MWT太阳能电池专利技术现况分析

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 陈学妍

天津七所高科技有限公司 路向琨

0 引言

背接触型太阳能电池是指电池的发射区电极和基区电极均位于电池背面的一种光伏电池。背接触型光伏电池可分为两类：（1）背结电池。p-n结位于电池背表面，发射区电极和基区电极也相应地位于电池背面，如交叉式背接触型（Interdigitated back contact，简称IBC）[1]。（2）前结电池。p-n结位于电池正表面，把正表面收集的载流子传递到背面的接触电极上。金属电极绕通（Metal wrap though简称MWT）就是一种重要的背接触太阳能电池，属于背接触电池中的前结电池，其优势在于：去除传统电池的主栅线实现了提高受光面积，同时其工艺能够和现有传统电池生产相适应，并降低了成本；另外正负电极都设计在背面简化了电池片之间的联接，而且允许使用新的互联技术降低电池的串联电阻[2]。

近几年，MWT背接触技术发展很快，多晶MWT电池平均效率达到18.2%-18.5%，单晶MWT电池平均效率也在20%左右。目前该电池已经在一些企业量产，很多国际国内光伏厂商都对MWT背接触技术给与了重点关注和浓厚兴趣，国内阿特斯、天威新能源和英利等大型光伏企业都先后和荷兰能源建设基金中心合作，引起市场广泛关注。

1 MWT太阳能电池简介

1.1 MWT太阳能电池的结构

参见图1（左） MWT太阳能电池的截面结构，与常规的太阳能电池相比，其最大的特点就是将正面收集电流的主栅线省略，在电池基板上形成贯穿孔，发射极在光照下产生电流，被电池正面的细栅线收集，收集的电流通过孔中的正银电极引导到背面，从而使正负极（正银电极和Al背场）都在电池的背面。电池背面的正负极为了防止漏电，通过SiO2阻隔，现有技术中也可以通过其他形式进行阻隔，例如激光划线形成凹槽。图1（右）展示了MWT电池的正面结构，其正面还存在正面细栅线，只是在传统电池主删和副栅的交叉位置处存在贯穿孔，贯穿孔中填充Ag电极用于收集细栅线的电流引导到背面电极处。上述结构看出，由于主栅线的省略，可以节省银浆料的使用，进而节约成本；另外通过主栅线的去除，增大了受光面积，增加了电池产生电子的有效区域，进而提高了电池的效率，对于常规的MWT太阳能电池来说，可以将传统的8%的栅线遮挡区域降为5%左右；电池的表面相对比较美观，而且正负电极都在背面，对于后续的电池互联形成组件也可以简化工艺。

图1 常规MWT电池截面和正面结构

1.2 MWT太阳能电池的制备工艺

MWT太阳能电池的制备工艺包括以下步骤：清洗基板-激光开孔-制绒-发射极扩散形成PN结-磷硅玻璃的去除-减反射膜-孔洞浆料的填充-细栅线背面铝背场电极的制备-烧结-隔离，通过以上步骤整个电池形成了正面是细栅线和正银电极的结构，背面具有与正银电极以及铝背场电极，即背接触太阳能能电池。可见，与常规太阳能电池相比MWT太阳能电池主要是增加了打孔工艺，后续为了防止漏电流制备隔离SiO2。

2 MWT太阳能电池专利分析

检索采用关键词：mwt，metal wrap through，metallisation wrap through，太阳能，光伏，solar cell+，photovoltaic+等关键词，相关IPC分类号H01l31, CPC分类号H01l31/02245，H01l31/022441等在DWPI、SIPOABS和CNABS数据库进行检索，截至2017年8月，DWPI、SIPOABS和CNABS数据库共收录MWT太阳能电池428件。

2.1 专利申请时间分布

首先，从申请的时间分布来看，从1995年开始申请第一个MWT太阳能电池相关专利以来，申请量一直较少，该阶段MWT太阳能电池正处于萌芽期。2008年以后申请量开始迅速指数增长，到2013年达到最大值，申请量为84件，可见2008-2013是该领域的成长期。随后在2015年出现迅速下降，其中一个重要原因是专利公开具有一定滞后性，未公开的专利检索不到，所以2015-2016年的数据并不能说明趋势。然而，2014年的申请量与2013年相比略下降，可以看出MWT太阳能电池申请现在处于一个接近衰退期，而且后续可能出现继续衰退，这是由于近年来太阳能产业饱和，而且受到整体政策影响总体上处于一个衰落期；另外，虽然MWT在产业上工艺相对简单，但是其正面存在细栅线还是对光具有遮挡作用，而克服这一问题的其他类型背接触太阳能电池例如：发射极电极绕通太阳能电池（emitter wrap through简称EWT）、交叉式背接触型太阳能电池（Interdigitated back contact简称IBC）已经逐渐兴起，不免对该类型电池的申请造成了一定的影响。

图2 专利申请量随时间分布

2.2 专利申请人分布

目前申请人的国家分布参见图3，中国的申请量最多，达到178件，占比41%，可见中国的企业还是比较重视MWT太阳能电池这一研究领域，积极进行该领域的研究并通过专利保护自己的研发成果。另外美国在该领域申请74件，位于第二位，韩国、日本以及德国申请41/36/36件位于第三阶梯，以上这几个国家也是太阳能领域发展较快的国家。但是在PCT申请方面，美国的申请量最多，占比31%，上述其他几个国家虽然整体申请量不多，但是PCT的比例较高，反观中国的整体申请量较多，但是PCT申请却只有5件，仅占比3%。

对于申请总量申请人分布，以中国的苏州阿特斯阳光电力科技为首，共申请了42件，韩国的LG电子株式会社申请了共21件，中国的英利能源中国有限公司也申请了19件，此外，中国的无锡尚德太阳能电力有限公司、上饶光电高科技有限公司以及天威新能源控股有限公司也投入了部分研发。此外，例如国外的荷兰能源建设基金中心（荷兰）和弗朗霍夫应用科学研究促进会（德国）也布局了相关专利，并且曾经报道过17%的效率而受到广泛关注，是当时MWT太阳能电池较高水平。

发明人的总申请量和PCT申请量对比，总申请量第一的中国的苏州阿特斯阳光电力科技有限公司仅申请了3件PCT，也就是中国企业主要针对国内的申请，而像LG电子株式会社、E·I·内幕尔杜邦公司、荷兰能源建设基金中心、弗朗霍夫应用科学研究促进会、京瓷株式会社、HERAEUS公司虽然申请总量不多，但基本都是PCT申请。其中E·I·内幕尔杜邦公司、京瓷株式会社和HERAEUS公司是两个主要做浆料的公司，是浆料业内实力雄厚的公司，其申请保护的内容也主要是针对MWT太阳能电池的贯孔浆料；而LG电子株式会社、荷兰能源建设基金中心以及弗朗霍夫应用科学研究促进会主要保护产品的结构和方法。通过分析PCT的申请人情况以及总的申请人情况可以看出，LG电子株式会社、荷兰能源建设基金中心、弗朗霍夫应用科学研究促进会这几个国外公司都是MWT太阳能电池结构领域较强的公司，分别从产品的结构和材料进行改进；而中国的苏州阿特斯阳光电力科技有限公司虽然总申请量第一，但是PCT申请仅有3件，可见研发有待加强，一方面研发实力与上述几个国外公司差距较大，另一方面，对于专利的世界布局意识中国的企业还有待于加强。虽然中国进入太阳能电池领域起步较晚，但是作为太阳能产业的重要市场和生产国家，应该投入更高的资源研发新型太阳能电池，以打破国外关键技术的垄断。

图3 申请人情况分布

2.3 申请市场分布

图4显示了所有专利和PCT专利公开的国家分布，可见中国、美国的重要保护领域，无论是PCT还是所有专利在这两个国家都公开最多，另外欧洲、日本、韩国、台湾市场也普遍受到关注，以上国家都是是太阳能的主要生产、应用市场，因此各个国家积极在这些地区进行专利布局。

图4 公开国家分布

3 结论

2008开始，MWT太阳能电池开始进行快速发展时期，期间专利申请量指数增长，以中国为代表的太阳能主要生产和研发大国进行了相关研发资源的投入；虽然中国的总申请量最多，但是研究基础较差，因此研发实力相对比较薄弱，国际专利布局较差，这与中国企业在国际市场上的地位形成了较大反差；美国的研发实力较强，技术上具有优势，专利布局国际化，尤其是在海外市场布局精密；其中综合考虑国内申请以及专利布局情况，LG电子株式会社、E·I·内幕尔杜邦公司、荷兰能源建设基金中心、弗朗霍夫应用科学研究促进会、京瓷株式会社、HERAEUS公司这几个国外公司都是本领域的研发实力较强的公司，尤其是LG电子株式会社、荷兰能源建设基金中心、弗朗霍夫应用科学研究促进会主要致力于MWT电池结构和组件、制备的研究。

MWT电池也存在一些技术的工艺瓶颈，例如电池基板的开孔工艺通常采用激光，激光的能量比较高容易形成缺陷，并且这些缺陷后续退火中也不能完全消除，因此如何将开孔的工艺优化也是发展该技术的一项重要任务；另外，在组件组装上，MWT电池的相关配套结构还不够成熟，例如专门的带有互联结构的背板、封装的设备、测试的设备等方面配套都需要进一步优化，虽然目前MWT太阳能电池已经有部分公司生产，但是与传统太阳能电池相比，MWT电池的大规模低成本高效率的量产之路还有一定距离，需要各国研究者不断的探索。

[1]任丙彦,等.背接触硅太阳电池研究进展[J].材料导报,2008,22(9)：101-105.

[2]林阳,等.MWT和EWT背接触太阳电池结构及其技术发展[J].器件与技术,2012,49(1)：12-21.