薄膜太阳能电池的全球专利态势

韩虎 彭德坤 陶媛媛 / 工业和信息化部电子知识产权中心

引言

图1薄膜太阳能电池专利发展历程

图2薄膜太阳能电池专利申请地区分布

薄膜太阳能电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量，在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳能电池将成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。由于多数载流子的扩散，形成了空间电荷区，并形成一个不断增强的从N型半导体指向P型半导体的内建电场，导致多数载流子反向漂移；达到平衡后，扩散产生的电流和漂移产生的电流相等。如果光照在P-N结上，而且光能大于P-N结的禁带宽度，则在P-N结附近将产生电子—空穴对。由于内建电场的存在，产生的非平衡电子载流子将向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，破坏了原来的平衡。若在电池两侧引出电极并接上负载，负载中就有光生电流通过，得到可利用的电能。

制作太阳能电池主要是以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应，根据所用材料的不同，薄膜太阳能电池可分为：硅基薄膜太阳能电池；以砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等多元化合物为材料的薄膜太阳能电池；染料敏化太阳能电池及功能高分子材料制备的有机太阳能电池等。

专利发展态势

薄膜太阳能电池的工作原理是基于P-N结的光生伏打效应：当N型半导体与P型半导体通过适当的方法组合到一起时，在二者的交界处就形成了P-N结；

薄膜太阳能电池以其产品品质良好、成本低廉、应用广泛、环保安全以及不受原材料供应限制等优点而被广泛认可。薄膜太阳能电池的专利申请量从1997年出现增长，但趋势并不明显，直至2007年，薄膜太阳能电池相关专利才出现跳跃式的发展。其中以硅基薄膜太阳能电池、硅基和化合物组件最为突出。（见图1）

硅基材料和工艺的相关专利申请量占专利申请总量的比例达到27%，而且每年的申请量处于领先地位。有机薄膜太阳能电池的相关专利申请量从2002年出现了增长趋势，并一直保持稳定增长。铜铟镓硒薄膜太阳能电池技术起步较晚，专利申请量从2007年才出现了明显的增长态势，但其增长速度较快，2009年之后，与有机薄膜太阳能电池的专利申请趋势基本一致。铜铟镓硒薄膜太阳能电池的专利申请总量和染料敏化的申请总量相差无几。砷化镓薄膜太阳能电池的技术尽管起步较早，但其相关专利申请量较少，申请量最多的2010年也并未超过200项专利。

薄膜太阳能电池的相关专利申请量出现两次跳跃式的增长。在1997年出现了第一次快速的增长，最具代表性的是硅基薄膜太阳能电池领域。2006年迎来了第二次申请量高峰，之后并保持了快速的增长，并且所有种类的薄膜太阳能电池相关专利都有明显的增长。

某个地区的专利申请量某种程度上可代表两层含义：一是代表企业在该地区的专利布局力度，专利量越大，该市场重要程度就越高。若非本土企业申请量较大，则表明该市场受到国际企业的重视。二是若该地区本土企业申请量占比较大，则本土企业研发活跃度高。

随着我国对新能源以及光伏产业发展的重视，中国市场已经得到行业的一致认可，多数具有技术优势的企业在华都有专利布局。薄膜太阳能电池领域在华的相关专利申请量最多，其专利申请量超过3000项。在美国的专利申请总量低于在中国或日本的专利申请量，专利的数量显示出相关企业对中国和日本市场的重视。

图3全球硅基薄膜太阳能电池专利的地域分布

图4薄膜太阳能电池专利申请主要来源国与目标国的时间分布

该领域在中国和日本的专利申请量占到全球主要地区专利申请总量的一半。美国作为薄膜太阳能电池相关技术的起源地，在有些领域的产业化进程滞后，影响了美国的专利申请数量。在韩国和欧洲地区所申请的专利数量约占全球主要地区专利申请总量的12%，其中韩国的专利数量多于欧洲地区的专利申请量。（见图2）

薄膜太阳能电池相关技术领域在亚洲地区所布局的专利量远远超过在欧美地区所布局的专利数量。比如硅基薄膜太阳能电池的专利申请量主要分布在日本、中国、美国及韩国。（见图3）

专利流向趋势

在专利统计分析中，专利来源国体现了主要技术力量的来源分布情况，而目标国则反映了这些技术力量的战略意图，例如技术布局、市场占有等。对专利来源国和目标国的流向进行时间分布分析，可以看出随着时间的发展，技术在国家之间的转移。根据技术的发展情况和专利的分布情况，选择中国、日本、韩国、美国、欧洲作为专利申请来源国，中国、日本、韩国、美国、EPO和WO作为目标国/组织进行专利流向分析。

薄膜太阳能电池的主要申请来源国与目标国基本一致。这表明，薄膜太阳能电池的主要市场也是薄膜太阳能电池专利申请的主要来源地。这些国家都优先在本国申请专利，然后再向其他主要薄膜太阳能电池市场进行专利布局。

1993年～2002年这十年间薄膜太阳能电池的技术研发和专利申请并不十分活跃。仅日本较早在本国开始了专利布局。2003年开始进入了薄膜太阳能电池专利申请蓬勃发展的阶段。在2008年之前，日本的专利申请处于领先地位。但2008年之后，中国的专利申请量一跃超过日本排名第一，其次为美国和日本。（见图4）

除了对角线之外的气泡大小，体现了对应来源国申请人向国外申请的力度大小。可以看出日本、韩国、美国申请人具有较强的向外申请意愿，表现为其所在行气泡较大。其目标区域多为中国、美国和WO。这些国家通过PCT这种多边途径提出的专利申请量庞大，表现了他们强烈的进入其他国家的倾向。

1993年～2002年这十年间，在专利申请量较小的前提下，美国和欧洲是受到其他国家重视的市场。2003年之后，中国市场的地位提高，中国和美国成为了较受关注的市场。而在这二十年的发展过程中，日本和美国一直都申请了较多的专利到其他国家，申请量呈上升趋势。这反映了美国不仅是薄膜太阳能电池领域的技术强国，也是该领域内的重要市场。与此形成鲜明对比的是，日本作为薄膜太阳能电池领域的技术强国，对其他国家尤其是作为邻国的中国和韩国进行了大量的专利布局，但其本土市场较为封闭，国外申请人涉足不多。而对于中国来说，03年以前其他国家进行的专利申请较少，仅受邻国日本的青睐，而2003年之后产生了明显的增长，这体现了各主要来源国对中国专利布局的增强，反映了中国薄膜太阳能电池市场的发展引起了其他国家的重视。然而2003年之后，中国除了在本国进行的专利申请增长迅猛外，在其他国家的专利申请并没有较明显的增长，这表示虽然中国薄膜太阳能电池的市场发展迅猛，但中国企业到国外市场进行技术布局的意愿仍然较低。

小结

硅基薄膜太阳能电池的主要技术掌握在日本企业手中，其中非晶硅薄膜太阳能电池是硅基薄膜太阳能电池的主流。而且硅基薄膜太阳能电池在薄膜太阳能电池中的专利数量最多，每年的申请量也最大，目前仍然是最大的研究热点。铜铟镓硒薄膜太阳能电池专利主要集中在技术攻关的重点方向—工艺环节，而染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池仍然处在基础研究阶段。

由于美国既是技术输出国，也是最受青睐的市场，日韩企业更倾向于在美国市场进行专利布局。同时中国市场近5年来逐渐受到了国外企业的关注，美国企业的布局力度比日企要强。尽管日本技术实力较强，且持续输出技术，但其本国市场不受其他国家关注。

随着薄膜太阳能电池技术活跃度在上升，成本将继续下降。但薄膜太阳能电池工艺生产设备主要掌握在国外公司手中，所以依附于设备的工艺改进也基本上是国外的设备公司内部或者研究机构进行。所以我国企业只能通过购买设备的方式进行生产，而且需要昂贵的服务费，极大增加了我国企业的生产成本，并制约了我国工艺技术的改进。

最后，薄膜电池要替代晶硅电池并不现实，但在BIPV领域，薄膜电池的优势更为明显。比如屋顶太阳能光伏系统，用户选用晶硅还是薄膜电池，主要取决于政策的变化，一般看法认为屋顶主要应用晶硅电池。但有些国家由于政策的变化，屋顶采用薄膜的也很多。德国采用鼓励多发电的政策，用户通过发电卖电赚钱，所以多选用晶硅；但澳大利亚则鼓励自用为主，政府对每户1500瓦以内的进行补贴，超过这个范围不补贴，因此用户多倾向于用成本低的薄膜电池。

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