柔性鈣鈦礦太陽能電池專利技術綜述

韓婷

摘 要：鈣鈦礦太陽能電池是近年來光伏領域的研究熱點，其效率高、制備成本低，并且適于制備柔性器件，應用場景廣泛，易于商業(yè)化。文章將從專利角度分析柔性鈣鈦礦太陽能電池技術，主要研究該技術領域國內(nèi)外的專利申請趨勢、主要申請人分布和中國范圍內(nèi)的專利申請法律狀態(tài)，以及相關技術分支和發(fā)展脈絡，以為該領域的發(fā)展提供專利信息參考。

關鍵詞：柔性;鈣鈦礦;太陽能;電池;專利

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.004

太陽能屬于新型綠色能源，太陽能電池中，鈣鈦礦太陽能電池由于具有高光電轉換效率、材料選擇范圍寬、制備成本低等優(yōu)點而備受關注。而且柔性鈣鈦礦太陽能電池可望進一步拓展其應用和降低成本，其適用于各種基底表面，且可用于可穿戴設備，適宜卷對卷連續(xù)生產(chǎn)，易于實現(xiàn)商業(yè)化。因此，分析柔性鈣鈦礦太陽能電池領域的專利現(xiàn)狀，有利于該領域的專利布局，明確研究發(fā)展方向，避免侵權風險，有望推進其商業(yè)化進程[1-3]。

1 國內(nèi)和全球的專利申請概況

根據(jù)檢索信息，得到涉及柔性鈣鈦礦太陽能電池的相關專利859件，統(tǒng)計截止時間為2021年06月06日，其中中國范圍內(nèi)的發(fā)明專利申請共739件。由于數(shù)據(jù)庫中收錄的數(shù)據(jù)具有時間滯后性，并且專利申請從提出到被公開具有一定的時間間隔，因此近2～3年的數(shù)據(jù)均可能有所偏差，均可能少于實際的申請量。

如圖1所示，該領域的全球和中國范圍內(nèi)的發(fā)明專利申請量趨勢一致，分為三個階段：2013年之前為萌芽期，2014年～2017年為快速增長期，2018年后為發(fā)展期，而2019年～2021年的數(shù)據(jù)減少，可能與專利申請公開延遲相關。該領域最早的申請于2012年在國外提出，與全固態(tài)鈣鈦礦太陽能電池出現(xiàn)的時期相同。國內(nèi)的相關研究始于2013年，之后的申請量逐年直線攀升，勢頭遠超國外，而且一直態(tài)勢穩(wěn)定。

通過圖1中的內(nèi)嵌圖可以看出，中國申請人的申請量明顯多于其他國家，占全球申請總量的75%以上，其次是美國、日本等，說明國內(nèi)在該領域的研究占據(jù)重要地位。這主要得益于國內(nèi)逐漸增強的專利保護意識、不斷發(fā)展的科研和經(jīng)濟實力，以及相關的國家政策等。

該領域專利的原創(chuàng)申請人類型和主要原創(chuàng)申請人如圖2所示，其中高校、研究所占一半以上，其次是企業(yè)，也有少量的個人申請。全球申請量較多的原創(chuàng)申請人中，中國的高校、研究所和企業(yè)占88.2%。其中，申請量最多的為華中科技大學，公司中屬太一新能源的申請量最多，國外上榜的都是企業(yè)，即德國默克專利以及日本的積水化學工業(yè)株式會社，說明我國企業(yè)在該領域的專利布局相較于高校、研究所占比不足，商業(yè)化程度有待提高。

從表1可以看出，在中國范圍內(nèi)提及的該領域的發(fā)明專利申請已結案件中，國內(nèi)申請人的三率（即授權、駁回和視撤比例）均高于國外申請人，且高于平均比值，這可能源于國外在華申請一般為國際申請（WO）或巴黎公約申請（EP），其從提出到進入實質審查的周期較長，因此已結案件比例較低;另一方面，也說明我國申請人在該領域的專利質量良莠不齊。而在專利運營方面，主要體現(xiàn)在專利申請權、專利權的轉移，國內(nèi)申請人的轉移比例低于國外申請人，結合我國的主要申請人為高校、研究所來看，說明我國在該領域的成果轉化或商業(yè)化程度不足，希望未來高校、研究所的相關研究可以實現(xiàn)應用，這樣才能使我國在該領域真正占據(jù)創(chuàng)新主導地位。

2 柔性鈣鈦礦太陽能電池專利技術概況

該領域的全球專利申請研究方向分布如圖3所示，可見柔性實現(xiàn)方式中采用平面型或倒裝型結構是最為普遍的方式，早期電池結構仍沿用染料敏化電池中的多孔支架，后期多是研究無多孔結構的平面型器件。其次是涉及多孔支架的材料和制備方法改進，基底改進的專利數(shù)量明顯低于前兩種，原因在于該改進點比較小且容易，且采用的柔性耐高溫基底也均是光伏器件中的常用材料，因此專利價值不高。纖維型是該領域申請量最少但最為新穎的研究方向，對于未來用于編制可穿戴電子產(chǎn)品具有重要意義。

如圖3所示，其中多孔支架改進技術主要可分為以下分支：多孔骨架選擇有機、SnO2等燒結多孔溫度較低的材料;采用低溫法制備多孔骨架，如采用TiO2納米顆粒溶液旋涂制備;在金屬基底或基底上金屬層表面，通過陽極氧化法制備納米管陣列、海綿狀多孔結構等;靜電紡絲法;采用反蛋白石結構。上述分支中涉及低溫法的申請量最多，其材料、實現(xiàn)方法多;其次是陽極氧化法，該方法可獲得一維納米管陣列，有利于載流子的垂直定向遷移，效率高、可控性強;靜電紡絲可制備納米纖維多孔結構，技術成熟且成本低。多孔燒結溫度較低的材料選擇有限，且對電池效率的益處不大，因此研究較少。

另外，反蛋白石屬于新穎且可靠的多孔支架制備方法，其一般采用液面轉移法在基底上制備膠體晶體模板，之后可通過ALD、磁控濺射等共形沉積法制備氧化鈦薄膜，低溫燒結去除膠體晶體模板后，即可得到保留模板的球狀或碗狀的氧化鈦多孔支架層。

3 柔性鈣鈦礦太陽能電池專利技術概況

本節(jié)將從柔性鈣鈦礦太陽能電池的四種實現(xiàn)方式入手，通過分析基底改進、多孔支架改進、平面型或倒裝型以及纖維型四種途徑中的重點技術專利，得出該領域的大致技術發(fā)展路線，如圖4所示。

4 結語

綜上所述，文章分析了柔性鈣鈦礦太陽能電池領域的發(fā)明專利申請狀況，介紹了該領域的國內(nèi)外專利申請趨勢、主要申請人分布和中國范圍內(nèi)的專利申請法律狀態(tài)，并簡單介紹了該領域的專利技術分支和發(fā)展脈絡，以期有助于相關研究人員在該領域進行專利布局及開發(fā)新的研究方向。

參考文獻

[1] 榮耀光，梅安意，劉林峰，等.全固態(tài)介觀太陽能電池：從染料敏化到鈣鈦礦[J].化學學報，2015，73（3）：237-251.

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[3] SEO，JANGWON，NOH，JUN HONG，SEOK，SANG IL.Rational Strategies for Efficient Perovskite Solar Cells[J].Accounts of Chemical Research，2016，49（3）：562-572.