新興技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會識別方法研究

李乾瑞，郭俊芳，朱東華

(1. 北京理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100081； 2.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

一、引言

當(dāng)前，技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)成為我國提升核心競爭力、建設(shè)創(chuàng)新型國家的根本選擇。企業(yè)作為技術(shù)創(chuàng)新的主體，如何在新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)研發(fā)與應(yīng)用中占得先機(jī)，實(shí)現(xiàn)彎道超車，對于企業(yè)乃至國家推動創(chuàng)新發(fā)展，贏得發(fā)展主動權(quán)具有重要的戰(zhàn)略意義，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。為此，本文嘗試深入文本層面對新興技術(shù)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，分析新興技術(shù)演化路徑并識別未來可能的技術(shù)機(jī)會，這對于企業(yè)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)決策具有重要的理論研究價值和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

SAO (subject-action-object, 簡稱SAO) 語義分析方法作為一種新興的研究方法。2004年，由Verbilsky將其引入到TRIZ理論中，并結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量方法提出了“語義TRIZ”模型[1]。該方法作為語義TRIZ的核心技術(shù)，在國內(nèi)相關(guān)研究較少。其主要強(qiáng)調(diào)“關(guān)鍵概念”，在提取文本信息中“主語-謂語-賓語”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過分析獨(dú)立詞組Subject(S)和Object(O)及其附近動作Action(A)的語義，來識別獨(dú)立詞組之間的關(guān)系。其中，如果主語S和賓語O代表系統(tǒng)的組件，A可以用來描述這些組件如何實(shí)現(xiàn)功能[2-3]。同時，如果謂語A和賓語O組合起來形成作用概念，代表需要解決的問題，那么主語S往往代表解決該問題的技術(shù)方案[4]，這樣SAO結(jié)構(gòu)就能形成一個問題-解決方案模式，進(jìn)而反映文檔中特定的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。

相比于傳統(tǒng)的基于關(guān)鍵詞的分析方法，SAO分析方法保留了關(guān)鍵詞之間的語義關(guān)系，能更深入地剖析獨(dú)立詞組間的內(nèi)在聯(lián)系，在一定程度上確實(shí)能夠挖掘出文獻(xiàn)計(jì)量、引文分析等常用文獻(xiàn)分析方法所忽視的信息，為學(xué)者提供技術(shù)研究、關(guān)系識別、趨勢預(yù)測和相似度測量方面更詳盡和準(zhǔn)確的信息。因此，SAO方法可以很好地用于識別關(guān)鍵問題的解決方案。當(dāng)前，該方法主要應(yīng)用于技術(shù)機(jī)會識別和專利相似度分析[5]。技術(shù)機(jī)會識別方面，Janghyeok等提出了從專利信息中自動識別TRIZ趨勢的方法[6]；Sungchul等利用專利的SAO結(jié)構(gòu)來進(jìn)行技術(shù)規(guī)劃[7]；JoséM等將技術(shù)挖掘方法和語義TRIZ方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)趨勢的快速甄別[8]；郭俊芳等將SAO結(jié)構(gòu)分析引入到技術(shù)路線圖的構(gòu)建中來識別技術(shù)機(jī)會[9]。專利相似度分析方面，Sternitzke等運(yùn)用SAO結(jié)構(gòu)測量專利文檔的相似度，并將該方法與文獻(xiàn)計(jì)量方法、共引用分析、共詞分析和自引用關(guān)聯(lián)四種方法進(jìn)行了對比[10]；Janghyeok等通過計(jì)算專利的SAO結(jié)構(gòu)相似性來探討專利的相似性，進(jìn)而通過專利語義網(wǎng)絡(luò)來識別技術(shù)發(fā)展趨勢[11]；Gerken等提出了基于SAO分析的高創(chuàng)新度發(fā)明識別方法[12]；Janghyeok等利用專利SAO結(jié)構(gòu)構(gòu)建動態(tài)專利地圖來識別技術(shù)競爭趨勢[13]；Park等利用SAO結(jié)構(gòu)計(jì)算語義相似性，并結(jié)合語義TRIZ的“Reason For Jump”原理識別了可進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移的潛力專利[14]。

為此，本文提出運(yùn)用SAO語義分析模型來開展解決新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)重大研究問題的技術(shù)方案識別研究，并以染料敏化太陽能電池(DSSCs)技術(shù)為實(shí)證案例，證實(shí)了該方法的可行性和有效性。

二、基于SAO方法的技術(shù)機(jī)會分析模型

為有效識別未來有潛力的技術(shù)創(chuàng)新方案，發(fā)現(xiàn)技術(shù)機(jī)會，本文從領(lǐng)域關(guān)鍵問題出發(fā)，深入文本信息內(nèi)部，引入SAO結(jié)構(gòu)中的“問題-動作-解決方案”模式，提出了基于SAO語義挖掘的關(guān)鍵問題-解決方案演化路徑識別模型。該模型層層深入，首先，在識別關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上，通過主謂賓關(guān)系，識別關(guān)鍵問題解決方案。其次，為進(jìn)一步辨析未來有潛力的技術(shù)創(chuàng)新方案，將技術(shù)路線圖思想引入，通過展現(xiàn)技術(shù)方案的演化脈絡(luò)及關(guān)聯(lián)的方式，識別技術(shù)機(jī)會。該模型包括識別熱點(diǎn)技術(shù)問題、挖掘面向問題的技術(shù)解決方案、追蹤技術(shù)解決方案演化路徑、識別創(chuàng)新解決方案和技術(shù)機(jī)會四個步驟，具體流程如圖1所示。

(一)識別關(guān)鍵問題

本部分采用文獻(xiàn)計(jì)量法進(jìn)行技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵詞識別和統(tǒng)計(jì)，通過詞性標(biāo)記識別出可能的領(lǐng)域熱點(diǎn)問題或主要研究目標(biāo)(后文稱“關(guān)鍵問題”)，再結(jié)合市場調(diào)研和專家智慧對現(xiàn)有關(guān)鍵問題集進(jìn)行修正，該過程將文本挖掘結(jié)果和專家智慧相結(jié)合，二者互補(bǔ)。文本挖掘分析結(jié)果一方面可以降低對領(lǐng)域?qū)＜业乃刭|(zhì)要求和依賴性；另一方面，還可以彌補(bǔ)專家未考慮到，而潛在在數(shù)據(jù)背后的關(guān)鍵研究問題。本研究中識別關(guān)鍵問題的過程如圖2所示，其中關(guān)鍵詞識別和熱點(diǎn)問題分析采用VantagePoint 軟件實(shí)現(xiàn)，具體過程如下。

圖1 基于SAO語義分析方法的技術(shù)機(jī)會分析方法框架

1.制定檢索策略并獲取數(shù)據(jù)，構(gòu)建領(lǐng)域數(shù)據(jù)集。確定研究主題，選擇合適的期刊數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)源，制定檢索策略并下載，旨在獲取所有與研究主題相關(guān)的期刊數(shù)據(jù)集，構(gòu)建專題數(shù)據(jù)庫(TD)。

2.分析數(shù)據(jù)并確定領(lǐng)域熱點(diǎn)研究問題。考慮到標(biāo)題和摘要是文章的兩個核心部分，包含了文章的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)。因此，本文選擇領(lǐng)域數(shù)據(jù)的標(biāo)題和摘要進(jìn)行文本信息提取。首先，借助Search Technology公司的VantagePoint軟件進(jìn)行自然語言處理，提取領(lǐng)域高頻詞，并通過數(shù)據(jù)清洗得到領(lǐng)域研究熱點(diǎn)詞匯集。其次，依據(jù)熱點(diǎn)詞匯的詞性和語義，人工識別表征技術(shù)問題或目標(biāo)的關(guān)鍵詞，在結(jié)合專家知識的基礎(chǔ)上確定領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題(P1,P2,P3,……)，并分別以關(guān)鍵詞集(PK11, PK12; PK21, PK22, PK23; ……)來體現(xiàn)。

3.基于關(guān)鍵詞集構(gòu)建各熱點(diǎn)研究問題的子數(shù)據(jù)集(PD1，PD2，PD3, ……)。本步驟的主要目的是為每個關(guān)鍵問題篩選出對應(yīng)的文獻(xiàn)集。具體做法是將關(guān)鍵問題的各種表達(dá)形式作為檢索策略，篩選數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建各研究問題的子數(shù)據(jù)集。通過對數(shù)據(jù)集的分類，一方面，可以有效地減少不相關(guān)數(shù)據(jù)，降低SAO結(jié)構(gòu)提取的數(shù)據(jù)量，提高分析效率；另一方面，可以通過關(guān)鍵詞識別的方式，將與熱點(diǎn)研究問題無關(guān)的記錄去掉，提高技術(shù)方案獲取的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)可行性。

(二)挖掘面向問題的技術(shù)解決方案

本部分的目的是通過SAO語義挖掘方法識別問題-技術(shù)方案對，進(jìn)而為技術(shù)方案演化路徑提供數(shù)據(jù)支持。面向問題的技術(shù)方案可以是新材料、新技術(shù)或新技術(shù)組合等。技術(shù)方案識別主要包括兩個步驟。

1.提取SAO結(jié)構(gòu)。在識別出領(lǐng)域關(guān)鍵問題集的基礎(chǔ)上，借用Stanford Parser軟件從文獻(xiàn)集中提取SAO結(jié)構(gòu)，其中，S和O提取效果的好壞直接影響后續(xù)的分析。SAO結(jié)構(gòu)的提取可以借助Stanford Parser軟件和Goldfire軟件，經(jīng)使用證實(shí)：Stanford Parser軟件部分功能是免費(fèi)開放的，可以輔助識別句法結(jié)構(gòu)，但開放軟件不能直接實(shí)現(xiàn)SAO結(jié)構(gòu)提取；Goldfire軟件可以提取SAO結(jié)構(gòu)并開展進(jìn)一步的分析，但缺點(diǎn)是提取的SAO結(jié)構(gòu)不能導(dǎo)出，并且SAO結(jié)構(gòu)提取準(zhǔn)確性有待考證。因此，本文采用團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)的SAO結(jié)構(gòu)提取軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)了詞組的提取。在提取SAO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)開發(fā)的thesaurus進(jìn)行同義詞和同義SAO結(jié)構(gòu)合并(Zhang和Guo, 2013)，最后對SAO結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工核實(shí)。

2.識別技術(shù)方案并進(jìn)行分類。在問題-解決方案模型中，問題確定后，AO就是固定的，因此重點(diǎn)是識別對應(yīng)的S來確定關(guān)鍵問題對應(yīng)的核心技術(shù)點(diǎn)。具體基于SAO結(jié)構(gòu)識別核心技術(shù)點(diǎn)的過程如圖3所示。在識別技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本文建立技術(shù)方案對應(yīng)文獻(xiàn)集，嘗試基于文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)確定文獻(xiàn)聚類，進(jìn)而得到技術(shù)方案類別。在結(jié)合方案聚類結(jié)果和技術(shù)背景知識的情況下，實(shí)現(xiàn)對技術(shù)方案的分類。

圖2 識別關(guān)鍵問題的方法流程

圖3 基于SAO語義分析的技術(shù)方案識別

(三)追蹤技術(shù)方案演化路徑

在識別出問題-解決方案對的基礎(chǔ)上，本部分進(jìn)一步識別技術(shù)方案間的演化關(guān)系，并利用技術(shù)路線圖方法將技術(shù)演化路徑可視化。

1.確定技術(shù)演化路線圖的形式并定義節(jié)點(diǎn)。新技術(shù)、新材料或新方法都可以稱為面向問題的解決方案。考慮到不同的技術(shù)方案是作用于不同的產(chǎn)品部件，為更好地展示技術(shù)方案類別及關(guān)系，本文的技術(shù)演化路線圖的形式為：橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)是技術(shù)方案的類別，每個節(jié)點(diǎn)是各技術(shù)方案。由于此處技術(shù)方案是通過SAO三元組進(jìn)行識別的，所以技術(shù)方案往往是能代表完整語義的詞組或短語組合。具體該技術(shù)路線圖的形式如圖4所示。

2.確定各節(jié)點(diǎn)的位置，分析節(jié)點(diǎn)間的演化關(guān)系，最終完成技術(shù)方案演化路線圖的繪制。技術(shù)路線圖繪制的主要內(nèi)容包括；節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容及位置、節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系確定。技術(shù)路線圖的節(jié)點(diǎn)是面向特定問題的各技術(shù)解決方案，節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)是由該技術(shù)方案所在文獻(xiàn)發(fā)表的時間確定，縱坐標(biāo)是由該技術(shù)方案所屬技術(shù)類別來確定。節(jié)點(diǎn)間的演化關(guān)系是依據(jù)文獻(xiàn)摘要中提取的SAO結(jié)構(gòu)語義來判斷。如果文中提到技術(shù)方案2是在前人技術(shù)方案1的基礎(chǔ)上(依據(jù)參考文獻(xiàn))提出來的，則技術(shù)方案2和1之間有有向連線；如果技術(shù)方案2是在多個技術(shù)方案基礎(chǔ)上提出來的，則選擇離其最近的同技術(shù)類別的技術(shù)方案進(jìn)行連線；如果文中并未提到其他技術(shù)方案，則該技術(shù)方案與其他技術(shù)方案沒有連線(如圖4所示，紅色圈中的節(jié)點(diǎn)即為此類技術(shù)方案)。最后，我們借助專家知識，進(jìn)一步對技術(shù)方案間的演化關(guān)系進(jìn)行修正與補(bǔ)充。

(四)識別創(chuàng)新解決方案和技術(shù)機(jī)會

面向問題的技術(shù)方案演化路線圖直觀地展示了技術(shù)方案的演化路徑及功能類別，對技術(shù)研發(fā)人員和企業(yè)決策者宏觀把握問題-解決方案發(fā)展脈絡(luò)具有重要意義。面向問題的技術(shù)方案演化路線圖主要回答以下幾類問題。

1.特定技術(shù)領(lǐng)域核心的研究問題/技術(shù)目標(biāo)有哪些？

2.解決特定問題的技術(shù)方案有哪些？各技術(shù)方案是作用于何部件？技術(shù)方案間是如何演化的？

3.技術(shù)方案是什么時間由哪些國家的學(xué)者提出的？不同國家研究重點(diǎn)及趨勢如何？等問題。

三、實(shí)證研究——以染料敏化太陽能電池技術(shù)為例

染料敏化太陽能電池技術(shù)作為第三代太陽能電池，由于其原材料豐富、低制造成本和制作工藝簡單等優(yōu)勢，成為未來有潛力的新興技術(shù)。因此，本文選擇DSSCs技術(shù)開展實(shí)證研究，分析結(jié)果對新能源領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)政策制定具有重要意義。

(一)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與關(guān)鍵問題識別

1.本文以Alan Porter教授等學(xué)者所構(gòu)建的DSSCs技術(shù)領(lǐng)域的檢索策略為依據(jù)[15]，基于研究技術(shù)發(fā)展路徑的實(shí)際需要，選擇基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)庫SCI-Expanded作為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)檢索年份跨度為1981-2014年，文獻(xiàn)類型為Article，共得到期刊文獻(xiàn)有效數(shù)據(jù)7884條。

2.運(yùn)用Search Technology公司的Vantage Point軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞提取，發(fā)現(xiàn)排名前四的問題類關(guān)鍵詞及其詞頻為：Conversion efficiency (551)；LOW-COST (315)；PHOTOVOLTAIC PERFORMANCE (143)；STABILITY (111)。本實(shí)證部分選擇conversion efficiency作為領(lǐng)域關(guān)鍵問題，分析與挖掘提升DSSCs電池轉(zhuǎn)化效率的各技術(shù)方案。

(二)提取SAO 結(jié)構(gòu)并識別問題-解決方案

1.利用Stanford parser 軟件對7884篇文章進(jìn)行SAO 結(jié)構(gòu)提取，通過固定SAO結(jié)構(gòu)中AO(提高轉(zhuǎn)化效率)的方式，篩選得到303條SAO結(jié)構(gòu)，經(jīng)人工修正后最終得到有效SAO結(jié)構(gòu)227條，具體SAO結(jié)構(gòu)篩選過程見表1。其中，SAO結(jié)構(gòu)中的O為conversion efficiency，A為編號5中的動詞，該動詞列表是在Stanford Parser軟件詞性標(biāo)記的基礎(chǔ)上，提取并統(tǒng)計(jì)詞性為VB/VBN/VBZ/ VBD/VBG，且能表達(dá)轉(zhuǎn)化效率提升含義的動詞。

圖4 面向問題的技術(shù)方案演化路線圖的形式

編號SAO結(jié)構(gòu)篩選過程數(shù)量1下載到的期刊文獻(xiàn)78842包含conversion efficiency的文獻(xiàn)30563提取SAO結(jié)構(gòu),篩選包含conversion efficiency的SAO結(jié)構(gòu)37204篩選代表電池整體轉(zhuǎn)化效率的SAO結(jié)構(gòu)(包含overall conversion efficiency、cell conversion efficiency、photoelec-tric conversion efficiency)4055篩選問題為“提升轉(zhuǎn)化效率的SAO結(jié)構(gòu)(action(A)為Improve、enhance、increase、achieve、yield、found、reveal、a-chieve、attain、provide、obtain、exhibit、result in)3036修正(人工合并相近SAO結(jié)構(gòu))227

2.在步驟1得到的227條SAO結(jié)構(gòu)(如表2 所示)的基礎(chǔ)上，通過分析與“AO”結(jié)構(gòu)串連接的“S”，可以得到提升電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵技術(shù)(或技術(shù)解決方案)。

3.通過對227條SAO結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得到提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)：DSSCs包含半導(dǎo)體光陽極、染料敏化劑、電解質(zhì)溶液、對電極四個部件，故依據(jù)非正式專家意見和聚類分析結(jié)果，我們最終將關(guān)鍵技術(shù)方案按所屬部件進(jìn)行分類。鑒于關(guān)于半導(dǎo)體光陽極的研究較多，我們結(jié)合調(diào)研結(jié)果和專家知識，進(jìn)一步將半導(dǎo)體光陽極單獨(dú)進(jìn)行分析，并從對光陽極的改進(jìn)方式入手，將提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案劃分為表面處理、復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜技術(shù)、改變微觀結(jié)構(gòu)、TiO2制備方法和新材料研發(fā)六大類，具體見表3所示。此處，技術(shù)方案分類有助于決策者直觀地看出各技術(shù)方案所屬部件及采用的改進(jìn)方式，更好地理清各技術(shù)方案間的關(guān)系和脈絡(luò)，支持決策。

(三)識別提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案演化路徑

為進(jìn)一步分析提高DSSCs光電轉(zhuǎn)化效率的各技術(shù)解決方案，了解解決方案隨時間的演化過程及關(guān)系等，作者引入技術(shù)路線圖的概念，按照上表3的技術(shù)方案分類及對應(yīng)的SAO結(jié)構(gòu)，構(gòu)建關(guān)鍵問題-核心解決方案的技術(shù)路線圖，進(jìn)而更加直觀、深入的分析和識別新興技術(shù)的發(fā)展路徑。本部分僅選取部件光陽極為例，展示核心部件的技術(shù)方案演化路徑，如圖5所示。其中，各節(jié)點(diǎn)的形狀代表國家，不同的節(jié)點(diǎn)形狀表示該技術(shù)方案是由不同國家的學(xué)者提出來的。

表2 提升DSSCs整體轉(zhuǎn)化效率問題的SAO結(jié)構(gòu)示例(8/227)

表3 關(guān)鍵技術(shù)方案分類表

光陽極材料作為影響DSSCs電池轉(zhuǎn)化效率的重要組成，相關(guān)學(xué)者圍繞光陽極開展的研究較多。我們分別對表面處理、復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜技術(shù)、改變微觀結(jié)構(gòu)、新材料研發(fā)五類技術(shù)進(jìn)行單獨(dú)分析(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)如下五條路徑。

1.表面處理方式：表面處理是提升電池光電轉(zhuǎn)化效率的有效方式。因此，許多研究學(xué)者開展表面處理相關(guān)的研究來進(jìn)行光陽極薄膜性能的改進(jìn)。具體包括：treating TiO2with pyridine derivatives, “TiCl4,”“metal hydroxide,”和“3-aminopro pyltrime thoxy silane (APTS)等。當(dāng)然，一些新的混合物，如“TiCl4”“Nb2O5”“MgO”“HCL”“g-C3N4”等，也可用來對TiO2薄膜進(jìn)行表面處理來提升TiO2薄膜的性能。

2.TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)：包覆結(jié)構(gòu)在提高光陽極材料性能方面顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，包括：CaCO3、SiO2包覆TiO2結(jié)構(gòu)等。具體的研究演化路徑如下：bilayer nonporous(2001)TiO2nanorod (2004)rough TiO2spheres(2007)Surface-passivated TiO2nanotube arrays(2008)LbL technique(2009)TiO2-B NBs(2010)BTs and PCTs nanotube arrays(2010)TiO2-NSs/graphene(2011)。

3.改變TiO2微觀結(jié)構(gòu)來提升電池光電轉(zhuǎn)化效率：與復(fù)合結(jié)構(gòu)相類似，改變TiO2微觀結(jié)構(gòu)也可以影響電池整體效率。TiO2的微觀結(jié)構(gòu)包括TiO2顆粒大小、厚度、性質(zhì)和孔隙度等。為提高電子傳輸壽命，減少載流子復(fù)合，納米管陣列、納米線陣列等一維傳輸結(jié)構(gòu)漸漸受到各國學(xué)者矚目。

4.在TiO2薄膜中摻雜其他物質(zhì)進(jìn)行光陽極薄膜性能改良：運(yùn)用摻雜技術(shù)改進(jìn)TiO2薄膜來提升電池轉(zhuǎn)化效率的研究較多。385篇文獻(xiàn)中都提到了TiO2摻雜技術(shù)，其中166篇文獻(xiàn)提到了提升電池轉(zhuǎn)化效率。總體來說，用于摻雜的材料包括離子、原子和半導(dǎo)體化合物，如：Ag-TiO2、ZnO coated TiO2nanoparticles、Nd-doped TiO2、La-doped TiO2、N-doped TiO2、BaCO3-modified TiO2、N-F-doped TiO2electrode、Mg-doped ZnO、 Zn,N-TiO2、Second metal oxide (MgO, ZnO, Al2O3, or NiO) doping technology等。

基于路徑④，我們可以發(fā)現(xiàn)一些新的解決方案往往是多種方法的綜合。例如：Zn-N-doped TiO2electrodes (2011) 是在 N-doped TiO2(2009)的基礎(chǔ)上再摻雜Zn；ZnO nanorod arrays with Al3+(2013) 是Al3+-doped TiO2和改變TiO2微觀結(jié)構(gòu)兩種方式的結(jié)合。此種將多種技術(shù)改進(jìn)方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)也是未來技術(shù)發(fā)展的趨勢。

5.除了TiO2光陽極以外，ZnO、Al2O3、Nb2O5、SnO2、NiO等其他寬帶隙半導(dǎo)體光陽極材料也引起學(xué)者重視，成為未來替代TiO2的選擇。為進(jìn)一步提升電池轉(zhuǎn)化效率性能，學(xué)者在新材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過改變材料結(jié)構(gòu)和使用摻雜技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)性能的提升，這些技術(shù)方案包括：ZnO coated with Ga, sheet-sphere ZnO, ring-and flower-structured ZnO, hierarchical ZnO nanorod, and hierarchical ZnO nanourchin等。其他技術(shù)方案包括用SnO2film treated with water vapor, using tri-layer film structure, Al2O3/NiO, aluminum oxide, graphene composite material, hierarchical SnO2and composite material做光陽極等。

(四)基于技術(shù)方案演化路線圖的技術(shù)機(jī)會分析

1.提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案分析

半導(dǎo)體光陽極材料是各國學(xué)者研究的重點(diǎn)，其中運(yùn)用摻雜技術(shù)改進(jìn)TiO2薄膜改進(jìn)的研究較多。包括：ZnO coated nanoparticles、Nd-dopedTiO2、La-doped TiO2、N-doped TiO2、Zn,N-TiO2、second metal oxide (MgO, ZnO, Al2O3, or NiO)等。除摻雜技術(shù)外，為提高電子傳輸壽命，減少載流子復(fù)合，納米管陣列、納米線陣列等一維傳輸結(jié)構(gòu)也漸漸受到各國學(xué)者矚目。同時，包覆結(jié)構(gòu)也顯現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢，如CaCO3、SiO2包覆 TiO2結(jié)構(gòu)等。除了TiO2光陽極以外，ZnO、Nb2O5、SnO2等其他寬帶隙半導(dǎo)體光陽極材料也引起學(xué)者重視，成為未來替代TiO2的選擇。

2.不同國家研究重點(diǎn)及趨勢分析

各國研究者就電池轉(zhuǎn)化效率問題開展了大量研究，半導(dǎo)體光陽極材料的選擇和處理是影響電池轉(zhuǎn)化效率的重要因素，主要國家集中在中國、韓國、美國、日本、臺灣地區(qū)等。其中，2005年前，太陽能電池的研究還較少，處于起步階段；瑞士、美國、日本和以色列等國專家從不同的角度，提出了提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)解決方案，主要包括：通過改變TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)和管長壁厚等、摻雜Sn/Zn氧化物等、TiCl4表面處理等來提升光陽極的電子收集和傳遞能力，進(jìn)而提升電池轉(zhuǎn)化效率，具體方案包括：10-25 nm in thickness、ZnO coated TiO2nanoparticles、SnO2/TiO2composite cell、TiCl4treatment等。從2006年開始，圍繞太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的研究逐漸增多，對半導(dǎo)體光陽極材料的選擇與處理也多樣化，主要以中國和韓國的學(xué)者為主，其次是日本、臺灣地區(qū)、美國等。中國也正是從2006年開始對DSSCs的研究逐漸增多，成為DSSCs研究的主力，中國學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量占DSSCs領(lǐng)域總文獻(xiàn)數(shù)量的近26%，在提高電池轉(zhuǎn)化效率研究方面占總量的近一半。

以上分析結(jié)論，作者通過對DSSCs領(lǐng)域的文獻(xiàn)綜述閱讀和2015-2018年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)兩種方式進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)證結(jié)果中對技術(shù)方案及其演化路徑的宏觀分析與判斷基本符合領(lǐng)域?qū)嶋H，故驗(yàn)證了本文分析方法的可行性和有效性。

圖5 光陽極提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)演化路徑圖

四、結(jié)論

本文以語義TRIZ 理論為指導(dǎo)，在提取文獻(xiàn)標(biāo)題及摘要中的SAO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，識別解決新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)重大研究問題的技術(shù)方案。同時，借助非正式專家意見對技術(shù)方案進(jìn)行功能屬性劃分，并結(jié)合技術(shù)出現(xiàn)時間，構(gòu)建了縱坐標(biāo)為不同部件技術(shù)解決方案的技術(shù)演化路徑圖，進(jìn)而來識別解決領(lǐng)域關(guān)鍵問題的各技術(shù)方案及其關(guān)聯(lián)關(guān)系和演化路徑。最后，作者將該方法應(yīng)用于DSSCs進(jìn)行了實(shí)證探索，證實(shí)了該方法的可行性和有效性。

該方法主要具備兩大優(yōu)勢，在方法層面，將SAO結(jié)構(gòu)分析創(chuàng)新性地引入到技術(shù)演化路徑識別當(dāng)中，依靠SAO結(jié)構(gòu)在主-謂-賓關(guān)聯(lián)度揭示方面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了問題和解決方案的對應(yīng)識別，彌補(bǔ)了基于關(guān)鍵詞等常用文獻(xiàn)分析方法的不足，可為解決發(fā)明問題和深層了解技術(shù)解決方案演化情況等提供有效的數(shù)據(jù)支持。此外，本文雖僅選取一個技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槔_展實(shí)證研究，但本文提出的方法模型在不同的技術(shù)領(lǐng)域同樣適用。在實(shí)際應(yīng)用層面，該方法不僅能為決策者提供某一問題的具體解決方案及演化路徑，也能提供各解決方案之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和各主要國家的技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)及研究趨勢，這對未來推進(jìn)新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)突破、指導(dǎo)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及研發(fā)決策等具有重要意義。

然而，本文方法也存在一定的局限性。一方面，該研究僅針對特定關(guān)鍵問題來進(jìn)行挖掘，無法反映技術(shù)發(fā)展的全貌同時，SAO結(jié)構(gòu)提取的準(zhǔn)確性和規(guī)模直接影響到技術(shù)發(fā)展路徑識別的準(zhǔn)確性和可信性。另一方面，雖然摘要被認(rèn)為是整篇文章中最具代表性和價值的部分，但由于簡短并不能完整反映整篇文章使用的所有技術(shù)和解決的所有問題，如果對全文進(jìn)行SAO 結(jié)構(gòu)提取，所得結(jié)果亦將更具說服力。這些都是未來有待進(jìn)一步深入研究和改進(jìn)的問題。