異質(zhì)結(jié)太陽能電池專利技術(shù)分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心　周忠饒

異質(zhì)結(jié)太陽能電池專利技術(shù)分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心周忠饒

本文針對CNABS和VEN兩大數(shù)據(jù)庫中的異質(zhì)結(jié)太陽能電池專利進(jìn)行統(tǒng)計，首先分析了近年來異質(zhì)結(jié)太陽能電池專利申請量的走勢，以及異質(zhì)結(jié)太陽能電池的主要研究方向，并進(jìn)一步重點分析了國內(nèi)外質(zhì)結(jié)太陽能電池專利的主要申請人，并且還分析了在異質(zhì)結(jié)太陽電池方面的研究領(lǐng)域靠前的幾個國家，通過分析有助于了解國內(nèi)外異質(zhì)結(jié)太陽能電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對我國更進(jìn)一步發(fā)展異質(zhì)結(jié)太陽能電池技術(shù)具有指導(dǎo)作用。

異質(zhì)結(jié)；太陽能電池；專利；CNABS；VEN

1.技術(shù)起源

傳統(tǒng)的基于同質(zhì)PN結(jié)技術(shù)的硅基太陽能電池突顯出成本高、效率低、對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。各種新的概念及其技術(shù)的引入成為解決上述問題的途徑，構(gòu)成了第三代太陽能電池的雛形，其中異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)就是解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)，成為硅基太陽能電池最重要的發(fā)展方向之一，也是實現(xiàn)第三代太陽能電池構(gòu)想的支撐技術(shù)之一。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)是由兩種禁帶寬度不同的半導(dǎo)體材料相接觸形成的過渡區(qū)。1974年a-Si：H/c-Si異質(zhì)結(jié)電池第一次被提出。直到1983年，Y. Hamakawa 等人才制作了第一塊轉(zhuǎn)換效率為12.37%的a-Si：H/c-Si異質(zhì)結(jié)電池。后來W. Ma 以此為基礎(chǔ)，研制了轉(zhuǎn)換率為21%的“Honeymoon”疊層電池。1992年，日本人Makoto Tanaka 和Mikio Taguchi等人首次提出將異質(zhì)結(jié)技術(shù)應(yīng)用到硅基太陽能電池的制備過程中。此后，異質(zhì)結(jié)技術(shù)與太陽能電池的結(jié)合成了太陽能電池新的研究方向。

異質(zhì)結(jié)太陽能電池具有以下優(yōu)點：

（1）有利于寬譜帶吸收，從而提高效率。通過與晶體硅禁帶寬度不同的材料構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，可展寬對太陽光的吸收譜，從而實現(xiàn)寬譜帶吸收的目的；

（2）增加內(nèi)建電場，提高注入效率。相對于同質(zhì)結(jié)太陽能電池，異質(zhì)結(jié)具有更大的內(nèi)建電場，使注入結(jié)兩側(cè)的非平衡少了電流增加，從而增加開路電壓和短路電流；

（3）減少原料硅消耗，降低成本。異質(zhì)結(jié)的發(fā)展使薄膜技術(shù)應(yīng)運而生，從而能夠?qū)㈦姵厣L在低成本的玻璃、陶瓷甚至柔性襯底上。

2.異質(zhì)結(jié)太陽能電池專利申請趨勢

首先針對CNABS（中國專利文摘數(shù)據(jù)庫，China Patent Abstract Database）和VEN（外文數(shù)據(jù)庫，Virtual or Logical Database）兩大數(shù)據(jù)庫中關(guān)于異質(zhì)結(jié)太陽能電池的申請量按年份進(jìn)行統(tǒng)計分析。圖1是專利申請量走勢圖，縱坐標(biāo)代表專利申請的件數(shù)，橫坐標(biāo)代表專利申請的年份，由圖1可以看出，從2004年開始國際申請量開始急劇上升，說明從2004年開始越來越多的人開始關(guān)注異質(zhì)結(jié)太陽電池，而國內(nèi)申請量是從2008年后才開始以較快的速度上升，主要原因是從2008年開始我國政府開始鼓勵和提倡發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，從而吸引眾多企業(yè)投身到光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中來?？傮w來看，國外的申請量還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)的申請量。

分別在VEN和CNABS中對異質(zhì)結(jié)太陽能電池相關(guān)的專利的IPC分類號進(jìn)行了統(tǒng)計。從圖2和圖3可以看出，國內(nèi)的申請涉及最多的前三個分類為：H01L31/18，H01L31/0352，H01L51/42，而這幾個分類號分別對應(yīng)太陽能電池的制造方法、太陽能電池組件以及使用有機材料或有機與其他材料的組合作有源部分的固態(tài)器件，而國外的申請涉及最多的是前三個分類號為：H01L31/18，H01L31/075，H01L31/04，分別對應(yīng)于電池的制造方法及其設(shè)備、金屬層的制造、半導(dǎo)體制造等。通過對圖2和圖3的分析我們可以看到，人們致力于研究合適的異質(zhì)結(jié)太陽電池材料以及其制造方法，希望能獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。

圖1　專利申請量走勢圖

圖2　國內(nèi)申請量主要分類號

圖3　國外申請量主要分類號

3.關(guān)于國內(nèi)外異質(zhì)結(jié)太陽能電池專利的主要申請人分析

同樣通過在VEN和CNABS數(shù)據(jù)庫中對國內(nèi)外異質(zhì)結(jié)太陽能電池專利的申請人進(jìn)行統(tǒng)計，從國外申請的統(tǒng)計情況來看，主要是以企業(yè)為主，如日本的FUJITU公司、MATUSHITA ELECTRIC IND公司、HITACH公司以及TOSHIBA公司等。由此可見，在全球范圍內(nèi)來看，企業(yè)為異質(zhì)結(jié)太陽電池的發(fā)展起到了巨大的推動作用，尤其以日本更為突出，可以看出日本企業(yè)在異質(zhì)結(jié)太陽電池領(lǐng)域具有很強的實力。另外，也有一些科研機構(gòu)也在異質(zhì)結(jié)太陽電池的發(fā)展歷程中占據(jù)了一席之地。

對于國內(nèi)申請人的統(tǒng)計情況來看，情況與國外申請的情況恰好相反，在國內(nèi)有關(guān)異質(zhì)結(jié)太陽電池方面的申請主要是以：中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所、中國科學(xué)院電子研究所、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)等為代表的科研機構(gòu)或高校為主。這主要與我國異質(zhì)結(jié)太陽電池的起步較晚有關(guān)，雖然說起步晚，但近些年來國家大力投入和支持光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，所以作為科研力量的先鋒部隊像中國科學(xué)院、中國電子科技集團(tuán)、清華大學(xué)等，自然在異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究方面走在了前面。近些年來，除了科研機構(gòu)和高校至于異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究外，一些國內(nèi)的高新科技企業(yè)也投身到異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究中來，如國光光伏有限公司、蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司、山東力諾太陽能電力股份有限公司等，但相對國外來講數(shù)量偏少技術(shù)起步較晚，不過隨著企業(yè)不斷的發(fā)展壯大，相信在不久的將來，在關(guān)于異質(zhì)結(jié)太陽電池的研究領(lǐng)域也會有中國企業(yè)的一席之地。

通過在VEN中對案件的國籍進(jìn)行統(tǒng)計，最后得出的結(jié)論是，在關(guān)于異質(zhì)結(jié)太陽電池方面的研究日本較為突出，緊隨其后的是美國、中國、韓國、臺灣、歐洲，這與整個半導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)展情況基本一致。雖然我國在異質(zhì)結(jié)太陽電池方面的研究起步較晚，但由于近些年國家的大力投入和鼓勵，加上一些企業(yè)的積極參與，因此，近年來我國在異質(zhì)結(jié)太陽電池方面的發(fā)展勢頭迅猛，正在向著太陽能電池技術(shù)大國的方向穩(wěn)步前進(jìn)。而國內(nèi)的異質(zhì)結(jié)太陽電池方面的申請主要集中分布在像江蘇、上海、廣東、北京等經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)，這主要是因為這些省份中經(jīng)濟相對與其他省份發(fā)達(dá)、高校和科研機構(gòu)較多、且能參與研發(fā)與制造的企業(yè)也多。

4.小結(jié)

異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)在新型硅基太陽能電池領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)前研究的熱點。將異質(zhì)結(jié)應(yīng)用到晶體硅和薄膜硅太陽能電池中，能有效地增加對不能被硅材料吸收波段的太陽光的吸收，提高硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。然而，由于異質(zhì)結(jié)的引入帶來的晶體硅電池的性能穩(wěn)定性、工藝兼容性問題，以及薄膜硅電池的異質(zhì)結(jié)界面問題仍然有待解決，進(jìn)一步的工藝改進(jìn)和新材料、新結(jié)構(gòu)的剪切與設(shè)計成為可能的解決方案，通過對異質(zhì)結(jié)界面控制、工藝參數(shù)優(yōu)化及理論數(shù)擬等方面的深入研究，可以實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換效率，從而推動異質(zhì)結(jié)及其技術(shù)與新型硅基太陽能電池更廣泛的融合。

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