MWT太陽能電池專利技術(shù)現(xiàn)況分析

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心 陳學(xué)妍

天津七所高科技有限公司 路向琨

0 引言

背接觸型太陽能電池是指電池的發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極均位于電池背面的一種光伏電池。背接觸型光伏電池可分為兩類：（1）背結(jié)電池。p-n結(jié)位于電池背表面，發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極也相應(yīng)地位于電池背面，如交叉式背接觸型（Interdigitated back contact，簡稱IBC）[1]。（2）前結(jié)電池。p-n結(jié)位于電池正表面，把正表面收集的載流子傳遞到背面的接觸電極上。金屬電極繞通（Metal wrap though簡稱MWT）就是一種重要的背接觸太陽能電池，屬于背接觸電池中的前結(jié)電池，其優(yōu)勢在于：去除傳統(tǒng)電池的主柵線實現(xiàn)了提高受光面積，同時其工藝能夠和現(xiàn)有傳統(tǒng)電池生產(chǎn)相適應(yīng)，并降低了成本；另外正負電極都設(shè)計在背面簡化了電池片之間的聯(lián)接，而且允許使用新的互聯(lián)技術(shù)降低電池的串聯(lián)電阻[2]。

近幾年，MWT背接觸技術(shù)發(fā)展很快，多晶MWT電池平均效率達到18.2%-18.5%，單晶MWT電池平均效率也在20%左右。目前該電池已經(jīng)在一些企業(yè)量產(chǎn)，很多國際國內(nèi)光伏廠商都對MWT背接觸技術(shù)給與了重點關(guān)注和濃厚興趣，國內(nèi)阿特斯、天威新能源和英利等大型光伏企業(yè)都先后和荷蘭能源建設(shè)基金中心合作，引起市場廣泛關(guān)注。

1 MWT太陽能電池簡介

1.1 MWT太陽能電池的結(jié)構(gòu)

參見圖1（左） MWT太陽能電池的截面結(jié)構(gòu)，與常規(guī)的太陽能電池相比，其最大的特點就是將正面收集電流的主柵線省略，在電池基板上形成貫穿孔，發(fā)射極在光照下產(chǎn)生電流，被電池正面的細柵線收集，收集的電流通過孔中的正銀電極引導(dǎo)到背面，從而使正負極（正銀電極和Al背場）都在電池的背面。電池背面的正負極為了防止漏電，通過SiO2阻隔，現(xiàn)有技術(shù)中也可以通過其他形式進行阻隔，例如激光劃線形成凹槽。圖1（右）展示了MWT電池的正面結(jié)構(gòu)，其正面還存在正面細柵線，只是在傳統(tǒng)電池主刪和副柵的交叉位置處存在貫穿孔，貫穿孔中填充Ag電極用于收集細柵線的電流引導(dǎo)到背面電極處。上述結(jié)構(gòu)看出，由于主柵線的省略，可以節(jié)省銀漿料的使用，進而節(jié)約成本；另外通過主柵線的去除，增大了受光面積，增加了電池產(chǎn)生電子的有效區(qū)域，進而提高了電池的效率，對于常規(guī)的MWT太陽能電池來說，可以將傳統(tǒng)的8%的柵線遮擋區(qū)域降為5%左右；電池的表面相對比較美觀，而且正負電極都在背面，對于后續(xù)的電池互聯(lián)形成組件也可以簡化工藝。

圖1 常規(guī)MWT電池截面和正面結(jié)構(gòu)

1.2 MWT太陽能電池的制備工藝

MWT太陽能電池的制備工藝包括以下步驟：清洗基板-激光開孔-制絨-發(fā)射極擴散形成PN結(jié)-磷硅玻璃的去除-減反射膜-孔洞漿料的填充-細柵線背面鋁背場電極的制備-燒結(jié)-隔離，通過以上步驟整個電池形成了正面是細柵線和正銀電極的結(jié)構(gòu)，背面具有與正銀電極以及鋁背場電極，即背接觸太陽能能電池?？梢姡c常規(guī)太陽能電池相比MWT太陽能電池主要是增加了打孔工藝，后續(xù)為了防止漏電流制備隔離SiO2。

2 MWT太陽能電池專利分析

檢索采用關(guān)鍵詞：mwt，metal wrap through，metallisation wrap through，太陽能，光伏，solar cell+，photovoltaic+等關(guān)鍵詞，相關(guān)IPC分類號H01l31, CPC分類號H01l31/02245，H01l31/022441等在DWPI、SIPOABS和CNABS數(shù)據(jù)庫進行檢索，截至2017年8月，DWPI、SIPOABS和CNABS數(shù)據(jù)庫共收錄MWT太陽能電池428件。

2.1 專利申請時間分布

首先，從申請的時間分布來看，從1995年開始申請第一個MWT太陽能電池相關(guān)專利以來，申請量一直較少，該階段MWT太陽能電池正處于萌芽期。2008年以后申請量開始迅速指數(shù)增長，到2013年達到最大值，申請量為84件，可見2008-2013是該領(lǐng)域的成長期。隨后在2015年出現(xiàn)迅速下降，其中一個重要原因是專利公開具有一定滯后性，未公開的專利檢索不到，所以2015-2016年的數(shù)據(jù)并不能說明趨勢。然而，2014年的申請量與2013年相比略下降，可以看出MWT太陽能電池申請現(xiàn)在處于一個接近衰退期，而且后續(xù)可能出現(xiàn)繼續(xù)衰退，這是由于近年來太陽能產(chǎn)業(yè)飽和，而且受到整體政策影響總體上處于一個衰落期；另外，雖然MWT在產(chǎn)業(yè)上工藝相對簡單，但是其正面存在細柵線還是對光具有遮擋作用，而克服這一問題的其他類型背接觸太陽能電池例如：發(fā)射極電極繞通太陽能電池（emitter wrap through簡稱EWT）、交叉式背接觸型太陽能電池（Interdigitated back contact簡稱IBC）已經(jīng)逐漸興起，不免對該類型電池的申請造成了一定的影響。

圖2 專利申請量隨時間分布

2.2 專利申請人分布

目前申請人的國家分布參見圖3，中國的申請量最多，達到178件，占比41%，可見中國的企業(yè)還是比較重視MWT太陽能電池這一研究領(lǐng)域，積極進行該領(lǐng)域的研究并通過專利保護自己的研發(fā)成果。另外美國在該領(lǐng)域申請74件，位于第二位，韓國、日本以及德國申請41/36/36件位于第三階梯，以上這幾個國家也是太陽能領(lǐng)域發(fā)展較快的國家。但是在PCT申請方面，美國的申請量最多，占比31%，上述其他幾個國家雖然整體申請量不多，但是PCT的比例較高，反觀中國的整體申請量較多，但是PCT申請卻只有5件，僅占比3%。

對于申請總量申請人分布，以中國的蘇州阿特斯陽光電力科技為首，共申請了42件，韓國的LG電子株式會社申請了共21件，中國的英利能源中國有限公司也申請了19件，此外，中國的無錫尚德太陽能電力有限公司、上饒光電高科技有限公司以及天威新能源控股有限公司也投入了部分研發(fā)。此外，例如國外的荷蘭能源建設(shè)基金中心（荷蘭）和弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進會（德國）也布局了相關(guān)專利，并且曾經(jīng)報道過17%的效率而受到廣泛關(guān)注，是當時MWT太陽能電池較高水平。

發(fā)明人的總申請量和PCT申請量對比，總申請量第一的中國的蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司僅申請了3件PCT，也就是中國企業(yè)主要針對國內(nèi)的申請，而像LG電子株式會社、E·I·內(nèi)幕爾杜邦公司、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進會、京瓷株式會社、HERAEUS公司雖然申請總量不多，但基本都是PCT申請。其中E·I·內(nèi)幕爾杜邦公司、京瓷株式會社和HERAEUS公司是兩個主要做漿料的公司，是漿料業(yè)內(nèi)實力雄厚的公司，其申請保護的內(nèi)容也主要是針對MWT太陽能電池的貫孔漿料；而LG電子株式會社、荷蘭能源建設(shè)基金中心以及弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進會主要保護產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和方法。通過分析PCT的申請人情況以及總的申請人情況可以看出，LG電子株式會社、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進會這幾個國外公司都是MWT太陽能電池結(jié)構(gòu)領(lǐng)域較強的公司，分別從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料進行改進；而中國的蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司雖然總申請量第一，但是PCT申請僅有3件，可見研發(fā)有待加強，一方面研發(fā)實力與上述幾個國外公司差距較大，另一方面，對于專利的世界布局意識中國的企業(yè)還有待于加強。雖然中國進入太陽能電池領(lǐng)域起步較晚，但是作為太陽能產(chǎn)業(yè)的重要市場和生產(chǎn)國家，應(yīng)該投入更高的資源研發(fā)新型太陽能電池，以打破國外關(guān)鍵技術(shù)的壟斷。

圖3 申請人情況分布

2.3 申請市場分布

圖4顯示了所有專利和PCT專利公開的國家分布，可見中國、美國的重要保護領(lǐng)域，無論是PCT還是所有專利在這兩個國家都公開最多，另外歐洲、日本、韓國、臺灣市場也普遍受到關(guān)注，以上國家都是是太陽能的主要生產(chǎn)、應(yīng)用市場，因此各個國家積極在這些地區(qū)進行專利布局。

圖4 公開國家分布

3 結(jié)論

2008開始，MWT太陽能電池開始進行快速發(fā)展時期，期間專利申請量指數(shù)增長，以中國為代表的太陽能主要生產(chǎn)和研發(fā)大國進行了相關(guān)研發(fā)資源的投入；雖然中國的總申請量最多，但是研究基礎(chǔ)較差，因此研發(fā)實力相對比較薄弱，國際專利布局較差，這與中國企業(yè)在國際市場上的地位形成了較大反差；美國的研發(fā)實力較強，技術(shù)上具有優(yōu)勢，專利布局國際化，尤其是在海外市場布局精密；其中綜合考慮國內(nèi)申請以及專利布局情況，LG電子株式會社、E·I·內(nèi)幕爾杜邦公司、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進會、京瓷株式會社、HERAEUS公司這幾個國外公司都是本領(lǐng)域的研發(fā)實力較強的公司，尤其是LG電子株式會社、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進會主要致力于MWT電池結(jié)構(gòu)和組件、制備的研究。

MWT電池也存在一些技術(shù)的工藝瓶頸，例如電池基板的開孔工藝通常采用激光，激光的能量比較高容易形成缺陷，并且這些缺陷后續(xù)退火中也不能完全消除，因此如何將開孔的工藝優(yōu)化也是發(fā)展該技術(shù)的一項重要任務(wù)；另外，在組件組裝上，MWT電池的相關(guān)配套結(jié)構(gòu)還不夠成熟，例如專門的帶有互聯(lián)結(jié)構(gòu)的背板、封裝的設(shè)備、測試的設(shè)備等方面配套都需要進一步優(yōu)化，雖然目前MWT太陽能電池已經(jīng)有部分公司生產(chǎn)，但是與傳統(tǒng)太陽能電池相比，MWT電池的大規(guī)模低成本高效率的量產(chǎn)之路還有一定距離，需要各國研究者不斷的探索。

[1]任丙彥,等.背接觸硅太陽電池研究進展[J].材料導(dǎo)報,2008,22(9)：101-105.

[2]林陽,等.MWT和EWT背接觸太陽電池結(jié)構(gòu)及其技術(shù)發(fā)展[J].器件與技術(shù),2012,49(1)：12-21.