我國薄膜太陽能電池發展態勢研究
——基于文獻計量和專利分析

付 英 ，邸 金 ，李建偉

（1.甘肅省科學技術情報研究所，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省科技評價重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

一、引言

太陽能是可開發利用的最大能源，太陽能電池是太陽能的主要轉化裝置，又被稱為“太陽能芯片”或“光電池”[1]。目前，全世界60%的國家投入到太陽能電池的普及應用中，其中40%以上的國家已經大規模地開展了太陽能電池的研發利用。我國從第六個“五年計劃”開始，啟動太陽能電池的實踐與探索，太陽能電池行業由于產能過剩，產業和產品向跨界整合已成為新的趨勢，薄膜太陽能電池成為緩解能源危機的新型光伏器件之一。我國《電力發展“十三五”規劃》明確提出，分布式光伏發電裝機規模目標為6 000萬kW以上，至少要增九倍以上，光伏產業格局將發生大變革，薄膜電池組件將涌上浪頭。因此，文章從文獻計量和專利分析的視角，綜合運用多種計量方法，對我國薄膜太陽能電池文獻研究和專利申請進行計量分析，動態跟蹤前沿研究，預測今后發展趨勢，進而提出相關建議，以期為該領域研究與實踐提供參考。

二、研究方法與樣本選取

現有的文獻信息分析主要有統計分析、文獻計量分析、社會網絡分析、Pub Med分析等技術和方法，以此快速地獲取高價值信息，追蹤學科前沿[2]。詞頻分析一般涉及數據檢索、清洗加工、詞匯提取、統計分析等階段[3-4]。就文獻來源看，國內外建立了SCI、SSCI、Scopus、Derwent、CNKI、CSSCI、萬方、維普等眾多綜合性數據庫，存儲的數據量巨大，但所涵蓋的學科門類卻各有側重。因此，研究以CNKI數據庫為檢索工具，檢索條件為“篇名=薄膜太陽能電池”，檢索關鍵詞為“模糊匹配”方式，時間跨度為1980—2018年，檢索結果為7 194篇，剔除外文文獻后，共檢索文獻2 015篇。為確保研究的客觀性、科學性和可行性，綜合運用數據過濾法、數據拆分法、數據降維法等多種數據清洗方法，剔除與主題不相符的會議紀要、會議通知、新聞評論、技術簡介、網絡報道等九條非研究性文獻后，最后得到2 015條記錄。利用Excel這一統計工具，運用文獻計量分析法、可視化分析法和內容分析法等方法，從載文量、高頻作者、研究熱點、核心期刊、專利布局等方面對該領域的研究態勢進行挖掘和分析，追蹤研究熱點，預測發展趨勢，從而得出相關結論。

三、我國智能制造研究態勢

（一）年度載文量統計分析

研究數據顯示，國內學者關于薄膜太陽能電池研究在CNKI中收錄最早始于1980年，由中國科學院長春應用化學研究所率先開展研究。整體上分為三個階段：1980—2002年，我國尚處于探索階段；2003—2011年，研究基本呈逐步上升的趨勢；2012—2018年，呈現快速上升趨勢。國內有關薄膜太陽能電池論文年代分布如圖1所示。由此可見，我國該研究領域學術研究逐步進入白熱化，尤其是在我國提出實施“創新驅動發展戰略”之后，論文數量出現了一個轉折性的高峰期，這說明薄膜太陽能電池研究領域具有很大的活力。可以預見，在產業轉型升級的背景下，今后薄膜太陽能電池研究領域的文獻數量仍將保持快速增長，研究隊伍也在不斷壯大。

圖1 國內薄膜太陽能電池論文年代分布圖

（二）高產作者統計分析

研究顯示，在該研究領域中發文最多的作者為趙穎，發文量達101篇，其中50.08%的作者僅撰寫1篇論文，側面說明作者分布相對集中。按照普賴斯的理論，經測算發表論文數為7.53篇以上的作者為杰出科學家（核心作者），即在該領域核心作者群體的發文量均在7篇及以上。經統計，該領域發文量在30篇以上的高產作者主要有：趙穎、孫云、張曉丹、熊紹珍、耿新華、戴松元、李長健、張靜全、何青、武莉莉、黎兵、許穎、馮良桓、李衛、鄭家貴、蔡亞平、孫建、王孔嘉、蔡偉等。為了更直觀地顯示該領域的高頻作者，文章運用加權統計法，量化排名前15位的作者在該領域的權重（見表1）。按作者加權統計，武四新、張瑞峰、薛俊明和王孔嘉這四位作者超過武莉莉（2.858 3）、馮良桓（4.260 4）、李衛（3.011 4）和鄭家貴（3.928 2）。因此，經過加權統計測算的這些學者可作為薄膜太陽能電池領域的核心作者，他們的研究推動了我國薄膜電池研究的發展。需要說明的是，某研究領域中核心作者發文量約占總發文量的50%時，學科的高產作者群才得以形成[5]。經測算，該領域前50位作者總發文量占論文總數的69.76%，遠高于50%的要求。因此，該研究領域穩定的核心作者群初步形成。

表1 薄膜太陽能電池研究領域排名前15位的高產作者

（三）高頻關鍵詞統計分析

數據清洗后，列有關鍵詞的文獻共2 007篇，共有3 374個關鍵詞。為便于標準化統計分析，對同義不同表達的關鍵詞進行合并歸類、統一表述，對詞頻僅為1次的關鍵詞予以過濾，清洗后共得到關鍵詞1 530個。通過統計梳理出現頻次高于30次的關鍵詞后，發現研究熱點是：太陽（能）電池、薄膜電池、CIGS、染料敏化太陽能電池、磁控濺射、轉換效率、非晶硅、鈣鈦礦太陽能電池、CdS、PECVD、異質結、銅鋅錫硫、碲化鎘（CdTe）、光電性能等，并可預測這些熱點將成為未來的研究趨勢（見表2）。

表2 薄膜太陽能電池領域高頻關鍵頻次（30次及以上）

（四）核心期刊與資助情況統計分析

通過對薄膜太陽能電池研究論文的期刊分布統計，可以進一步追蹤薄膜電池研究的熱點領域。本研究所統計的2 007篇薄膜太陽能電池研究論文，有262篇論文出現在會議論文集中，論文集總計56種，其中在《新型太陽能電池學術研討會論文集》《新型太陽能電池暨鈣鈦礦太陽能電池學術研討會論文集》《中國太陽能學會學術會議論文摘要集》《中國光伏會議論文集》論文分布較多。

從期刊來看，有1 745篇論文分布在期刊中，期刊數總計484種。期刊載文量分布差異較大，載文量最多的達到106篇，最少的僅為1篇。其中，薄膜太陽能電池領域的中文核心期刊是排名前20位的期刊，如表3所示。將已發表的1 745篇論文所在期刊分為刊載20篇及以上分布區、刊載8～19篇分布區、刊載3～7篇分布區、刊載1～2篇分布區四個級別，期刊數分別為12個、36個、105個和331個，各級公比近似等于3；載文量分別為478篇、411篇、421篇、435篇，載文量均在400篇以上，載文占比均在25%左右。

表3 薄膜太陽能電池領域論文頻次為16次以上的主要期刊

（五）研究機構統計分析

經統計分析，1980—2019年薄膜太陽能電池研究領域發表論文研究的機構主要分布在企業、高校和科研院所。按照區域分析法得出，薄膜太陽能電池領域的研究機構排名前16位的單位分別為：南開大學（146篇，占21.82%）、華中科技大學（49篇，占7.32%）、四川大學（48篇，占7.17%）、河北工業大學（44篇，占6.58%）、河南大學（42篇，占6.28%）、中國科學技術大學（41篇，占6.13%）、上海交通大學（35篇，占5.23%）、鄭州大學（34篇，占5.08%）、中科院等離子體物理研究所（34篇，占5.08%）、北京市太陽能研究所（31篇，占4.63%）、中國電子科技集團第十研究所（30篇，占4.48%）、浙江大學（28篇，占4.19%）、云南師范大學（28篇，占4.19%）、華東師范大學（27篇，占4.04%）、清華大學（27篇，占4.04%）、中南大學（25篇，占3.74%）。由此可見，對薄膜太陽能電池研究的機構，呈現出以高校為主、院所為輔的趨勢（見圖2、表3）。

圖2 薄膜太陽能電池領域論文研究排名前16位的主要單位

四、我國智能制造研究領域熱點與趨勢分析

（一）研究熱點

知識圖譜可以綜合利用各學科理論和方法，通過空間形態來發現、描述、分析以及最終展示數據或文本之間的相互關系，揭示學科發展歷程、研究現狀、前沿領域以及整體結構和變化動態，預測未來發展方向[6-7]。為全面掌握薄膜太陽能電池的研究動態，基于關鍵詞從論文和專利視角挖掘該研究領域的熱點主題，如圖3所示。

圖3 基于關鍵詞的我國薄膜太陽能電池相關論文熱點主題分布

由圖3可以看出，我國該領域的相關研究主要集中于轉換效率、非晶硅薄膜、電沉積、銅鋅錫硫（CZTS）等主題，薄膜太陽能電池的相關研究集中于非晶硅、CIGS、CdTe、CdS、轉化效率、磁控濺射以及緩沖層等[8]。

國內外專利機構研究顯示，全世界九成以上的新技術信息最早在專利文獻中得到反映，通過專利檢索可以評定專利申請通過授權的可能性，有效地收集最新專利資訊，追蹤相關技術發展動向，有效縮短研發經費與時間的投入[9-10]。經檢索Incopat專利數據庫發現，2000—2018年中國共申請智能制造相關專利4 801件，遠高于日本、美國和韓國，2012年在該領域專利申請量達到頂峰。綜合來看，我國在該領域專利申請量排名前十的省份和地區分別為：江蘇（14.55%）、廣東（10.18%）、北京（9.91%）、上海（9.43%）、浙江（6.20%）、安徽（4.37%）、四川（4.37%）、河南（3.66%）、福建（3.14%）、中國臺灣（3.02%）。從中國授權專利來看，我國擁有實用新型專利、發明專利、外觀設計專利數分別為1 342件、907件和15件。排名前十的申請人分別為吉富新能源科技（上海）有限公司（3.58%）、深圳市創益科技發展有限公司（1.79%）、電子科技大學（1.62%）、中原工學院（1.37%）、無錫同春新能源科技有限公司（1.12%）、無錫市翱宇特新科技發展有限公司（1.10%）、北京鉑陽頂榮光伏科技有限公司（1.04%）、湖南共創光伏科技有限公司（0.97%）、張一熙（0.91%）、蚌埠玻璃工業設計研究院（0.87%），該領域專利申請以企業為主、院所為輔。根據國際專利分類（IPC），薄膜太陽能電池領域專利各部占比由多到少的排列分別為：H（77.46%）、C（14.49%）、B（12.93%）、A（8.18%）、F（6.18%）、G（5.18%）、E（4.70%）、D（0.33%），可見該領域專利主要集中在電學領域，如圖4、表4所示。

圖4 基于Incopat檢索的我國薄膜太陽能電池技術分布（排名前十位）

表4 基于Incopat檢索的我國薄膜太陽能電池技術分布（排名前十位）

（二）趨勢分析

從全球范圍來看，晶硅太陽能電池的研發和產業化取得了一系列新成果、新突破，太陽能光伏電池市場逐步向薄膜太陽能光伏產品轉移。其中，CIGS薄膜太陽能電池轉換效率（實驗室）已經超過了20%，而且性能穩定、發電量高、安全環保，成為歐美國家關注的熱點。就國內來看，薄膜太陽能電池產量增長較快，由2009年的263 MW增長到2017年的1 191 MW。就發展趨勢來看，薄膜電池行業近幾年初具規模，不論技術水平、行業成熟度、供應鏈等均處于逐漸成熟的過程中，未來發展則應更側重于制備工藝簡單、設施要求低；電池穩定性好、壽命長；光電轉換效率高、安全環保；原料成本低、來源豐富，實現規模效益后有望成為市場的主流選擇[11]。

五、結論與討論

從現有學者的研究成果來看，常見的薄膜太陽能電池有非晶硅、CuInSe2（CIS）、CuInGaSe2（CIGS）和碲化鎘（CdTe）等。文章通過對1980—2018年國內薄膜太陽能電池相關的研究論文和專利申請分析，發現國內該領域研究已經取得了一定的突破，并趨向白熱化發展。在研究熱點問題方面，通過關鍵詞詞頻分析及專利檢索得出，非晶硅、銅銦鎵硒（CIGS）、碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）、光電轉化效率、磁控濺射、緩沖層等是國內該領域研究的重點。在載文量方面，發表該領域論文的期刊多為行業專業性研究的期刊和部分會議論文集。通過作者分布規律分析，得出該研究領域穩定的核心研究群體已基本形成，論文文獻研究主要以高校為主、院所為輔，專利申請以企業為主、院所為輔。從發展趨勢來看，薄膜太陽能電池的未來發展更側重于工藝簡單、電池穩定性好、壽命長、光電轉換效率高、安全環保等方面。需要說明的是，由于數據量和數據清洗略有不足，可能導致研究結果不夠全面，研究也將在后續的分析中進一步完善并加以改進。