有機太陽能電池用共軛聚合物的發展

摘 要：從國內外專利申請的發展方向，對有機太陽能電池用共軛聚合物的國內外申請量、申請人等進行數據分析，為今后的太陽能電池材料研發的產業化提供了有利的參考。

關鍵詞：聚合物；太陽能電池；轉換效率

1 概述

作為可再生與清潔能源，太陽能的充分利用是解決目前人類所面臨的能源短缺和環境污染等問題的根本途徑，有機太陽能電池，采用廉價的光伏活性材料，為太陽能發電開辟了新的道路。有機太陽能電池的活性層基本采用固態的有機/聚合物半導體材料，具有一些獨特優勢：有機材料質量輕、柔韌性好；有機材料可以進行化學設計、裁剪和合成；電池器件制備工藝簡單等[1]。因此，有機太陽能電池也逐漸成為未來太陽能電池的發展趨勢。

相對于無機太陽能電池，有機太陽能電池的光電轉換效率依舊較低，且性能不夠穩定。為獲得高效耐用的有機太陽能電池，國內外高校以及公司在改進光伏材料、優化器件制備等方面進行了深入的研究。作為有機太陽能電池的要組成部分，光活性層材料的改進，尤其是共軛聚合物光伏材料的改進對提高太陽能電池綜合性能和光電轉化效率具有非常重要的意義[2]。因此，聚合物型光活性層材料引起廣大科研工作者的極大興趣，新結構、新合成方法層出不窮，優秀的材料不斷涌現。文章通過在CNABS和DWPI專利數據庫中進行檢索，對國內外太陽能電池共軛聚合物的發展現狀進行分析，為進一步研究提供一些參考。

2 專利申請分析

2.1 全球專利申請態勢分析

2.1.1 專利申請量發展趨勢分析

截至2016年，太陽能電池用聚合物的全球申請量已達到2500多件，由圖1可知，隨著聚合物的發展、其實際應用效果以及全球對太陽能電池的研究越來越重視，專利申請量整體呈上升趨勢，特別是從2009年開始，對幾大類聚合物的結構改性的申請量越來越多。隨著對共軛聚合物的研究越來越多，發展也逐步趨于穩定。有機太陽能電池轉換效率雖然越來越高，但仍然不能滿足工業化的要求，對其研究也不會止步。

2.1.2 專利申請國家分布

圖2表明，申請量排名靠前的國家分別為日本、美國、中國、韓國、德國、英國等。通過此數據可以看出，日本作為電子大國，在太陽能電池用聚合物這方面的研究占據著極其重要的角色，處于領先地位。

2.1.3 專利重要申請人分析

太陽能電池用聚合物的全球重要申請人比較集中，有三家公司獨占鰲頭，分別是住友化學株式會社、海洋王照明科技股份有限公司、默克專利股份有限公司，為日本、中國、德國。其他多為日本公司，國內還有很多高校和研究院校零星申請了許多相關專利，雖然量不多，但是均屬于發展前言，并不比國外大公司研究的方向落后。

2.2 中國專利申請態勢分析

2.2.1 專利申請量發展趨勢分析

圖3顯示，國內的申請量呈穩步增長態勢，由2010年后，申請量大大增加，與全球的申請量發展趨勢相符。隨著海洋王照明公司的崛起，申請量逐漸增大。后期海洋王照明股份有限公司申請量下降，導致國內申請量逐步下降。在國內最先申請的是華南理工大學和復旦大學，申請人剛開始均僅發表文章，隨著專利意識的增強，逐步開始申請專利。

2.2.2 專利重要申請人分析

圖4表明國內申請量排名第一的是海洋王照明，其余均為高校和科研院所申請。一方面，高校以及科研院所對理論知識的研究更為扎實，對太陽能電池用聚合物從結構上進行分析，對共聚物結構的調整更加方便，因此，這種更適合小規模的實驗室；另一方面，對于在實驗室內合成的光電轉化效率較高的聚合物，實現產業化還是有一定距離的。

3 申請人分析

3.1 國內重要申請人分析

3.1.1 華南理工大學

國內高校對太陽能電池用共軛聚合物研究最深入的莫過于華南理工大學，從2002年開始申請專利，約100項，該研究團隊除了研究共軛聚合物，還對太陽能電池器件進行大量申請。目前，由于水和/或醇溶性共軛聚合物因其優異的本征光電性能和獨特的溶解性而逐漸引起了關注，華南理工大學研究方向主要分兩個方面：第一，在側鏈上引入強極性基團，磷酸酯基（CN201110380227A），氧化胺基（CN201210050653A），季銨鹽（CN201310116723），二乙醇胺基（CN201310413985A，合成間苯共軛聚合物，PCE達到7.71%），長鏈段烷基；第二，主鏈上進行改性，如合成烷基取代-S，S-二氧-二苯并噻吩（CN200910193934A）、萘并烷基三唑與苯并二噻吩連噻吩的共聚，并且在苯并二噻吩基上引入多烷基噻吩，增強溶解性（CN201210388505），氟代苯并噻二唑（CN201210545464），二酮二氮雜芘共軛聚合物（CN201210560495，CN201310217355，CN201310217

355，CN201310217386）。

雖然華南理工大學的專利申請量不大，但是涉略很廣，并且授權率很高。

3.1.2 海洋王照明科技股份有限公司

海洋王照明股份有限公司從2009年申請太陽能電池用共軛聚合物開始至今，約申請了400項專利。海洋王照明不僅申請了大量中國專利，還申請了很多PCT，該公司也是為數不多的一家申請太陽能電池用共軛聚合物的PCT的一家公司，這些聚合物的能量轉換效率保持在4%左右，這個水平并不是目前的領先水平，與國內大學水平相比，還有一定差距。

3.2 國外重要申請人分析

住友化學株式會社在太陽能電池用聚合物的專利申請占主導地位，該公司申請的大量專利與各類聚合物的發展趨勢基本相同，均為聚苯乙烯撐類、聚芴類、聚咔唑類和聚噻吩類，首先進行側鏈上基團的變化，而后合成一些與一些常見的單體共聚（JP30090392A，JP16155594A， JP8404296A，JP32963498A）；而與其他公司不同的聚合物結構的特點是，申請了大量的多元稠環共軛聚合物和嵌段聚合物。

將供體材料與受體材料組成的嵌段共聚物應用于太陽能電池的光活躍層，可以提高其結構的熱穩定性。對于嵌段共聚物來說，通過改變兩鏈段的相對分子量和體積分數，經過自組裝可以得到結構規整且長度可控的納米結構。利用嵌段共聚物的這些優點有助于合成結構適宜且穩定的光活躍層，可以提高太陽能電池的光電轉化率。

稠環類有機材料有著較高的共軛程度，比較窄的帶隙，可以增強聚合物鏈間的載流子傳輸能力，因此受到了越來越多的重視，該公司申請的稠環化合物中含有在芳香環間含雜原子的六元環。由于種類很多，并不是全部都具有很高的光電轉換效率。

4 結束語

通過分析可知，隨著太陽能電池的發展，用于太陽能電池的聚合物也越來越廣泛。而有機太陽能電池較低的光電轉化效率是限制其應用的主要原因。目前，各個公司對于有機太陽能電池的改進仍處于研究階段。就共聚物的結構方面來說，主要是通過尋找性能更優異的共聚物材料和共聚物鏈段的改性等方法實現。雖然有些高校合成的新型聚合物已達到較高水平，但距離產業化還有一定差距，可以加強與公司之間技術與產業上的聯系，進行合作，大力發展聚合物產業化，以求真正開拓我國的太陽能電池的市場。

參考文獻

[1]李偉，等.太陽能電池材料及其應用[M].電子科技大學出版社（第一版），2014，1.

[2]Hui Jiang et al. Conjugated Polyelectrolytes： Synthesis， Photophysicsand Applications[J].Angew. Chem. Int. Ed.2009，48：4300-4316.

作者簡介：郭杰（1990-），女，碩士，審查員，研究方向：主鏈含氧、含硫聚合物的專利審查。