异质结太阳能电池专利技术分析

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心　周忠饶

异质结太阳能电池专利技术分析

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心周忠饶

本文针对CNABS和VEN两大数据库中的异质结太阳能电池专利进行统计，首先分析了近年来异质结太阳能电池专利申请量的走势，以及异质结太阳能电池的主要研究方向，并进一步重点分析了国内外质结太阳能电池专利的主要申请人，并且还分析了在异质结太阳电池方面的研究领域靠前的几个国家，通过分析有助于了解国内外异质结太阳能电池技术的发展现状，对我国更进一步发展异质结太阳能电池技术具有指导作用。

异质结；太阳能电池；专利；CNABS；VEN

1.技术起源

传统的基于同质PN结技术的硅基太阳能电池突显出成本高、效率低、对环境污染严重等问题。各种新的概念及其技术的引入成为解决上述问题的途径，构成了第三代太阳能电池的雏形，其中异质结及其技术就是解决上述问题的关键技术，成为硅基太阳能电池最重要的发展方向之一，也是实现第三代太阳能电池构想的支撑技术之一。

异质结构是由两种禁带宽度不同的半导体材料相接触形成的过渡区。1974年a-Si：H/c-Si异质结电池第一次被提出。直到1983年，Y. Hamakawa 等人才制作了第一块转换效率为12.37%的a-Si：H/c-Si异质结电池。后来W. Ma 以此为基础，研制了转换率为21%的“Honeymoon”叠层电池。1992年，日本人Makoto Tanaka 和Mikio Taguchi等人首次提出将异质结技术应用到硅基太阳能电池的制备过程中。此后，异质结技术与太阳能电池的结合成了太阳能电池新的研究方向。

异质结太阳能电池具有以下优点：

（1）有利于宽谱带吸收，从而提高效率。通过与晶体硅禁带宽度不同的材料构成异质结太阳能电池，可展宽对太阳光的吸收谱，从而实现宽谱带吸收的目的；

（2）增加内建电场，提高注入效率。相对于同质结太阳能电池，异质结具有更大的内建电场，使注入结两侧的非平衡少了电流增加，从而增加开路电压和短路电流；

（3）减少原料硅消耗，降低成本。异质结的发展使薄膜技术应运而生，从而能够将电池生长在低成本的玻璃、陶瓷甚至柔性衬底上。

2.异质结太阳能电池专利申请趋势

首先针对CNABS（中国专利文摘数据库，China Patent Abstract Database）和VEN（外文数据库，Virtual or Logical Database）两大数据库中关于异质结太阳能电池的申请量按年份进行统计分析。图1是专利申请量走势图，纵坐标代表专利申请的件数，横坐标代表专利申请的年份，由图1可以看出，从2004年开始国际申请量开始急剧上升，说明从2004年开始越来越多的人开始关注异质结太阳电池，而国内申请量是从2008年后才开始以较快的速度上升，主要原因是从2008年开始我国政府开始鼓励和提倡发展光伏产业，从而吸引众多企业投身到光伏产业的发展中来。总体来看，国外的申请量还是远远超过国内的申请量。

分别在VEN和CNABS中对异质结太阳能电池相关的专利的IPC分类号进行了统计。从图2和图3可以看出，国内的申请涉及最多的前三个分类为：H01L31/18，H01L31/0352，H01L51/42，而这几个分类号分别对应太阳能电池的制造方法、太阳能电池组件以及使用有机材料或有机与其他材料的组合作有源部分的固态器件，而国外的申请涉及最多的是前三个分类号为：H01L31/18，H01L31/075，H01L31/04，分别对应于电池的制造方法及其设备、金属层的制造、半导体制造等。通过对图2和图3的分析我们可以看到，人们致力于研究合适的异质结太阳电池材料以及其制造方法，希望能获得更高的转换效率。

图1　专利申请量走势图

图2　国内申请量主要分类号

图3　国外申请量主要分类号

3.关于国内外异质结太阳能电池专利的主要申请人分析

同样通过在VEN和CNABS数据库中对国内外异质结太阳能电池专利的申请人进行统计，从国外申请的统计情况来看，主要是以企业为主，如日本的FUJITU公司、MATUSHITA ELECTRIC IND公司、HITACH公司以及TOSHIBA公司等。由此可见，在全球范围内来看，企业为异质结太阳电池的发展起到了巨大的推动作用，尤其以日本更为突出，可以看出日本企业在异质结太阳电池领域具有很强的实力。另外，也有一些科研机构也在异质结太阳电池的发展历程中占据了一席之地。

对于国内申请人的统计情况来看，情况与国外申请的情况恰好相反，在国内有关异质结太阳电池方面的申请主要是以：中国电子科技集团公司第十八研究所、中国科学院电子研究所、清华大学、华南理工大学等为代表的科研机构或高校为主。这主要与我国异质结太阳电池的起步较晚有关，虽然说起步晚，但近些年来国家大力投入和支持光伏产业的发展，所以作为科研力量的先锋部队像中国科学院、中国电子科技集团、清华大学等，自然在异质结太阳电池的研究方面走在了前面。近些年来，除了科研机构和高校至于异质结太阳电池的研究外，一些国内的高新科技企业也投身到异质结太阳电池的研究中来，如国光光伏有限公司、苏州阿特斯阳光电力科技有限公司、山东力诺太阳能电力股份有限公司等，但相对国外来讲数量偏少技术起步较晚，不过随着企业不断的发展壮大，相信在不久的将来，在关于异质结太阳电池的研究领域也会有中国企业的一席之地。

通过在VEN中对案件的国籍进行统计，最后得出的结论是，在关于异质结太阳电池方面的研究日本较为突出，紧随其后的是美国、中国、韩国、台湾、欧洲，这与整个半导领域的发展情况基本一致。虽然我国在异质结太阳电池方面的研究起步较晚，但由于近些年国家的大力投入和鼓励，加上一些企业的积极参与，因此，近年来我国在异质结太阳电池方面的发展势头迅猛，正在向着太阳能电池技术大国的方向稳步前进。而国内的异质结太阳电池方面的申请主要集中分布在像江苏、上海、广东、北京等经济发达地区，这主要是因为这些省份中经济相对与其他省份发达、高校和科研机构较多、且能参与研发与制造的企业也多。

4.小结

异质结及其技术在新型硅基太阳能电池领域被广泛的应用，成为当前研究的热点。将异质结应用到晶体硅和薄膜硅太阳能电池中，能有效地增加对不能被硅材料吸收波段的太阳光的吸收，提高硅基太阳能电池的转换效率。然而，由于异质结的引入带来的晶体硅电池的性能稳定性、工艺兼容性问题，以及薄膜硅电池的异质结界面问题仍然有待解决，进一步的工艺改进和新材料、新结构的剪切与设计成为可能的解决方案，通过对异质结界面控制、工艺参数优化及理论数拟等方面的深入研究，可以实现更高的转换效率，从而推动异质结及其技术与新型硅基太阳能电池更广泛的融合。

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