薄膜太陽(yáng)能電池的全球?qū)＠麘B(tài)勢(shì)

韓虎 彭德坤 陶媛媛 / 工業(yè)和信息化部電子知識(shí)產(chǎn)權(quán)中心

引言

圖1薄膜太陽(yáng)能電池專利發(fā)展歷程

圖2薄膜太陽(yáng)能電池專利申請(qǐng)地區(qū)分布

薄膜太陽(yáng)能電池顧名思義就是將一層薄膜制備成太陽(yáng)能電池，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽(yáng)能電池大幅減少原料的用量，在國(guó)際市場(chǎng)硅原材料持續(xù)緊張的背景下，薄膜太陽(yáng)能電池將成為國(guó)際光伏市場(chǎng)發(fā)展的新趨勢(shì)和新熱點(diǎn)。由于多數(shù)載流子的擴(kuò)散，形成了空間電荷區(qū)，并形成一個(gè)不斷增強(qiáng)的從N型半導(dǎo)體指向P型半導(dǎo)體的內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致多數(shù)載流子反向漂移；達(dá)到平衡后，擴(kuò)散產(chǎn)生的電流和漂移產(chǎn)生的電流相等。如果光照在P-N結(jié)上，而且光能大于P-N結(jié)的禁帶寬度，則在P-N結(jié)附近將產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，產(chǎn)生的非平衡電子載流子將向空間電荷區(qū)兩端漂移，產(chǎn)生光生電勢(shì)，破壞了原來的平衡。若在電池兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，負(fù)載中就有光生電流通過，得到可利用的電能。

制作太陽(yáng)能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，薄膜太陽(yáng)能電池可分為：硅基薄膜太陽(yáng)能電池；以砷化鎵、碲化鎘、銅銦鎵硒等多元化合物為材料的薄膜太陽(yáng)能電池；染料敏化太陽(yáng)能電池及功能高分子材料制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池等。

專利發(fā)展態(tài)勢(shì)

薄膜太陽(yáng)能電池的工作原理是基于P-N結(jié)的光生伏打效應(yīng)：當(dāng)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體通過適當(dāng)?shù)姆椒ńM合到一起時(shí)，在二者的交界處就形成了P-N結(jié)；

薄膜太陽(yáng)能電池以其產(chǎn)品品質(zhì)良好、成本低廉、應(yīng)用廣泛、環(huán)保安全以及不受原材料供應(yīng)限制等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛認(rèn)可。薄膜太陽(yáng)能電池的專利申請(qǐng)量從1997年出現(xiàn)增長(zhǎng)，但趨勢(shì)并不明顯，直至2007年，薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)專利才出現(xiàn)跳躍式的發(fā)展。其中以硅基薄膜太陽(yáng)能電池、硅基和化合物組件最為突出。（見圖1）

硅基材料和工藝的相關(guān)專利申請(qǐng)量占專利申請(qǐng)總量的比例達(dá)到27%，而且每年的申請(qǐng)量處于領(lǐng)先地位。有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的相關(guān)專利申請(qǐng)量從2002年出現(xiàn)了增長(zhǎng)趨勢(shì)，并一直保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)起步較晚，專利申請(qǐng)量從2007年才出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但其增長(zhǎng)速度較快，2009年之后，與有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的專利申請(qǐng)趨勢(shì)基本一致。銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池的專利申請(qǐng)總量和染料敏化的申請(qǐng)總量相差無幾。砷化鎵薄膜太陽(yáng)能電池的技術(shù)盡管起步較早，但其相關(guān)專利申請(qǐng)量較少，申請(qǐng)量最多的2010年也并未超過200項(xiàng)專利。

薄膜太陽(yáng)能電池的相關(guān)專利申請(qǐng)量出現(xiàn)兩次跳躍式的增長(zhǎng)。在1997年出現(xiàn)了第一次快速的增長(zhǎng)，最具代表性的是硅基薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。2006年迎來了第二次申請(qǐng)量高峰，之后并保持了快速的增長(zhǎng)，并且所有種類的薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)專利都有明顯的增長(zhǎng)。

某個(gè)地區(qū)的專利申請(qǐng)量某種程度上可代表兩層含義：一是代表企業(yè)在該地區(qū)的專利布局力度，專利量越大，該市場(chǎng)重要程度就越高。若非本土企業(yè)申請(qǐng)量較大，則表明該市場(chǎng)受到國(guó)際企業(yè)的重視。二是若該地區(qū)本土企業(yè)申請(qǐng)量占比較大，則本土企業(yè)研發(fā)活躍度高。

隨著我國(guó)對(duì)新能源以及光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重視，中國(guó)市場(chǎng)已經(jīng)得到行業(yè)的一致認(rèn)可，多數(shù)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)在華都有專利布局。薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域在華的相關(guān)專利申請(qǐng)量最多，其專利申請(qǐng)量超過3000項(xiàng)。在美國(guó)的專利申請(qǐng)總量低于在中國(guó)或日本的專利申請(qǐng)量，專利的數(shù)量顯示出相關(guān)企業(yè)對(duì)中國(guó)和日本市場(chǎng)的重視。

圖3全球硅基薄膜太陽(yáng)能電池專利的地域分布

圖4薄膜太陽(yáng)能電池專利申請(qǐng)主要來源國(guó)與目標(biāo)國(guó)的時(shí)間分布

該領(lǐng)域在中國(guó)和日本的專利申請(qǐng)量占到全球主要地區(qū)專利申請(qǐng)總量的一半。美國(guó)作為薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)技術(shù)的起源地，在有些領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程滯后，影響了美國(guó)的專利申請(qǐng)數(shù)量。在韓國(guó)和歐洲地區(qū)所申請(qǐng)的專利數(shù)量約占全球主要地區(qū)專利申請(qǐng)總量的12%，其中韓國(guó)的專利數(shù)量多于歐洲地區(qū)的專利申請(qǐng)量。（見圖2）

薄膜太陽(yáng)能電池相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域在亞洲地區(qū)所布局的專利量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在歐美地區(qū)所布局的專利數(shù)量。比如硅基薄膜太陽(yáng)能電池的專利申請(qǐng)量主要分布在日本、中國(guó)、美國(guó)及韓國(guó)。（見圖3）

專利流向趨勢(shì)

在專利統(tǒng)計(jì)分析中，專利來源國(guó)體現(xiàn)了主要技術(shù)力量的來源分布情況，而目標(biāo)國(guó)則反映了這些技術(shù)力量的戰(zhàn)略意圖，例如技術(shù)布局、市場(chǎng)占有等。對(duì)專利來源國(guó)和目標(biāo)國(guó)的流向進(jìn)行時(shí)間分布分析，可以看出隨著時(shí)間的發(fā)展，技術(shù)在國(guó)家之間的轉(zhuǎn)移。根據(jù)技術(shù)的發(fā)展情況和專利的分布情況，選擇中國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、歐洲作為專利申請(qǐng)來源國(guó)，中國(guó)、日本、韓國(guó)、美國(guó)、EPO和WO作為目標(biāo)國(guó)/組織進(jìn)行專利流向分析。

薄膜太陽(yáng)能電池的主要申請(qǐng)來源國(guó)與目標(biāo)國(guó)基本一致。這表明，薄膜太陽(yáng)能電池的主要市場(chǎng)也是薄膜太陽(yáng)能電池專利申請(qǐng)的主要來源地。這些國(guó)家都優(yōu)先在本國(guó)申請(qǐng)專利，然后再向其他主要薄膜太陽(yáng)能電池市場(chǎng)進(jìn)行專利布局。

1993年～2002年這十年間薄膜太陽(yáng)能電池的技術(shù)研發(fā)和專利申請(qǐng)并不十分活躍。僅日本較早在本國(guó)開始了專利布局。2003年開始進(jìn)入了薄膜太陽(yáng)能電池專利申請(qǐng)蓬勃發(fā)展的階段。在2008年之前，日本的專利申請(qǐng)?zhí)幱陬I(lǐng)先地位。但2008年之后，中國(guó)的專利申請(qǐng)量一躍超過日本排名第一，其次為美國(guó)和日本。（見圖4）

除了對(duì)角線之外的氣泡大小，體現(xiàn)了對(duì)應(yīng)來源國(guó)申請(qǐng)人向國(guó)外申請(qǐng)的力度大小?？梢钥闯鋈毡?、韓國(guó)、美國(guó)申請(qǐng)人具有較強(qiáng)的向外申請(qǐng)意愿，表現(xiàn)為其所在行氣泡較大。其目標(biāo)區(qū)域多為中國(guó)、美國(guó)和WO。這些國(guó)家通過PCT這種多邊途徑提出的專利申請(qǐng)量龐大，表現(xiàn)了他們強(qiáng)烈的進(jìn)入其他國(guó)家的傾向。

1993年～2002年這十年間，在專利申請(qǐng)量較小的前提下，美國(guó)和歐洲是受到其他國(guó)家重視的市場(chǎng)。2003年之后，中國(guó)市場(chǎng)的地位提高，中國(guó)和美國(guó)成為了較受關(guān)注的市場(chǎng)。而在這二十年的發(fā)展過程中，日本和美國(guó)一直都申請(qǐng)了較多的專利到其他國(guó)家，申請(qǐng)量呈上升趨勢(shì)。這反映了美國(guó)不僅是薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國(guó)，也是該領(lǐng)域內(nèi)的重要市場(chǎng)。與此形成鮮明對(duì)比的是，日本作為薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的技術(shù)強(qiáng)國(guó)，對(duì)其他國(guó)家尤其是作為鄰國(guó)的中國(guó)和韓國(guó)進(jìn)行了大量的專利布局，但其本土市場(chǎng)較為封閉，國(guó)外申請(qǐng)人涉足不多。而對(duì)于中國(guó)來說，03年以前其他國(guó)家進(jìn)行的專利申請(qǐng)較少，僅受鄰國(guó)日本的青睞，而2003年之后產(chǎn)生了明顯的增長(zhǎng)，這體現(xiàn)了各主要來源國(guó)對(duì)中國(guó)專利布局的增強(qiáng)，反映了中國(guó)薄膜太陽(yáng)能電池市場(chǎng)的發(fā)展引起了其他國(guó)家的重視。然而2003年之后，中國(guó)除了在本國(guó)進(jìn)行的專利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)迅猛外，在其他國(guó)家的專利申請(qǐng)并沒有較明顯的增長(zhǎng)，這表示雖然中國(guó)薄膜太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)發(fā)展迅猛，但中國(guó)企業(yè)到國(guó)外市場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)布局的意愿仍然較低。

小結(jié)

硅基薄膜太陽(yáng)能電池的主要技術(shù)掌握在日本企業(yè)手中，其中非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池是硅基薄膜太陽(yáng)能電池的主流。而且硅基薄膜太陽(yáng)能電池在薄膜太陽(yáng)能電池中的專利數(shù)量最多，每年的申請(qǐng)量也最大，目前仍然是最大的研究熱點(diǎn)。銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池專利主要集中在技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)方向—工藝環(huán)節(jié)，而染料敏化太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池仍然處在基礎(chǔ)研究階段。

由于美國(guó)既是技術(shù)輸出國(guó)，也是最受青睞的市場(chǎng)，日韓企業(yè)更傾向于在美國(guó)市場(chǎng)進(jìn)行專利布局。同時(shí)中國(guó)市場(chǎng)近5年來逐漸受到了國(guó)外企業(yè)的關(guān)注，美國(guó)企業(yè)的布局力度比日企要強(qiáng)。盡管日本技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，且持續(xù)輸出技術(shù)，但其本國(guó)市場(chǎng)不受其他國(guó)家關(guān)注。

隨著薄膜太陽(yáng)能電池技術(shù)活躍度在上升，成本將繼續(xù)下降。但薄膜太陽(yáng)能電池工藝生產(chǎn)設(shè)備主要掌握在國(guó)外公司手中，所以依附于設(shè)備的工藝改進(jìn)也基本上是國(guó)外的設(shè)備公司內(nèi)部或者研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行。所以我國(guó)企業(yè)只能通過購(gòu)買設(shè)備的方式進(jìn)行生產(chǎn)，而且需要昂貴的服務(wù)費(fèi)，極大增加了我國(guó)企業(yè)的生產(chǎn)成本，并制約了我國(guó)工藝技術(shù)的改進(jìn)。

最后，薄膜電池要替代晶硅電池并不現(xiàn)實(shí)，但在BIPV領(lǐng)域，薄膜電池的優(yōu)勢(shì)更為明顯。比如屋頂太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，用戶選用晶硅還是薄膜電池，主要取決于政策的變化，一般看法認(rèn)為屋頂主要應(yīng)用晶硅電池。但有些國(guó)家由于政策的變化，屋頂采用薄膜的也很多。德國(guó)采用鼓勵(lì)多發(fā)電的政策，用戶通過發(fā)電賣電賺錢，所以多選用晶硅；但澳大利亞則鼓勵(lì)自用為主，政府對(duì)每戶1500瓦以內(nèi)的進(jìn)行補(bǔ)貼，超過這個(gè)范圍不補(bǔ)貼，因此用戶多傾向于用成本低的薄膜電池。

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