銅鋅錫硫系薄膜太陽電池的專利分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 ■ 王倩天津大學(xué) ■ 王萍

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銅鋅錫硫系薄膜太陽電池的專利分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 ■ 王倩*天津大學(xué) ■ 王萍

摘 要：銅鋅錫硫(CZTS)系薄膜太陽電池因其高吸收系數(shù)、適宜的帶隙寬度而成為太陽電池領(lǐng)域非常有前途的光吸收層材料。本文針對CZTS系薄膜太陽電池進行專利技術(shù)綜述的分析，對國內(nèi)外專利申請情況進行梳理，為國內(nèi)薄膜太陽電池研究發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：銅鋅錫硫；薄膜太陽電池；專利分析

0 引言

目前，光伏市場增長最快的是薄膜光電技術(shù)，其中銅銦鎵硒(CIGS)電池因光電轉(zhuǎn)換效率最高而備受關(guān)注[1]。但由于CIGS電池需要消耗In、Ga等稀有金屬，銅鋅錫硫(CZTS)系被認為是最有潛力的替代材料?？紤]到真空制備CZTS的高成本，IBM公司的Todorov T K團隊在設(shè)計解決該問題的重要發(fā)明[2]中提供了一種基于聯(lián)氨的Cu2ZnSn(Se, S)4的制備方法，并獲得9.6%的光電轉(zhuǎn)換效率[3]，性能上的提高使得這種材料體系可直接應(yīng)用于工業(yè)。

1 銅鋅錫硫太陽電池專利技術(shù)的整體申請情況

1.1專利申請量趨勢分析

本文以關(guān)鍵詞結(jié)合分類號的方式，分別在中文數(shù)據(jù)庫CNABS，外文數(shù)據(jù)庫VEN、USTXT、EPTXT、WOTXT進行檢索，檢索時間截止到2014年1月1日。

圖1為CZTS系太陽電池全球及在華專利申請趨勢圖。其中，在華專利申請為國內(nèi)外申請人在中國的專利申請?？煽闯觯谌A專利申請趨勢與全球?qū)＠暾埖内厔荼３忠恢?。其中?007年以前全球及在華專利申請均較少；從2007年開始，申請量出現(xiàn)增長；自2009年以后，全球以及在華的專利申請增長極為迅速并保持逐年遞增的趨勢，這主要是因為CZTS的各元素含量豐富、無毒且廉價而成為CIGS的理想替代材料，因此各國將研究重點轉(zhuǎn)移到以CZTS作為光吸收層的太陽電池中；而全球申請在2013年、在華申請在2012～2013年申請量的下降，則可能與部分專利未公開有關(guān)，在此不作為主要數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。從圖1中不難預(yù)測，隨著太陽電池行業(yè)的不斷發(fā)展創(chuàng)新及國內(nèi)外市場競爭的不斷加劇，CZTS在太陽電池的應(yīng)用將會越來越重要，今后對其制備方法、轉(zhuǎn)化效率等的研究仍將持續(xù)保持熱度，該領(lǐng)域的專利申請量也將保持持續(xù)穩(wěn)步增長的狀態(tài)。

圖1　CZTS系薄膜太陽電池全球及在華專利申請趨勢

1.2 專利申請產(chǎn)出國和申請人分布

通過對CZTS系薄膜太陽電池專利申請產(chǎn)出國的統(tǒng)計(如圖2所示)可看出，以美國、中國(臺灣占6%)、日本、韓國、德國為代表的國家或地區(qū)擁有較多的原創(chuàng)技術(shù)。其中，美國的申請量遠高于其他國家，展示了其在該領(lǐng)域較強的研發(fā)和技術(shù)實力，這與CZTS的研究歷史及國家對科技研發(fā)的重視、現(xiàn)有市場份額呈現(xiàn)出較好的對應(yīng)性。

圖2　專利申請產(chǎn)出國分布

通過進一步研究中國申請技術(shù)分支(如圖3所示)發(fā)現(xiàn)，中國的專利申請中關(guān)于CZTS系電池制備的專利僅占到全部專利的33%，而僅涉及CZTS系材料制備方法的專利則占到全部專利的65%，關(guān)于CZTS系材料用途等其他專利占2%。也就是說，中國的專利大部分集中在材料的制備方法中，而對材料的進一步開發(fā)，如制備成為薄膜電池等上游領(lǐng)域，仍需加大研發(fā)力度。這既與我國對CZTS的研究起步較晚有一定關(guān)系，也與參與研發(fā)的人員構(gòu)成有關(guān)。

圖3　中國申請技術(shù)分支分布圖

更進一步地對國內(nèi)外關(guān)于CZTS的申請人進行統(tǒng)計(如圖4所示)，可看出，中國申請人中約88%的申請來自于高校及研究院，而企業(yè)的申請量僅約占12%。中國高校及研究院的申請人中，沒有代表性的申請人，大部分高?；蜓芯吭旱纳暾埩吭?～3件之間。而中國的企業(yè)申請人中也沒有代表性的申請人，且申請量普遍較少。而國外的申請人中來自企業(yè)的申請約為51.5%，遠高于中國企業(yè)的申請，這也從一個側(cè)面說明，我國的CZTS系薄膜太陽電池實現(xiàn)市場化仍需做大量的工作和努力，同時，高校等科研院所的技術(shù)轉(zhuǎn)化還需要加強力度。

圖4　國外和中國申請人類型分布

2 結(jié)束語

文章通過對國內(nèi)外CZTS領(lǐng)域?qū)＠暾埖姆治?，能夠清晰和準確的顯示現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展狀況，為我國CZTS領(lǐng)域企業(yè)、科研院所等的研發(fā)提供一定參考和借鑒。

參考文獻

[1] 孫云, 王俊清, 杜兆峰, 等. CIS和CIGS薄膜太陽電池的研究[J]. 太陽能學(xué)報, 2001, 22 (2): 192－195.

[2] International Business Machines Corporation. Method of forming semiconductor film and photovoltaic device including the film [P].US：US2011/0094557A1, 20110428.

[3] Todorov T K, Reuter K B, Mitzi D B. High-efficiency solar cell with earth-abundant liquid-processed absorber[J]. Advanced Materials , 2010, 22: E156－E159.

III-V 族太陽電池的發(fā)展和應(yīng)用系列講座(3)

通信作者：王倩 (1986—)，女，碩士，主要從事電學(xué)發(fā)明審查部半導(dǎo)體領(lǐng)域的專利實質(zhì)審查。wq20902069@126.com

收稿日期：2015-04-03