基于專(zhuān)利的可印刷柔性太陽(yáng)能電池發(fā)展趨勢(shì)

張志娟，趙志耘，張 旭，趙蘊(yùn)華

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038)

可印刷柔性太陽(yáng)能電池柔性、大面積化及低成本的特點(diǎn)，符合太陽(yáng)能電池發(fā)展的趨勢(shì)。印刷電子是基于印刷原理的電子制造技術(shù)，將有機(jī)或無(wú)機(jī)材料電子器件印刷到柔性、可延性塑料或薄金屬基板上。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是通過(guò)印刷的方式，把一些功能材料以油墨的形式印刷或沉積到承印物上，形成導(dǎo)電的線(xiàn)路。印刷電子技術(shù)具有低成本、工藝簡(jiǎn)單、可大面積制備及柔性等特點(diǎn)，還能降低制備時(shí)的能量消耗［1－2］。

可印刷柔性太陽(yáng)能電池是印刷電子領(lǐng)域的重要應(yīng)用方面。柔性太陽(yáng)能電池運(yùn)用了成熟的高速報(bào)紙印刷卷對(duì)卷技術(shù)，將半導(dǎo)體材料印刷到覆蓋在卷筒表面的導(dǎo)電塑料或不銹鋼箔片上，印刷技術(shù)節(jié)約了昂貴的原材料，并可在常壓環(huán)境下生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本?？捎∷⑻?yáng)能電池的印刷制備工藝涉及旋涂、刮刀、絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等;可應(yīng)用到太陽(yáng)能背包、太陽(yáng)能敞篷、太陽(yáng)能手電筒、太陽(yáng)能汽車(chē)、太陽(yáng)能帆船甚至太陽(yáng)能飛機(jī)上?？捎∷⑷嵝蕴?yáng)能電池的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是光伏建筑一體化，它可以集成在窗戶(hù)或屋頂、外墻或內(nèi)墻上?？捎∷⑷嵝蕴?yáng)能電池技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及日常生活和建筑等方面，覆蓋面廣，發(fā)展前景廣闊［3－4］。

IDTechEx公司研究顯示［5－7］:2009 年全球印刷電子市場(chǎng)的產(chǎn)值為19億美元，有35%的電子產(chǎn)品通過(guò)印刷的方式生產(chǎn);預(yù)計(jì)到2020年，印刷電子市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)570億美元，有83%的產(chǎn)品將被印刷，其中75%的產(chǎn)品是在柔性承印物上生產(chǎn)的?？捎∷⑻?yáng)能電池是印刷電子領(lǐng)域的重要應(yīng)用方面，未來(lái)可印刷太陽(yáng)能電池的市場(chǎng)規(guī)模約為170億美元。

可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)前景廣闊，由于發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，利用專(zhuān)利等事實(shí)型數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文作者以美國(guó)科學(xué)情報(bào)研究所(ISI)出版的Derwent Innovation Index(DII)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)來(lái)源，利用主題與專(zhuān)利分類(lèi)號(hào)相結(jié)合的方式，檢索下載了可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)利。

數(shù)據(jù)下載時(shí)間為2012年12月3日，用TDA、Excel等統(tǒng)計(jì)與分析軟件進(jìn)行分析。專(zhuān)利從申請(qǐng)到公開(kāi)有18個(gè)月的滯后期，因此2011、2012年的數(shù)據(jù)僅供參考。

1 總體趨勢(shì)

全球可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前10位的如圖1所示。

圖1 全球可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前10位Fig.1 Top 10 of printed and flexible solar cells technology

從圖1可知，美國(guó)在該技術(shù)方面的專(zhuān)利數(shù)量位居第1;日本位列第2;中國(guó)居于第3位;韓國(guó)、德國(guó)緊隨其后。

圖2為可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前5位的專(zhuān)利逐年申請(qǐng)情況。

圖2 可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前5位的逐年申請(qǐng)的情況Fig.2 Top 5 of printed and flexible solar cells technology patents by year

從圖2可知，日本對(duì)該技術(shù)研究得較早;進(jìn)入21世紀(jì)后，各國(guó)非常重視該技術(shù)的研發(fā)，專(zhuān)利申請(qǐng)量高速增長(zhǎng)。

圖3為全球可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利(族)逐年申請(qǐng)情況。

圖3 可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利逐年申請(qǐng)的情況Fig.3 Number of printed and flexible solar cells technology patents by year

從圖3可知，自2000年以來(lái)，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)顯著上升的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明該技術(shù)至此受到各方廣泛關(guān)注，主要原因是人們對(duì)未來(lái)新能源的憂(yōu)慮。

一般而言，技術(shù)的發(fā)展需要經(jīng)過(guò)4個(gè)階段:①技術(shù)孕育期，早期技術(shù)萌芽期，企業(yè)進(jìn)入意愿低，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)人數(shù)量均很少;②技術(shù)成長(zhǎng)期，此時(shí)產(chǎn)業(yè)技術(shù)有突破或廠(chǎng)商對(duì)市場(chǎng)價(jià)值有了認(rèn)知，競(jìng)相投入發(fā)展，專(zhuān)利申請(qǐng)量與專(zhuān)利權(quán)人數(shù)急速上升;③技術(shù)成熟期，廠(chǎng)商投資于研發(fā)的資源不再擴(kuò)張，只剩少數(shù)繼續(xù)發(fā)展該技術(shù)，且其他廠(chǎng)商進(jìn)入此市場(chǎng)的意愿低，專(zhuān)利申請(qǐng)量與專(zhuān)利權(quán)人數(shù)成長(zhǎng)逐漸減緩;④技術(shù)瓶頸期，產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)遇瓶頸難以突破或此類(lèi)產(chǎn)業(yè)已成熟，專(zhuān)利申請(qǐng)量與專(zhuān)利權(quán)人數(shù)呈負(fù)增長(zhǎng)［8］。

可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)的生命周期見(jiàn)圖4。

圖4 可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)的生命周期Fig.4 Life cycle of printed and flexible solar cells technology

從圖4可知，該技術(shù)在1963－2000年處于萌芽期，研發(fā)剛開(kāi)始，技術(shù)處于探索階段，專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量及專(zhuān)利權(quán)人均較少，申請(qǐng)的多為基礎(chǔ)性專(zhuān)利;2001－2010年，進(jìn)入技術(shù)生長(zhǎng)期，開(kāi)始持續(xù)快速發(fā)展，專(zhuān)利的申請(qǐng)數(shù)量和專(zhuān)利權(quán)人數(shù)均迅速增加，投入與產(chǎn)出均大幅提高，參與企業(yè)不斷增加，競(jìng)爭(zhēng)日益加劇。

2 技術(shù)重點(diǎn)

可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利排名前10位的IPC(國(guó)際專(zhuān)利分類(lèi))小類(lèi)分布見(jiàn)圖5。

圖5 可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)排名前10位的IPC小類(lèi)專(zhuān)利申請(qǐng)情況Fig.5 Patent applications of IPC subclasses(Top 10)

從圖5可知，該技術(shù)專(zhuān)利主要集中在電學(xué)領(lǐng)域(H部，包括H01L、H01B、H05K、H05B)的半導(dǎo)體器件、導(dǎo)電材料及印刷電路，其次是化學(xué)、冶金領(lǐng)域(C部，包括 C08G、C09K、C08L、C09D)的高分子化合物、涂料組合物及應(yīng)用材料;另外還有作業(yè)、運(yùn)輸領(lǐng)域(B部，包括B32B、B05D)的制造工藝。半導(dǎo)體器件(H01L)方面排名第1位，且遠(yuǎn)高于其他類(lèi)別，說(shuō)明是該技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利排名前10位的IPC大/小組見(jiàn)圖6。

圖6 可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)排名前10位的IPC大/小組的專(zhuān)利申請(qǐng)情況Fig.6 Patent applications of IPC subgroups(Top 10)

從圖6可知，H01L-031/18［制造或處理這些器件或其部件所特有的方法或設(shè)備(非特有的方法或設(shè)備入)］、H01L-031/04(用作轉(zhuǎn)換器件的)、H01L-031/042(包括光電池板或陣列，如太陽(yáng)電池板或陣列)等3方面的專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前3位，且數(shù)量遠(yuǎn)多于其他的技術(shù)類(lèi)別，說(shuō)明該技術(shù)涉及的設(shè)備及器件是研究重點(diǎn)。

3 機(jī)構(gòu)情況

圖7反映了基于機(jī)構(gòu)活躍度的專(zhuān)利數(shù)量分布情況，圖中每塊扇形代表每一類(lèi)機(jī)構(gòu)申請(qǐng)專(zhuān)利數(shù)量之和。

圖7 基于機(jī)構(gòu)活躍度的專(zhuān)利數(shù)量分布圖Fig.7 Patent distribution based on organization activity

從圖7可知，擁有專(zhuān)利量21件以上機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利總和，占該技術(shù)專(zhuān)利總量的17%;擁有專(zhuān)利量6－20件機(jī)構(gòu)的總和，占到該技術(shù)專(zhuān)利總量的25%;擁有專(zhuān)利量為1－5件的小型企業(yè)專(zhuān)利總量占58%。這表明，該技術(shù)的專(zhuān)利技術(shù)比較分散，小型企業(yè)也掌握大量的專(zhuān)利技術(shù)。

可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名前20位的機(jī)構(gòu)列于表1。

從表1可知，日本企業(yè)占據(jù)了最大的份額，在專(zhuān)利量排名前20位的企業(yè)中有11家，另有8家分別為美國(guó)、德國(guó)和韓國(guó)的企業(yè)，中國(guó)的彩虹集團(tuán)公司排名第20位;整體而言，美國(guó)、日本在該技術(shù)領(lǐng)域居于領(lǐng)跑位置。榜上有名的研究機(jī)構(gòu)幾乎均為大企業(yè)，說(shuō)明國(guó)際知名大企業(yè)是目前可印刷柔性太陽(yáng)能電池研發(fā)的主力軍。

表1 全球可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量排名前20位的機(jī)構(gòu)Table 1 Research productivity of the organizations in the world wide(Top 20)

4 技術(shù)與研究人員趨勢(shì)

可印刷柔性太陽(yáng)能電池的年度發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)圖8。

圖8 可印刷柔性太陽(yáng)能電池的年度發(fā)展趨勢(shì)Fig.8 Development trend of printed and flexible solar cells technology by year

從圖8可知，伴隨著2000年左右開(kāi)始的高速發(fā)展，新技術(shù)快速涌現(xiàn)，新研究人員不斷加入，該技術(shù)的研究很受關(guān)注，表明國(guó)際上對(duì)可印刷柔性太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的前景看好。隨著技術(shù)的逐步成熟及商業(yè)化的推進(jìn)，新專(zhuān)利技術(shù)有可能出現(xiàn)短暫的回落，之后仍會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的局面。

5 小結(jié)

本文作者通過(guò)專(zhuān)利分析發(fā)現(xiàn)，可印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)正處在技術(shù)生長(zhǎng)期，并保持持續(xù)快速發(fā)展。專(zhuān)利的申請(qǐng)數(shù)量和專(zhuān)利權(quán)人數(shù)均迅速增加，投入與產(chǎn)出均大幅提高，參與企業(yè)不斷增加，競(jìng)爭(zhēng)日益加劇。新技術(shù)和新增研究人員也整體呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明該技術(shù)一段時(shí)期內(nèi)的持續(xù)增長(zhǎng)和激烈競(jìng)爭(zhēng)。從國(guó)別上看，美國(guó)、日本處于領(lǐng)跑地位，中國(guó)迅速崛起，居于第3位，韓國(guó)、德國(guó)緊隨其后，排名前列的國(guó)家以東亞國(guó)家居多，歐洲國(guó)家中，德國(guó)的實(shí)力最強(qiáng)。從專(zhuān)利數(shù)量的廠(chǎng)商排名來(lái)看，日本廠(chǎng)商占據(jù)優(yōu)勢(shì)，在專(zhuān)利量排名前20位的企業(yè)中占據(jù)11家;另有8家分別為美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)的企業(yè)，中國(guó)的彩虹集團(tuán)公司排名第20位。從研究機(jī)構(gòu)類(lèi)型看，榜上有名的研究機(jī)構(gòu)幾乎均為大企業(yè)，國(guó)際知名大企業(yè)是目前該研發(fā)的主力軍。

各國(guó)印刷柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)在一系列政策措施的積極推動(dòng)下，整體呈現(xiàn)良好的增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)各國(guó)積極布局，不斷追求新的技術(shù)突破，以搶占競(jìng)爭(zhēng)高位。

［1］HE Zuo-xiu(何祚庥).大力發(fā)展“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)，應(yīng)對(duì)“碳減排”的挑戰(zhàn)［J］.Battery Bimonthly(電池)，2009，39(6):324－329.

［2］CUI Zheng(崔錚).印刷電子學(xué)［M］.Beijing(北京):Higher Education Press(高等教育出版社)，2012.

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