基于专利的可印刷柔性太阳能电池发展趋势

张志娟，赵志耘，张 旭，赵蕴华

(中国科学技术信息研究所，北京 100038)

可印刷柔性太阳能电池柔性、大面积化及低成本的特点，符合太阳能电池发展的趋势。印刷电子是基于印刷原理的电子制造技术，将有机或无机材料电子器件印刷到柔性、可延性塑料或薄金属基板上。简单地说就是通过印刷的方式，把一些功能材料以油墨的形式印刷或沉积到承印物上，形成导电的线路。印刷电子技术具有低成本、工艺简单、可大面积制备及柔性等特点，还能降低制备时的能量消耗［1－2］。

可印刷柔性太阳能电池是印刷电子领域的重要应用方面。柔性太阳能电池运用了成熟的高速报纸印刷卷对卷技术，将半导体材料印刷到覆盖在卷筒表面的导电塑料或不锈钢箔片上，印刷技术节约了昂贵的原材料，并可在常压环境下生产，降低了生产成本。可印刷太阳能电池的印刷制备工艺涉及旋涂、刮刀、丝网印刷和喷墨印刷等;可应用到太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船甚至太阳能飞机上。可印刷柔性太阳能电池的另一个重要应用领域是光伏建筑一体化，它可以集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。可印刷柔性太阳能电池技术的应用领域涉及日常生活和建筑等方面，覆盖面广，发展前景广阔［3－4］。

IDTechEx公司研究显示［5－7］:2009 年全球印刷电子市场的产值为19亿美元，有35%的电子产品通过印刷的方式生产;预计到2020年，印刷电子市场的规模将达570亿美元，有83%的产品将被印刷，其中75%的产品是在柔性承印物上生产的。可印刷太阳能电池是印刷电子领域的重要应用方面，未来可印刷太阳能电池的市场规模约为170亿美元。

可印刷柔性太阳能电池技术前景广阔，由于发展时间相对较短，利用专利等事实型数据对发展趋势进行的研究鲜见报道。本文作者以美国科学情报研究所(ISI)出版的Derwent Innovation Index(DII)数据库为数据来源，利用主题与专利分类号相结合的方式，检索下载了可印刷柔性太阳能电池技术相关的专利。

数据下载时间为2012年12月3日，用TDA、Excel等统计与分析软件进行分析。专利从申请到公开有18个月的滞后期，因此2011、2012年的数据仅供参考。

1 总体趋势

全球可印刷柔性太阳能电池技术专利申请量排名前10位的如图1所示。

图1 全球可印刷柔性太阳能电池技术专利申请量排名前10位Fig.1 Top 10 of printed and flexible solar cells technology

从图1可知，美国在该技术方面的专利数量位居第1;日本位列第2;中国居于第3位;韩国、德国紧随其后。

图2为可印刷柔性太阳能电池技术专利申请量排名前5位的专利逐年申请情况。

图2 可印刷柔性太阳能电池技术专利申请量排名前5位的逐年申请的情况Fig.2 Top 5 of printed and flexible solar cells technology patents by year

从图2可知，日本对该技术研究得较早;进入21世纪后，各国非常重视该技术的研发，专利申请量高速增长。

图3为全球可印刷柔性太阳能电池技术专利(族)逐年申请情况。

图3 可印刷柔性太阳能电池技术专利逐年申请的情况Fig.3 Number of printed and flexible solar cells technology patents by year

从图3可知，自2000年以来，专利申请数量呈现显著上升的态势，说明该技术至此受到各方广泛关注，主要原因是人们对未来新能源的忧虑。

一般而言，技术的发展需要经过4个阶段:①技术孕育期，早期技术萌芽期，企业进入意愿低，专利申请数量和申请人数量均很少;②技术成长期，此时产业技术有突破或厂商对市场价值有了认知，竞相投入发展，专利申请量与专利权人数急速上升;③技术成熟期，厂商投资于研发的资源不再扩张，只剩少数继续发展该技术，且其他厂商进入此市场的意愿低，专利申请量与专利权人数成长逐渐减缓;④技术瓶颈期，产业技术研发遇瓶颈难以突破或此类产业已成熟，专利申请量与专利权人数呈负增长［8］。

可印刷柔性太阳能电池技术的生命周期见图4。

图4 可印刷柔性太阳能电池技术的生命周期Fig.4 Life cycle of printed and flexible solar cells technology

从图4可知，该技术在1963－2000年处于萌芽期，研发刚开始，技术处于探索阶段，专利申请数量及专利权人均较少，申请的多为基础性专利;2001－2010年，进入技术生长期，开始持续快速发展，专利的申请数量和专利权人数均迅速增加，投入与产出均大幅提高，参与企业不断增加，竞争日益加剧。

2 技术重点

可印刷柔性太阳能电池技术专利排名前10位的IPC(国际专利分类)小类分布见图5。

图5 可印刷柔性太阳能电池技术排名前10位的IPC小类专利申请情况Fig.5 Patent applications of IPC subclasses(Top 10)

从图5可知，该技术专利主要集中在电学领域(H部，包括H01L、H01B、H05K、H05B)的半导体器件、导电材料及印刷电路，其次是化学、冶金领域(C部，包括 C08G、C09K、C08L、C09D)的高分子化合物、涂料组合物及应用材料;另外还有作业、运输领域(B部，包括B32B、B05D)的制造工艺。半导体器件(H01L)方面排名第1位，且远高于其他类别，说明是该技术的关键领域。

可印刷柔性太阳能电池技术专利排名前10位的IPC大/小组见图6。

图6 可印刷柔性太阳能电池技术排名前10位的IPC大/小组的专利申请情况Fig.6 Patent applications of IPC subgroups(Top 10)

从图6可知，H01L-031/18［制造或处理这些器件或其部件所特有的方法或设备(非特有的方法或设备入)］、H01L-031/04(用作转换器件的)、H01L-031/042(包括光电池板或阵列，如太阳电池板或阵列)等3方面的专利申请量排名前3位，且数量远多于其他的技术类别，说明该技术涉及的设备及器件是研究重点。

3 机构情况

图7反映了基于机构活跃度的专利数量分布情况，图中每块扇形代表每一类机构申请专利数量之和。

图7 基于机构活跃度的专利数量分布图Fig.7 Patent distribution based on organization activity

从图7可知，拥有专利量21件以上机构的专利总和，占该技术专利总量的17%;拥有专利量6－20件机构的总和，占到该技术专利总量的25%;拥有专利量为1－5件的小型企业专利总量占58%。这表明，该技术的专利技术比较分散，小型企业也掌握大量的专利技术。

可印刷柔性太阳能电池技术领域专利申请量排名前20位的机构列于表1。

从表1可知，日本企业占据了最大的份额，在专利量排名前20位的企业中有11家，另有8家分别为美国、德国和韩国的企业，中国的彩虹集团公司排名第20位;整体而言，美国、日本在该技术领域居于领跑位置。榜上有名的研究机构几乎均为大企业，说明国际知名大企业是目前可印刷柔性太阳能电池研发的主力军。

表1 全球可印刷柔性太阳能电池技术专利申请量排名前20位的机构Table 1 Research productivity of the organizations in the world wide(Top 20)

4 技术与研究人员趋势

可印刷柔性太阳能电池的年度发展趋势见图8。

图8 可印刷柔性太阳能电池的年度发展趋势Fig.8 Development trend of printed and flexible solar cells technology by year

从图8可知，伴随着2000年左右开始的高速发展，新技术快速涌现，新研究人员不断加入，该技术的研究很受关注，表明国际上对可印刷柔性太阳能电池产业的前景看好。随着技术的逐步成熟及商业化的推进，新专利技术有可能出现短暂的回落，之后仍会出现稳步增长的局面。

5 小结

本文作者通过专利分析发现，可印刷柔性太阳能电池技术正处在技术生长期，并保持持续快速发展。专利的申请数量和专利权人数均迅速增加，投入与产出均大幅提高，参与企业不断增加，竞争日益加剧。新技术和新增研究人员也整体呈现持续增长趋势，表明该技术一段时期内的持续增长和激烈竞争。从国别上看，美国、日本处于领跑地位，中国迅速崛起，居于第3位，韩国、德国紧随其后，排名前列的国家以东亚国家居多，欧洲国家中，德国的实力最强。从专利数量的厂商排名来看，日本厂商占据优势，在专利量排名前20位的企业中占据11家;另有8家分别为美国、德国、韩国的企业，中国的彩虹集团公司排名第20位。从研究机构类型看，榜上有名的研究机构几乎均为大企业，国际知名大企业是目前该研发的主力军。

各国印刷柔性太阳能电池技术在一系列政策措施的积极推动下，整体呈现良好的增长趋势，同时各国积极布局，不断追求新的技术突破，以抢占竞争高位。

［1］HE Zuo-xiu(何祚庥).大力发展“第三代”光伏发电技术，应对“碳减排”的挑战［J］.Battery Bimonthly(电池)，2009，39(6):324－329.

［2］CUI Zheng(崔铮).印刷电子学［M］.Beijing(北京):Higher Education Press(高等教育出版社)，2012.

［3］Pagliaro M.柔性太阳能电池［M］.Shanghai(上海):Shanghai Jiao Tong University Press(上海交通大学出版社)，2010.

［4］WANF Feng-qi(王凤岐).柔性太阳能电池专利技术分析［J］.Information Recording Materials(信息记录材料)，2009，10(6):56－64.

［5］Peter H，Ning X.Organic＆ Printed Electronics in East Asia［R］.IDTechEx，2009.

［6］Peter H，Raghu D.Organic＆ Printed Electronics in North America［R］.IDTechEx，2009.

［7］Peter H，Susann R，Raghu D.Organic ＆ Printed Electronics in Europe［R］.IDTechEx，2009.

［8］CHEN Yan(陈燕)，HUANG Ying-yan(黄迎燕)，FANG Jian-guo(方建国)，et al.专利信息采集与分析［M］.Beijing(北京):Tsinghua University Press(清华大学出版社)，2006.300－304.