鈣鈦礦太陽(yáng)電池專利技術(shù)概述

朱 波

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川成都，610213）

鈣鈦礦太陽(yáng)電池專利技術(shù)概述

朱 波

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川成都，610213）

鈣鈦礦太陽(yáng)電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）是由染料敏化太陽(yáng)能電池演化出來(lái)的一種新型太陽(yáng)能電池。其能夠利用有機(jī)太陽(yáng)能電池所采用的溶液法進(jìn)行制備，極大降低了生產(chǎn)成本，有望成為新能源產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)檢索到的國(guó)內(nèi)外關(guān)于鈣鈦礦太陽(yáng)電池的專利申請(qǐng)文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和梳理，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的技術(shù)概況、專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)以及專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)作了介紹，并分析了國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)人的重點(diǎn)專利，為未來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的研究和改進(jìn)提供參考。

太陽(yáng)電池；光伏；鈣鈦礦；鹵素

0　引言

近年來(lái)，面對(duì)日益加劇的能源危機(jī)以及環(huán)境污染，太陽(yáng)能作為一種重要的可再生能源，逐漸成為滿足全球能源需求的替代化石燃料的能源之一。利用光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect）制成的太陽(yáng)能電池，是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的一種主要手段，研發(fā)和生產(chǎn)高性能、低成本的太陽(yáng)能電池，是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能有效利用的重要的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

1　專利技術(shù)概況

本文對(duì)檢索得到的截至2016年6月的804篇國(guó)內(nèi)外鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域相關(guān)專利申請(qǐng)文件進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。通過(guò)對(duì)涉及鈣鈦礦太陽(yáng)電池的專利申請(qǐng)年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，如圖1所示，從2010年開(kāi)始，鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域才開(kāi)始有一定數(shù)量的專利申請(qǐng)，之后逐年上升，并在2014年和2015年達(dá)到頂峰，專利申請(qǐng)量均為300余件?？梢钥闯?，鈣鈦礦太陽(yáng)電池是一種新興的技術(shù)領(lǐng)域，正處在蓬勃發(fā)展的階段，技術(shù)領(lǐng)域整體仍然具有廣闊的發(fā)展前景。

圖1 鈣鈦礦太陽(yáng)電池相關(guān)專利申請(qǐng)量年度變化趨勢(shì)

圖2為鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的專利申請(qǐng)國(guó)家與地區(qū)分布，可見(jiàn)其中中國(guó)申請(qǐng)人提出的專利數(shù)量最多，為526件，占本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量的約65%；其他申請(qǐng)量較多的國(guó)家和地區(qū)依次為日本、韓國(guó)和美國(guó)?？梢钥闯?，我國(guó)在鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的研究，依靠國(guó)內(nèi)高校和研究所雄厚的科研資源基礎(chǔ)，已經(jīng)位于世界前列。

圖2　各國(guó)家和地區(qū)專利申請(qǐng)量比例

2　重點(diǎn)專利技術(shù)演進(jìn)

通過(guò)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的申請(qǐng)人進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出，華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、浙江大學(xué)等在本領(lǐng)域均有一定的研究實(shí)力，專利申請(qǐng)量均在15件以上，涉及鈣鈦礦材料改進(jìn)、電池結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及制備方法改進(jìn)等技術(shù)分支。

華中科技大學(xué)從2013年開(kāi)始，在鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究，主要涉及介觀鈣鈦礦太陽(yáng)電池及其制備方法。其中，該申請(qǐng)人在2013年提出了一種基于鈣鈦礦類吸光材料的介觀太陽(yáng)能電池（申請(qǐng)?zhí)枺篊N201310297115），采取全印刷的方法制備而成，采用鈣鈦礦類納米晶體作為活性吸光材料，并利用其自身的空穴傳導(dǎo)性能在介孔絕緣間隔層中形成空穴傳輸層，直接將空穴傳輸至空穴收集層中，避免了有機(jī)P型材料的使用。2014年，該申請(qǐng)人提出的一種鈣鈦礦太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)中，使用介孔p-i-n結(jié)構(gòu)框架，能夠簡(jiǎn)化制備工藝、降低制造成本，其中介孔p-i-n結(jié)構(gòu)框架由n型半導(dǎo)體層、絕緣層和p型半導(dǎo)體層依次層疊構(gòu)成，n型半導(dǎo)體層、所述絕緣層和所述p型半導(dǎo)體層均包含介孔。而在2016年，該申請(qǐng)人提出了一種鈣鈦礦太陽(yáng)電池與超級(jí)電容器集成件，將鈣鈦礦太陽(yáng)電池與超級(jí)電容器串接相連，實(shí)現(xiàn)了基于鈣鈦礦微能源器件高效光電能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)功能的統(tǒng)一。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所在鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的專利申請(qǐng)主要涉及太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。其中，該申請(qǐng)人在2014年提出了3件專利申請(qǐng)，均涉及鈣鈦礦太陽(yáng)電池中使用的碳電極。如申請(qǐng)?zhí)枮镃N201310461537的專利申請(qǐng)中提出采用多孔碳材料替代昂貴的貴金屬材料作為對(duì)電極，同時(shí)采用絲網(wǎng)印刷法代替真空鍍膜法進(jìn)行電極的制備，進(jìn)一步節(jié)約了成本。另外，在2015年，該申請(qǐng)人還提出了采用有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料的單晶切片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的納米多晶材料，作為光吸收層，并將兩個(gè)選擇性電荷接觸層分別貼合在光吸收層的兩面以構(gòu)成PN結(jié)，從而選擇性抽取和收集光吸收層產(chǎn)生的光生電荷，構(gòu)成了基于鈣鈦礦單晶的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)；這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多晶鈣鈦礦太陽(yáng)電池相比，具有較寬的光吸收范圍以及較高的電荷傳輸性能。

浙江大學(xué)在鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的研究主要涉及空穴傳輸層材料和電子傳輸層材料的選擇。該申請(qǐng)人在2014年的專利申請(qǐng)中提出，采用CdSe納米晶體或者硫化鎘納米陣列作為鈣鈦礦太陽(yáng)電池的空穴傳輸層，上述材料具有較窄的帶隙寬度，其對(duì)太陽(yáng)光的吸收光譜較寬；增大了電子傳輸層材料與光敏層材料間的界面面積，提供了連續(xù)的電子傳輸通道；相對(duì)于高溫?zé)Y(jié)，具有成本低、耗能少、易于實(shí)現(xiàn)大面積制備的優(yōu)勢(shì)。2015年，該申請(qǐng)人又在一項(xiàng)專利申請(qǐng)（CN201510930766）中提出一種新型的星形分子Trux-OMeTAD及其衍生物作為鈣鈦礦太陽(yáng)電池的空穴傳輸層，制備的鈣鈦礦太陽(yáng)電池具有較高的開(kāi)路電壓VOC，較高的短路電流JSC，較高的填充因子，能量轉(zhuǎn)換效率最高為18.8%，較為接近目前鈣鈦礦太陽(yáng)電池的最高轉(zhuǎn)化效率。

鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域重要的國(guó)外申請(qǐng)人主要集中在韓國(guó)和日本。其中，韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究院（KRICT）在其2006年申請(qǐng)的專利（申請(qǐng)?zhí)枺篧O2015KR08103）中提出了一種采用硫族化物加合物的鈣鈦礦太陽(yáng)電池，在傳統(tǒng)的鈣鈦礦吸光材料中引入DMSO等酸性化合物，增強(qiáng)了鈣鈦礦材料的吸光能力，所制備的器件轉(zhuǎn)化效率高達(dá)20.8%，較傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)電池有明顯提升。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的技術(shù)概況、專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)以及專利技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)作了介紹，并分析了國(guó)內(nèi)重點(diǎn)申請(qǐng)人的重點(diǎn)專利，以期通過(guò)以上分析，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)作進(jìn)一步的梳理，為未來(lái)鈣鈦礦太陽(yáng)電池領(lǐng)域的研究和改進(jìn)提供參考。

［1］ Kojima A， Teshima K， Shirai Y， Miyasaka T， 2009 j. Am. Chem. Soc. 131 6050

［2］ Kim H S， Im S H， Park N G 2014 J. Phys. Chem. C 118 5615

［3］ 姚鑫，丁艷麗，張曉丹，趙穎，物理學(xué)報(bào)，第64卷，第3期，2015，038805

Overview of patent technology for solar cell

Zhu Bo
（Patent examination and cooperation of the Patent Office of the State Intellectual Property Office Sichuan center， Chengdu， Sichuan 610213）

Solar Cells Perovskite （PSCs） is a new type of solar cell which has evolved from the dye sensitized solar cell. It can be used in the preparation of organic solar cells，which greatly reduces the cost of production， is expected to become an important technology in the new energy industry. In this paper， after the statistics and analysis of the retrieved at home and abroad on the perovskite solar cell patent application， patent application and patent technology development trend trend of technology survey，on the field of perovskite solar cell are introduced，and the analysis of the key focus of domestic patent applicants， for the future of solar cell research field of perovskite and provide reference for improving. Keywords:solar cell；photovoltaic；perovskite；halogen