基于專利信息的鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

鄭富艷

摘要：新型鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化將為傳統(tǒng)太陽能電池帶來新的變革。近幾年，鈣鈦礦太陽能電池的研發(fā)遇到諸多困難，但是這一領(lǐng)域的快速發(fā)展使其開始顯示出潛在的商業(yè)前景。通過對其專利狀況分析，深入研究相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)信息，得出該產(chǎn)業(yè)范圍的的技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)和發(fā)展方向，為國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域工作者提供參考。制定相關(guān)的戰(zhàn)略助力中國在光伏領(lǐng)域搶占國際市場先機(jī)，增強(qiáng)其在世界范圍內(nèi)的競爭力。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦材料;太陽能電池技術(shù);專利分析;SWOT 分析

1 引言

近年來，光伏領(lǐng)域興起一個重要的研究熱點(diǎn)課題——鈣鈦礦太陽能電池。在誕生后的幾年內(nèi)獲得了較高的能量轉(zhuǎn)換效率。鈣鈦礦太陽能電池可以做得非常薄，只需要一根頭發(fā)絲1%的厚度，就可以做成太陽能電池。同時這個材料對光的吸收能力非常強(qiáng)，只用一微米左右的厚度，就可以吸收近100%的太陽光譜中可見光的能量。早期研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦太陽能電池只能維持幾分鐘的壽命現(xiàn)在已達(dá)兩個多月。開始的光電轉(zhuǎn)化率是3%，在研究人員的改進(jìn)下，現(xiàn)在的光電轉(zhuǎn)率已經(jīng)達(dá)到24.2%，幾乎快要達(dá)到傳統(tǒng)太陽能電池的最高轉(zhuǎn)化率。目前，還沒有發(fā)現(xiàn)與鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)專利戰(zhàn)略研究相關(guān)的文獻(xiàn)，利用Patyee壹專利檢索數(shù)據(jù)庫對專利數(shù)據(jù)中相關(guān)的1 300條專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索并統(tǒng)計分析，得出我國鈣鈦礦電池技術(shù)的專利申請情況。制定相關(guān)的專利戰(zhàn)略推動我國的太陽能電池技術(shù)未來的開發(fā)與研究，促進(jìn)該領(lǐng)域的深入探索與研究。

2 行業(yè)發(fā)展階段與專利申請狀況

2.1 專利申請年份分布

主要對鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域2013年以來專利申請數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，在2013年以前，專利布局幾乎沒有，分析歷年該領(lǐng)域的專利申請量，了解鈣鈦礦電池材料的研發(fā)情況和發(fā)展趨勢。統(tǒng)計如圖1所示。

從圖1中可以看出，2013年以前，我國在鈣鈦礦太陽能電池材料領(lǐng)域處于起步階段，剛剛有研究萌芽，專利申請數(shù)量少，一方面是鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)發(fā)展情況有所關(guān)聯(lián)，另一方面專利意識不強(qiáng)也是一個重要的因素。從2014年開始，我國鈣鈦礦太陽能電池材料領(lǐng)域發(fā)展迅速，專利申請數(shù)量總體處于上升趨勢，2020年由于疫情的影響，申請數(shù)量有微小幅度回落，但不影響總體上升進(jìn)程。這表示我國對鈣鈦礦電池材料領(lǐng)域越來越重視。從增長速度可以看出，我國在鈣鈦礦電池領(lǐng)域的技術(shù)還會繼續(xù)創(chuàng)新，因此應(yīng)該引起高校、政府和企業(yè)的重視，加大該領(lǐng)域的投入和研發(fā)資金，促進(jìn)該領(lǐng)域技術(shù)能夠取得進(jìn)一步的發(fā)展。

2.2 專利類型數(shù)量分析

通過對不同類型的專利數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，鈣鈦礦太陽能電池材料領(lǐng)域是以發(fā)明專利的數(shù)量為主，實用新型為輔的專利申請模式。發(fā)明專利1 206件，實用新型93件，分別占比為93%、7%。新型材料都可以申請發(fā)明專利，但在原有技術(shù)上改進(jìn)去申請實用新型的專利比較少。不同類型的專利數(shù)量如圖2所示。

2.3 專利權(quán)人機(jī)構(gòu)屬性分析

從圖3中可以看出，高校是專利權(quán)人的主體，申請數(shù)量共有870件，占比66.92%，其次是企業(yè)，申請數(shù)量是295件，占比22.69%，第三是科研院所，申請數(shù)量是182件，占比14%，最后是個人，有41件，占總數(shù)3.15%。從數(shù)據(jù)庫中的前五名合作專利最多的申請人信息中統(tǒng)計得出，科研院所與企業(yè)，企業(yè)與企業(yè)之間的合作是較多的，如表1。高校與企業(yè)之間的合作較少，為了更好促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，要加大高校和企業(yè)之間的緊密合作。公司和高校應(yīng)該聯(lián)動推動知識前沿，成為創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)增長的強(qiáng)大引擎。企業(yè)應(yīng)尋找有科研實力的高校進(jìn)行長期性和戰(zhàn)略性合作，通過相互作用的良性循環(huán)向雙方提供更大的和一般情況下未預(yù)料到的利益。對于高校來說，企業(yè)為其提供更多的安全資金，可以增強(qiáng)學(xué)術(shù)實力。高校、個人與企業(yè)的合作都有待加強(qiáng)，應(yīng)該向中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所學(xué)習(xí)，在創(chuàng)新技術(shù)的同時，注重交流和合作，更好促進(jìn)社會發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。

2.4 專利區(qū)域分布分析

專利區(qū)域分布情況如圖4所示。對排名前10的地域進(jìn)行分析作統(tǒng)計。從圖看出，江蘇以315件專利成為鈣鈦礦太陽能電池材料技術(shù)領(lǐng)域申請數(shù)量最多的省份，其次是北京市，申請量為176件，廣東省、浙江省和湖北省的申請專利數(shù)量相差不大。除此之外，上海市、四川省陜西省、山東省也有相對較多的鈣鈦礦電池技術(shù)的專利申請。這表明，江蘇省在中國鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)相關(guān)專利有很大的市場，體現(xiàn)了其鈣鈦礦電池材料研究技術(shù)的實力，在我國占據(jù)一席之地。太陽能電池的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。第一代是用單晶硅材料制成的太陽能電池。不過制造高純硅面臨著造價高、耗能高等難題，這嚴(yán)重制約了硅基太陽能電池的商業(yè)應(yīng)用范圍。第二代太陽能電池主要指薄膜太陽能電池。第三代太陽能電池即鈣鈦礦太陽能電池。伴隨著太陽能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)創(chuàng)新需求也將不斷地縱深發(fā)展推動技術(shù)革新。在上圖中的技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，如江蘇省和其他具有經(jīng)濟(jì)實力、科研創(chuàng)新能力與資源優(yōu)勢的地方，無論是專利申請的數(shù)量還是技術(shù)的創(chuàng)新，都將保持一個穩(wěn)定向上的增長趨勢。

2.5 IPC分析

通過分析鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域的IPC分布情況，可以了解到該技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和研發(fā)重點(diǎn)等相關(guān)信息。對鈣鈦礦太陽能電池的IPC小類的不同分類號的專利數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖5技術(shù)領(lǐng)域主要有下圖幾種類別，其中HO1L這種小類專利數(shù)量獨(dú)占鰲頭遙遙領(lǐng)先，占專利總數(shù)的90%以上。HO1L的具體含義是半導(dǎo)體器件;其他類目中不包括的電固體器件。

3 熱點(diǎn)領(lǐng)域—HO1L技術(shù)領(lǐng)域

在1 300條專利文獻(xiàn)中，其中在HO1L領(lǐng)域申請的專利總數(shù)量高達(dá)1 290件。因此，在半導(dǎo)體類器件傳輸材料的研究一直是鈣鈦礦太陽能的熱點(diǎn)。對鈣鈦礦太陽能電池HO1L技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠纳暾垟?shù)量和專利權(quán)人數(shù)量隨時間序列而變化的情況繪制成技術(shù)生命周期圖，如圖6所示。通過技術(shù)生命周期圖可以判定技術(shù)發(fā)展所處階段，作為研發(fā)投入的參考。從圖中可以看出，鈣鈦礦太陽能電池材料HO1L技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠鸩捷^早，2013年申請數(shù)量為零，到2014年的39件，之后快速發(fā)展，這和鈣鈦礦太陽能電池專利申請數(shù)量的總體趨勢是一致的。2018和2019年，專利數(shù)量都保持穩(wěn)定并且專利數(shù)量較多，顯示出在該方面市場研發(fā)創(chuàng)新的積極性是非常高的。因此，企業(yè)、高校和研究所應(yīng)該對鈣鈦礦太陽能電池材料HO1L技術(shù)領(lǐng)域增加投入力量，促進(jìn)半導(dǎo)體材料方面的結(jié)構(gòu)與性能創(chuàng)新。

4 研究方向

對鈣鈦礦太陽能電池器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝的分析，再通過閱讀論文文獻(xiàn)與專利文獻(xiàn)統(tǒng)計得出，鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的研究主要是對其半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的研究，主要專利圍繞空穴傳輸層、鈣鈦礦層和電子傳輸層進(jìn)行研究。在空穴傳輸層摻雜材料元素，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，尋找新的鈣鈦礦材料和添加劑以提高鈣鈦礦穩(wěn)定性。在鈣鈦礦吸收層，一方面是改進(jìn)鈣鈦礦材料的結(jié)晶度和相應(yīng)界面，并尋找合適的環(huán)保材料來替代鈣鈦礦中有毒有害元素鉛。通過專利庫看出，各高校、企業(yè)、科研院所和個人在專利布局方面主要也是圍繞結(jié)構(gòu)性能的改善來申請實用新型和發(fā)明專利的。因此，各研究單位應(yīng)該在結(jié)構(gòu)方面加大研究，早日突破鈣鈦礦電池材料技術(shù)現(xiàn)有的難題。

5 SWOT分析方法

通過SWTO分析方法，對當(dāng)前鈣鈦礦太陽能電池材料技術(shù)的優(yōu)劣勢與機(jī)遇挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，如表1所示。

5.1 優(yōu)勢方面

隨著相關(guān)人員對該領(lǐng)域不斷地研究，在太陽能電池等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破，使得技術(shù)更上一個臺階。鈣鈦礦電池中的平板型電池，主要朝著低溫的方向發(fā)展，具有可以降低成本，有較廣的商業(yè)前景。我國研究所和高校，人才濟(jì)濟(jì)，這都為我國太陽能電池的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

5.2 弱勢方面

長期穩(wěn)定性還有待驗證，高效率和高穩(wěn)定性還不能同時滿足。制造顏色的限制，使其不能大規(guī)模地推給建筑大樓的設(shè)計師，相關(guān)適宜的顏色研發(fā)需要進(jìn)一步加強(qiáng)。近些年我國雖然在該領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，但是一些核心技術(shù)受牽制于國外，所以更要加強(qiáng)知識產(chǎn)權(quán)強(qiáng)國的意識，提高該領(lǐng)域的專利申請意識。

5.3 機(jī)遇與威脅

隨著部分能源面臨枯竭，一些能源開發(fā)對自然生態(tài)環(huán)境造成了破壞。世界各國相關(guān)技術(shù)人員也不斷加大對太陽能資源的研究力度，積極開展對鈣鈦礦太陽電池的應(yīng)用研究。越來越高的需求使得太陽能電池處于主體技術(shù)轉(zhuǎn)換時期，發(fā)展?jié)撃芫薮?。世界各國都在積極研發(fā)高效率高轉(zhuǎn)化率的鈣鈦礦太陽能電池材料，制定優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，體現(xiàn)了該技術(shù)領(lǐng)域世界競爭日趨激烈[1]。

6 專利戰(zhàn)略

我國鈣鈦礦太陽能電池材料的發(fā)展從2013年以來已經(jīng)在申請專利問題方面取得了一定的進(jìn)步，但結(jié)合專利戰(zhàn)略看其發(fā)展，還處于基礎(chǔ)性研究階段。全面的專利檢索和分析可以預(yù)測未來的發(fā)展趨勢。通過專利文獻(xiàn)的檢索與SWOT的分析，從國家層面、企業(yè)層面和高校研究所三個層面提出一些對策與建議。

6.1 國家層面

在2019年，科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心把鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)立為國家重點(diǎn)研發(fā)項目[2]。我國可以建立相關(guān)專利信息平臺，為該領(lǐng)域的企業(yè)和其他機(jī)構(gòu)提供方便快捷的專利信息服務(wù)，建立專利預(yù)警平臺。專利預(yù)警的實現(xiàn)可以通過各種數(shù)據(jù)庫的建立和共享。健全專利制度和預(yù)警體系的基本框架，都將為鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)未來的技術(shù)發(fā)展提供指導(dǎo)作用。鼓勵企業(yè)加快新產(chǎn)品、新技術(shù)開發(fā)步伐和對引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化吸收與再創(chuàng)新。

6.2 企業(yè)層面

雖然企業(yè)對知識產(chǎn)權(quán)的認(rèn)識熱度高漲，而真正運(yùn)用知識產(chǎn)權(quán)構(gòu)建商業(yè)模式，利用知識產(chǎn)權(quán)投資、入股、甚至上市的還少之又少。企業(yè)在研發(fā)過程中容易忽視一些有價值的專利，可以借助或?qū)で髮I(yè)的知識產(chǎn)權(quán)代理機(jī)構(gòu)，來幫助企業(yè)更好地挖掘潛在的知識產(chǎn)權(quán)。企業(yè)的研發(fā)技術(shù)部門，在知識產(chǎn)權(quán)方面應(yīng)該經(jīng)常性地與一些走在行業(yè)前沿的專業(yè)代理機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效溝通，挖掘有價值的專利。

6.3 高校和科研機(jī)構(gòu)層面

《公司法》第27條規(guī)定，股東可以用貨幣出資，也可以用實物、知識產(chǎn)權(quán)、土地使用權(quán)等可以用貨幣估值并可以依法轉(zhuǎn)讓的非貨幣財產(chǎn)作價出資，以非貨幣財產(chǎn)出資應(yīng)當(dāng)評估作價，核實財產(chǎn)，不能高估或者低估作價。經(jīng)過專利數(shù)據(jù)庫分析，高校的專利成果申請量是最多的，高校科研院所可以通過科技成果作價出資來促進(jìn)創(chuàng)新，讓技術(shù)變成財富推動共贏。與此同時，加強(qiáng)對高校的專利管理，組建專家團(tuán)隊進(jìn)行專利導(dǎo)航和布局，為開展成果轉(zhuǎn)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

隨著社會的快速發(fā)展，煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。石油、煤等不可再生資源的不正當(dāng)使用使環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，人類生存受到很大威脅[3]。太陽能電池在發(fā)展市場占有率高發(fā)展最為完善，與此同時鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的出現(xiàn)及創(chuàng)新將為能源市場帶來巨大的轉(zhuǎn)變。能否取得技術(shù)話語權(quán)的關(guān)鍵在于能否掌握核心科技，我國相關(guān)行業(yè)人員應(yīng)該依靠自主創(chuàng)新知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，提高產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識，做好知識產(chǎn)權(quán)專利侵權(quán)防范工作，運(yùn)用知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略來提高核心競爭力。未來，在智能化和個性化趨勢的推動下，準(zhǔn)確定位，積極促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的創(chuàng)新發(fā)展，在太陽能電池這個新興的技術(shù)領(lǐng)域里，市場的搶占與競爭依靠核心技術(shù)的支撐，而核心技術(shù)的保護(hù)依賴專利的爭奪。隨著專利法律法規(guī)的日益規(guī)范化與國際化，越來越多的企業(yè)會通過專利手段控制創(chuàng)新市場。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 杜春雷.鈣鈦礦型材料制備及性能[J].化工設(shè)計通訊，2020，46（08）：29-30.

[3] 熊繼光，秦校軍，董超，等.鈣鈦礦太陽能電池研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)[J].化工新型材料，2020，48（08）：1-5.