光伏行业专利技术现状及其发展趋势_唐跃强

一　太阳电池技术的发展
１８７３年英国科学家Ｗｉｌｏｕｇｈ　Ｂ．　Ｓｍｉｔｈ发现了对光敏感的硒材料，并提出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。

１８８０年，第一片以硒为基础的太阳电池由Ｃｈａｒｌｅｓ　Ｆｒｉｔｔｓ制造出；１９５４年，美国贝尔实验室Ｇ．　Ｐｅａｒｓｏｎ、Ｄ．　Ｃｈａｐｉｎ和Ｃ．　Ｆｕｌｌｅｒ开发了第一个实用单晶硅太阳电池。

第一代太阳电池以硅片为基础，其技术已经发展成熟。

太阳电池的主要材料为晶体硅。

目前主要研究方向为：硅基太阳电池的转换效率，目的在于采用双面电池、减小光反射来提高光电转换效率；运用吸杂技术减小半导体材料的复合效应；使电池超薄型化；降低硅片的缺陷；快速掺杂和表面处理技术；连续和快速的布线工艺；多晶硅电池表面织构化技术和薄片化；高效率电池工艺技术等。

第二代太阳电池基于薄膜技术，其结构主要是在非硅材料的衬底上生长薄膜光电材料，这样就能够大大减少硅材料的消耗，并且易于形成批量自动化生产，从而降低太阳电池的成本。

高转换效率的薄膜太阳电池主要通过减少非光能耗、增
光伏行业专利技术现状及其发展趋势
分析了光伏行业专利技术现状及其发展趋势，提出了光伏技术领域的发展方向。

光伏；太阳电池；专利
摘 要：关键词：国家知识产权局专利局电学发明审查部 ■　唐跃强
加光子有效利用以及减少太阳电池内阻，实现转换效率的大幅度提升。

国际上已经开发出电池效率在１５％以上、组件效率１０％以上和系统效率８％以上、使用寿命超过２５年的薄膜太阳电池工业化生产技术。

新一代太阳电池的发展方向是化合物太阳电池（如铜铟镓硒等），其具有转换效率高、成本低、弱光性好以及寿命长等优点。

我国于１９５９年成功研制第一个具有实用价值的太阳电池，１９７９年开始生产单晶硅太阳电池。

近年来，我国科研工作者的研究方向包括晶体硅高效太阳电池技术、非晶硅薄膜太阳电池技术、碲化镉和铜铟硒薄膜太阳电池技术、多晶硅薄膜太阳电池技术及应用系统关键技术等。

二　光伏行业专利技术分布
随着全球光伏产业的迅速发展，用于太阳电池的活性材料及其制造工艺技术也得到迅速发展，全球专利申请量逐年稳定增长。

专利申请主要集中在日本、美国、欧洲、德国、中国和韩国等国家和地区，其中以日本的专利申请量最多，占全球总
申请量的６４．０％，远远超出其他国家和地区所占比例；专利申请量居前列的是日本和德国企业。

近年来，用于太阳电池的活性材料主要是单晶硅和多晶硅。

由于多晶硅是制造单晶硅的主要原材料，因此，多晶硅的制造是关键。

目前工艺成熟并用于大规模生产的工艺主要是西门子法。

国内外申请人的专利申请也以多晶硅及其制造申请量居多，主要涉及西门子法和冶金法，但是国内外申请人的侧重点不同，国外在华专利申请中涉及西门子法的专利申请较多，而国内申请中涉及冶金法的专利申请较多。

用于太阳电池的活性材料及其制造工艺主要集中在日本、德国、美国和韩国。

在全球专利申请量中，申请量居前列的公司包括住友、夏普、三菱、西门子、松下、川崎制铁、佳能、京瓷、瓦克和德山等（注：数据来源于中国专利检索数据库，公司名称统一采用简称）。

重点生产厂商都侧重于多晶硅制造技术，松下主要侧重于化合物材料制造，佳能主要侧重于多晶硅薄膜的制造。

在多晶硅工艺方面，京瓷主要侧重于多晶硅后续加工，如铸锭等方面。

住友在各个主要技术分支的发展较均衡，但更侧重于对西门子法的完善和改进，同时也在积极研究金属还原法。

１　多晶硅制备技术
近年来光伏产业飞速发展，多晶硅制备技术的相关专利年平均增长率超过４０％。

目前世界大部分多晶硅生产厂商主要还是采用改良西门子法进行生产，这表明改良西门子法仍是目前较成熟的多晶硅制造方法。

除了改良西门子法外，当前出现了很多新的多晶硅制造工艺，其中一个热点工艺是冶金法制造多晶硅。

国外在华专利申请中，冶金法的专利申请量在总量中位居第二，一些主要厂商如川崎制铁、住友等也积极开发此方法。

冶金级硅的纯度不如传统西门子法制造的多晶硅纯度高，使用冶金级硅制造的太阳电池衰减也较严重，其使用寿命还没有得到验证，但成本优势明显。

道康宁和西日本制铁公司所正在用冶金法试生产高纯冶金多晶硅，用其制造的多晶硅太阳电池的转换效率可达１５％。

其中重要专利包括佳能的冶金法ＣＮ１００３４１７８０Ｃ、三菱的硅烷法ＪＰ３８６４６９３Ｂ２及金属还原法ＪＰ３８４４８５６Ｂ２以及日本德山公司的西门子法ＣＮ１００４３６３１５Ｃ、ＣＮ１２３０３７９Ｃ、ＣＮ１００３４７０８３Ｃ，川崎制铁公司的冶金法ＣＮ１０９２６０２Ｃ、ＪＰ３２０５３５２Ｂ２、ＪＰ１７３３９８６Ｃ，美国Ｈｅｍｌｏｃｋ公司的ＥＰ３３４６６４Ｂ１、ＥＰ１３９２６０１Ｂ１。

２　太阳电池技术
全球太阳电池技术发展迅猛，专利申请的技术重点主要是薄膜太阳电池相关技术，同时染料敏化太阳电池相关技术也是近几年的研究热点。

在专利技术申请方面，我国的技术方向与国外基本一致。

技术分支较全面，主要集中在薄膜太阳电池相关技术方面。

同时，在近年来备受关注的染料敏化太阳电池方面的研究也较活跃。

其中北京行者公司、李毅（申请人）和南开大学的研究重点为薄膜太阳电池；彩虹集团公司、复旦大学、清华大学和中科院长春应用化学研究所在染料敏化太阳电池领域的研究较活跃；常州天合公司的研究则主要集中在晶体硅太阳电池相关技术；此外，中科院长春应用化学研究所对有机太阳电池的关注度较高。

太阳电池领域全球专利申请中，日本申请人在该领域处于绝对优势地位，在申请量上已经基本处于垄断地位。

夏普和三菱自１９９９年开始，专利申请量迅速增长，在近几年一直保持发展势头。

各主要厂商分别侧重于不同技术领域，目前主要生产厂商都非常注重在薄膜太阳电池领域的技术开发，尤其是佳能、三洋和松下，基本上全部研发重心都放在薄膜太阳电池领域，夏普和三菱的发展都为全面，在晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池以及有机聚合物太阳电池４个技术领域均有一定数量的专利申请，其中夏普在晶体硅太阳电池方面的实力最强，而三菱则在染料敏化太阳电池和有机聚合物太阳电池领域略强于夏普。

太阳电池领域的重要专利也主要集中于日本，如佳能、三洋、夏普等公司。

其中晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池技术的专利申请起源都较早，因此基础性的专利都已经超过保护期限，重要专利均为改进型专利技术；染料敏化太阳电池是太阳电池领域中较新的一个研究分支，是目前全球专利申请的技术热点。

其中重要的专利包括佳能的叠层结构ＵＳ６１８０８７０Ｂ１、ＵＳ６３８３５７６Ｂ１、衬底／电极ＣＮ１０９６７１３Ｃ、ＵＳ５５０００５５Ａ以及成膜方法／设备ＥＰ０８２８３０１Ｂ１等；夏普的衬底／电极ＣＮ１００４７２８１７Ｃ、钝化膜／抗反射ＥＰ１８１６６８３Ｂ１、染料敏化太阳电池ＪＰ１０６３８０２Ｂ２等；三菱的叠层结构ＣＮ１００４３５３５７Ｃ；松下的叠层结构ＵＳ６４４１３０１Ｂ１及染料敏化太阳电池ＵＳ７２５６１４７Ｂ２。

国内申请人分别具有不同的技术重点。

在晶体硅太阳电池技术方面，无锡尚德的发明专利申请主要包括晶体硅太阳电池电极制绒和镀减反射膜工艺；常州天合的专利申请涵盖晶体硅太阳电池的衬底、电极的设计等；阿特斯的专利申请主要涉及太阳电池的抗反射及钝化工艺。

在薄膜太阳电池技术方面，叠层结构方面专利申请较活跃的主要申请人有南开大学、北京行者以及李毅，其中南开大学和李毅在薄膜太阳电池方面的专利技术较全面，涵盖了衬底、电极以及叠层结构的设计，还有制造电池的方法和设备，北京行者的专利申请则主要集中在电池的电极和叠层结构方面。

３　硅基薄膜太阳电池技术
作为光伏行业的另一重要分支，薄膜太阳电池近年来得到快速发展，目前已达到实用化的薄膜太阳电池是硅基薄膜电池、碲化镉（ＣｄＴｅ）薄膜电池、铜铟镓硒（ＣＩＧＳ）薄膜电池。

其中硅基薄膜太阳电池具有更多优势，因而成为薄膜光伏市场的主流。

硅基薄膜电池品种多，只需改变气相成分可制备各种硅基单结电池和叠层结构电池。

材料结构上包括非晶硅、微晶硅；电池结构上包括非晶硅单结、非晶硅／非晶硅双结叠层、非晶硅／微晶硅双结叠层电池，还包括以硅为基础的各种合金材料和电池等。

例如非晶硅锗叠层电池，这个组合可扩宽光波谱吸收率，提升能源转换效率，与传统的非晶硅单结太阳电池相比提升了约５０％，但仍不及晶体硅太阳电池的转换效率。

国内申请和国外在华申请中，薄膜太阳电池的申请量最大（分别占３２．６％、３５．８％），主要申请人为佳能、三洋和松下，其基本上全部研发重心都放在薄膜太阳电池领域。

国内薄膜太阳电池技术主要从材料组分控制、衬底材料及薄膜淀积生长设备等方面进行研发。

４　染料敏化太阳电池技术
染料敏化太阳电池在中国的专利申请量从２０００年以后明显增加，在国内申请和国外在华申请中所占比例分别为２４．１％和１９．２％，仅次于晶体硅太阳电池技术。

在此技术领域中，韩国三星公司的染料敏化太阳电池方法的专利申请量远高于其他主要申请人。

在该领域的专利申请中，国内申请量排名前十的申请人有彩虹集团、复旦大学、清华大学以及中科院长春应用化学研究所等。

５　有机半导体太阳电池技术
在有机半导体太阳电池技术领域，日本、欧美国家研发时间较长。

夏普和三菱在有机半导体太阳电池技术领域均有一定数量的专利申请，中科院长春应用化学研究所对有机太阳电池的关注度较高，共提交了１１件相关专利申请。

６　光伏组件技术
光伏组件技术的发展伴随着太阳电池技术的发展而持续推进，在这方面主要集中了日本、美国和德国等发达地区的专利申请，其中以日本的专利申请数量最多，而且专利申请量居前列的几乎全为日本申请人。

总体来看，日本在光伏组件技术方面占据优势地位，美国、德国等地区也具有雄厚的实力。

中国地区光伏组件技术方面的专利申请量近十年增长快速，然而国内专利申请的主体是实用
新型，发明专利申请的数量不足，通过ＰＣＴ途径提交的发明专利申请更少；另外国内专利申请的分布区域较为集中，但申请人较为分散，尤其科研机构及个人所占比例较大。

在光伏组件重要技术分支的研发上，国内外申请人的侧重点不同，国外申请和国外在华申请中以互连技术和封装技术的申请量居多；而国内申请中聚光技术和封装技术的比例较多，尤其以聚光技术最多；对于封装技术，国内申请人主要集中在封装工艺方面提出申请，而在封装材料方面的申请相对较少。

其中重要的专利包括佳能的互连技术ＣＮ１２２７７４７Ｃ、封装技术ＵＳ５７２８２３０Ａ；夏普的互连技术、保护技术ＵＳ５３３０５８３Ａ；三洋的封装技术、保护技术ＵＳ６５５２２５８Ｂ２、聚光技术ＪＰ３７３８１２９Ｂ２等。

（１）　先进封装材料制造技术
封装技术方面的专利申请侧重于制造工艺，重要专利包括将旁路二极管集成在太阳电池片内部的专利ＵＳ６３５９２１０Ｂ２、在太阳电池片与背膜之间增加绝缘树脂片的专利ＣＮ１１９４４２１Ｃ等。

光伏组件对于高耐候性和高阻隔性的需求使封装材料的发展极其迅速，然而目前来看光伏组件的封装材料特别是背膜材料尚存在电气性能、阻隔性与耐候性不高的情况，这都严重影响了光伏组件的电性能与工作寿命。

杜邦、普利司通等公司在封装材料制造方面占有相当优势的地位。

（２）　聚光光伏组件技术
采用聚光技术提高照射在光伏组件表面上的太阳光能量，可提高光伏组件单位面积的光电转换效率，同时降低太阳电池片本身的材料用量，有利于产生更多电能并且降低组件成本。

然而，目前聚光光伏技术存在太阳电池温度升高导致光电转换效率下降以及光伏发电系统复杂度提升的问题，这些问题成为制约聚光光伏发电发展的障碍，导致产业化的实现存在困难。

聚光光伏组件技术的专利申请量较少，可在此基础上继续深入研究聚光光伏技术。

该技术领域的研究重点在于解决光伏与光热综合利用，提高太阳电池转换效率的同时有效回收所产生的热量。

三　结论
本文从专利领域对光伏技术发展现状及其发展趋势进行了分析，结合我国太阳电池技术领域的产业现状、发展目标和发展趋势，得出以下结论：
（１）　太阳电池技术应注重向光伏转换理论、光谱选择性机理、材料工艺特性、产品性能检测与仿真、生产装置等技术领域的发展。

（２）　多晶硅技术仍可持续发展，薄膜太阳电池和染料敏化电池将成为重点突破的技术领域。

薄膜太阳电池领域如铜铟镓硒薄膜太阳电池作为新兴的薄膜太阳电池，具有生产成本低、污染小、不衰退、弱光性能好、光电转换效率高等显著特点，在应用上可与晶体硅电池形成良好的互补，应该加大研究开发力度。

（３）　西门子法多晶硅制造技术的研发重点在反应器及尾气回收利用等方面；冶金法多晶硅制造技术的研发重点在转换效率方面；化合物材料制造技术的研发重点在Ｉ－ＩＩＩ－ＶＩ族化合物，如ＣＩＧＳ、ＣＩＳ；多晶硅薄膜制造技术的研发重点是材料组分控制、衬底材料及薄膜淀积生长设备等方面；而薄膜太阳电池技术的研发重点为衬底的材料和结构、电极的材料和结构、叠层结构以及制造电池的方法和设备等方面；染料敏化太阳电池技术的研发重点为新材料、新工艺方面；有机聚合物太阳电池技术的研发重点是材料的转换效率；光伏组件的研发重点在于封装技术和聚光技术方面。

　注：本文数据来源中国专利检索数据库。