表每一類機構申請專利數量之和。

圖7 基于機構活躍度的專利數量分布圖Fig.7 Patent distribution based on organization activity

從圖7可知，擁有專利量21件以上機構的專利總和，占該技術專利總量的17%;擁有專利量6－20件機構的總和，占到該技術專利總量的25%;擁有專利量為1－5件的小型企業專利總量占58%。這表明，該技術的專利技術比較分散，小型企業也掌握大量的專利技術。

可印刷柔性太陽能電池技術領域專利申請量排名前20位的機構列于表1。

從表1可知，日本企業占據了最大的份額，在專利量排名前20位的企業中有11家，另有8家分別為美國、德國和韓國的企業，中國的彩虹集團公司排名第20位;整體而言，美國、日本在該技術領域居于領跑位置。榜上有名的研究機構幾乎均為大企業，說明國際知名大企業是目前可印刷柔性太陽能電池研發的主力軍。

表1 全球可印刷柔性太陽能電池技術專利申請量排名前20位的機構Table 1 Research productivity of the organizations in the world wide(Top 20)

4 技術與研究人員趨勢

可印刷柔性太陽能電池的年度發展趨勢見圖8。

圖8 可印刷柔性太陽能電池的年度發展趨勢Fig.8 Development trend of printed and flexible solar cells technology by year

從圖8可知，伴隨著2000年左右開始的高速發展，新技術快速涌現，新研究人員不斷加入，該技術的研究很受關注，表明國際上對可印刷柔性太陽能電池產業的前景看好。隨著技術的逐步成熟及商業化的推進，新專利技術有可能出現短暫的回落，之后仍會出現穩步增長的局面。

5 小結

本文作者通過專利分析發現，可印刷柔性太陽能電池技術正處在技術生長期，并保持持續快速發展。專利的申請數量和專利權人數均迅速增加，投入與產出均大幅提高，參與企業不斷增加，競爭日益加劇。新技術和新增研究人員也整體呈現持續增長趨勢，表明該技術一段時期內的持續增長和激烈競爭。從國別上看，美國、日本處于領跑地位，中國迅速崛起，居于第3位，韓國、德國緊隨其后，排名前列的國家以東亞國家居多，歐洲國家中，德國的實力最強。從專利數量的廠商排名來看，日本廠商占據優勢，在專利量排名前20位的企業中占據11家;另有8家分別為美國、德國、韓國的企業，中國的彩虹集團公司排名第20位。從研究機構類型看，榜上有名的研究機構幾乎均為大企業，國際知名大企業是目前該研發的主力軍。

各國印刷柔性太陽能電池技術在一系列政策措施的積極推動下，整體呈現良好的增長趨勢，同時各國積極布局，不斷追求新的技術突破，以搶占競爭高位。

［1］HE Zuo-xiu(何祚庥).大力發展“第三代”光伏發電技術，應對“碳減排”的挑戰［J］.Battery Bimonthly(電池)，2009，39(6):324－329.

［2］CUI Zheng(崔錚).印刷電子學［M］.Beijing(北京):Higher Education Press(高等教育出版社)，2012.

［3］Pagliaro M.柔性太陽能電池［M］.Shanghai(上海):Shanghai Jiao Tong University Press(上海交通大學出版社)，2010.

［4］WANF Feng-qi(王鳳岐).柔性太陽能電池專利技術分析［J］.Information Recording Materials(信息記錄材料)，2009，10(6):56－64.

［5］Peter H，Ning X.Organic＆ Printed Electronics in East Asia［R］.IDTechEx，2009.

［6］Peter H，Raghu D.Organic＆ Printed Electronics in North America［R］.IDTechEx，2009.

［7］Peter H，Susann R，Raghu D.Organic ＆ Printed Electronics in Europe［R］.IDTechEx，2009.

［8］CHEN Yan(陳燕)，HUANG Ying-yan(黃迎燕)，FANG Jian-guo(方建國)，et al.專利信息采集與分析［M］.Beijing(北京):Tsinghua University Press(清華大學出版社)，2006.300－304.