我国薄膜太阳能电池发展态势研究——基于文献计量和专利分析

付 英 ，邸 金 ，李建伟

（1.甘肃省科学技术情报研究所，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省科技评价重点实验室，甘肃 兰州 730000）

一、引言

太阳能是可开发利用的最大能源，太阳能电池是太阳能的主要转化装置，又被称为“太阳能芯片”或“光电池”[1]。目前，全世界60%的国家投入到太阳能电池的普及应用中，其中40%以上的国家已经大规模地开展了太阳能电池的研发利用。我国从第六个“五年计划”开始，启动太阳能电池的实践与探索，太阳能电池行业由于产能过剩，产业和产品向跨界整合已成为新的趋势，薄膜太阳能电池成为缓解能源危机的新型光伏器件之一。我国《电力发展“十三五”规划》明确提出，分布式光伏发电装机规模目标为6 000万kW以上，至少要增九倍以上，光伏产业格局将发生大变革，薄膜电池组件将涌上浪头。因此，文章从文献计量和专利分析的视角，综合运用多种计量方法，对我国薄膜太阳能电池文献研究和专利申请进行计量分析，动态跟踪前沿研究，预测今后发展趋势，进而提出相关建议，以期为该领域研究与实践提供参考。

二、研究方法与样本选取

现有的文献信息分析主要有统计分析、文献计量分析、社会网络分析、Pub Med分析等技术和方法，以此快速地获取高价值信息，追踪学科前沿[2]。词频分析一般涉及数据检索、清洗加工、词汇提取、统计分析等阶段[3-4]。就文献来源看，国内外建立了SCI、SSCI、Scopus、Derwent、CNKI、CSSCI、万方、维普等众多综合性数据库，存储的数据量巨大，但所涵盖的学科门类却各有侧重。因此，研究以CNKI数据库为检索工具，检索条件为“篇名=薄膜太阳能电池”，检索关键词为“模糊匹配”方式，时间跨度为1980—2018年，检索结果为7 194篇，剔除外文文献后，共检索文献2 015篇。为确保研究的客观性、科学性和可行性，综合运用数据过滤法、数据拆分法、数据降维法等多种数据清洗方法，剔除与主题不相符的会议纪要、会议通知、新闻评论、技术简介、网络报道等九条非研究性文献后，最后得到2 015条记录。利用Excel这一统计工具，运用文献计量分析法、可视化分析法和内容分析法等方法，从载文量、高频作者、研究热点、核心期刊、专利布局等方面对该领域的研究态势进行挖掘和分析，追踪研究热点，预测发展趋势，从而得出相关结论。

三、我国智能制造研究态势

（一）年度载文量统计分析

研究数据显示，国内学者关于薄膜太阳能电池研究在CNKI中收录最早始于1980年，由中国科学院长春应用化学研究所率先开展研究。整体上分为三个阶段：1980—2002年，我国尚处于探索阶段；2003—2011年，研究基本呈逐步上升的趋势；2012—2018年，呈现快速上升趋势。国内有关薄膜太阳能电池论文年代分布如图1所示。由此可见，我国该研究领域学术研究逐步进入白热化，尤其是在我国提出实施“创新驱动发展战略”之后，论文数量出现了一个转折性的高峰期，这说明薄膜太阳能电池研究领域具有很大的活力。可以预见，在产业转型升级的背景下，今后薄膜太阳能电池研究领域的文献数量仍将保持快速增长，研究队伍也在不断壮大。

图1 国内薄膜太阳能电池论文年代分布图

（二）高产作者统计分析

研究显示，在该研究领域中发文最多的作者为赵颖，发文量达101篇，其中50.08%的作者仅撰写1篇论文，侧面说明作者分布相对集中。按照普赖斯的理论，经测算发表论文数为7.53篇以上的作者为杰出科学家（核心作者），即在该领域核心作者群体的发文量均在7篇及以上。经统计，该领域发文量在30篇以上的高产作者主要有：赵颖、孙云、张晓丹、熊绍珍、耿新华、戴松元、李长健、张静全、何青、武莉莉、黎兵、许颖、冯良桓、李卫、郑家贵、蔡亚平、孙建、王孔嘉、蔡伟等。为了更直观地显示该领域的高频作者，文章运用加权统计法，量化排名前15位的作者在该领域的权重（见表1）。按作者加权统计，武四新、张瑞峰、薛俊明和王孔嘉这四位作者超过武莉莉（2.858 3）、冯良桓（4.260 4）、李卫（3.011 4）和郑家贵（3.928 2）。因此，经过加权统计测算的这些学者可作为薄膜太阳能电池领域的核心作者，他们的研究推动了我国薄膜电池研究的发展。需要说明的是，某研究领域中核心作者发文量约占总发文量的50%时，学科的高产作者群才得以形成[5]。经测算，该领域前50位作者总发文量占论文总数的69.76%，远高于50%的要求。因此，该研究领域稳定的核心作者群初步形成。

表1 薄膜太阳能电池研究领域排名前15位的高产作者

（三）高频关键词统计分析

数据清洗后，列有关键词的文献共2 007篇，共有3 374个关键词。为便于标准化统计分析，对同义不同表达的关键词进行合并归类、统一表述，对词频仅为1次的关键词予以过滤，清洗后共得到关键词1 530个。通过统计梳理出现频次高于30次的关键词后，发现研究热点是：太阳（能）电池、薄膜电池、CIGS、染料敏化太阳能电池、磁控溅射、转换效率、非晶硅、钙钛矿太阳能电池、CdS、PECVD、异质结、铜锌锡硫、碲化镉（CdTe）、光电性能等，并可预测这些热点将成为未来的研究趋势（见表2）。

表2 薄膜太阳能电池领域高频关键频次（30次及以上）

（四）核心期刊与资助情况统计分析

通过对薄膜太阳能电池研究论文的期刊分布统计，可以进一步追踪薄膜电池研究的热点领域。本研究所统计的2 007篇薄膜太阳能电池研究论文，有262篇论文出现在会议论文集中，论文集总计56种，其中在《新型太阳能电池学术研讨会论文集》《新型太阳能电池暨钙钛矿太阳能电池学术研讨会论文集》《中国太阳能学会学术会议论文摘要集》《中国光伏会议论文集》论文分布较多。

从期刊来看，有1 745篇论文分布在期刊中，期刊数总计484种。期刊载文量分布差异较大，载文量最多的达到106篇，最少的仅为1篇。其中，薄膜太阳能电池领域的中文核心期刊是排名前20位的期刊，如表3所示。将已发表的1 745篇论文所在期刊分为刊载20篇及以上分布区、刊载8～19篇分布区、刊载3～7篇分布区、刊载1～2篇分布区四个级别，期刊数分别为12个、36个、105个和331个，各级公比近似等于3；载文量分别为478篇、411篇、421篇、435篇，载文量均在400篇以上，载文占比均在25%左右。

表3 薄膜太阳能电池领域论文频次为16次以上的主要期刊

（五）研究机构统计分析

经统计分析，1980—2019年薄膜太阳能电池研究领域发表论文研究的机构主要分布在企业、高校和科研院所。按照区域分析法得出，薄膜太阳能电池领域的研究机构排名前16位的单位分别为：南开大学（146篇，占21.82%）、华中科技大学（49篇，占7.32%）、四川大学（48篇，占7.17%）、河北工业大学（44篇，占6.58%）、河南大学（42篇，占6.28%）、中国科学技术大学（41篇，占6.13%）、上海交通大学（35篇，占5.23%）、郑州大学（34篇，占5.08%）、中科院等离子体物理研究所（34篇，占5.08%）、北京市太阳能研究所（31篇，占4.63%）、中国电子科技集团第十研究所（30篇，占4.48%）、浙江大学（28篇，占4.19%）、云南师范大学（28篇，占4.19%）、华东师范大学（27篇，占4.04%）、清华大学（27篇，占4.04%）、中南大学（25篇，占3.74%）。由此可见，对薄膜太阳能电池研究的机构，呈现出以高校为主、院所为辅的趋势（见图2、表3）。

图2 薄膜太阳能电池领域论文研究排名前16位的主要单位

四、我国智能制造研究领域热点与趋势分析

（一）研究热点

知识图谱可以综合利用各学科理论和方法，通过空间形态来发现、描述、分析以及最终展示数据或文本之间的相互关系，揭示学科发展历程、研究现状、前沿领域以及整体结构和变化动态，预测未来发展方向[6-7]。为全面掌握薄膜太阳能电池的研究动态，基于关键词从论文和专利视角挖掘该研究领域的热点主题，如图3所示。

图3 基于关键词的我国薄膜太阳能电池相关论文热点主题分布

由图3可以看出，我国该领域的相关研究主要集中于转换效率、非晶硅薄膜、电沉积、铜锌锡硫（CZTS）等主题，薄膜太阳能电池的相关研究集中于非晶硅、CIGS、CdTe、CdS、转化效率、磁控溅射以及缓冲层等[8]。

国内外专利机构研究显示，全世界九成以上的新技术信息最早在专利文献中得到反映，通过专利检索可以评定专利申请通过授权的可能性，有效地收集最新专利资讯，追踪相关技术发展动向，有效缩短研发经费与时间的投入[9-10]。经检索Incopat专利数据库发现，2000—2018年中国共申请智能制造相关专利4 801件，远高于日本、美国和韩国，2012年在该领域专利申请量达到顶峰。综合来看，我国在该领域专利申请量排名前十的省份和地区分别为：江苏（14.55%）、广东（10.18%）、北京（9.91%）、上海（9.43%）、浙江（6.20%）、安徽（4.37%）、四川（4.37%）、河南（3.66%）、福建（3.14%）、中国台湾（3.02%）。从中国授权专利来看，我国拥有实用新型专利、发明专利、外观设计专利数分别为1 342件、907件和15件。排名前十的申请人分别为吉富新能源科技（上海）有限公司（3.58%）、深圳市创益科技发展有限公司（1.79%）、电子科技大学（1.62%）、中原工学院（1.37%）、无锡同春新能源科技有限公司（1.12%）、无锡市翱宇特新科技发展有限公司（1.10%）、北京铂阳顶荣光伏科技有限公司（1.04%）、湖南共创光伏科技有限公司（0.97%）、张一熙（0.91%）、蚌埠玻璃工业设计研究院（0.87%），该领域专利申请以企业为主、院所为辅。根据国际专利分类（IPC），薄膜太阳能电池领域专利各部占比由多到少的排列分别为：H（77.46%）、C（14.49%）、B（12.93%）、A（8.18%）、F（6.18%）、G（5.18%）、E（4.70%）、D（0.33%），可见该领域专利主要集中在电学领域，如图4、表4所示。

图4 基于Incopat检索的我国薄膜太阳能电池技术分布（排名前十位）

表4 基于Incopat检索的我国薄膜太阳能电池技术分布（排名前十位）

（二）趋势分析

从全球范围来看，晶硅太阳能电池的研发和产业化取得了一系列新成果、新突破，太阳能光伏电池市场逐步向薄膜太阳能光伏产品转移。其中，CIGS薄膜太阳能电池转换效率（实验室）已经超过了20%，而且性能稳定、发电量高、安全环保，成为欧美国家关注的热点。就国内来看，薄膜太阳能电池产量增长较快，由2009年的263 MW增长到2017年的1 191 MW。就发展趋势来看，薄膜电池行业近几年初具规模，不论技术水平、行业成熟度、供应链等均处于逐渐成熟的过程中，未来发展则应更侧重于制备工艺简单、设施要求低；电池稳定性好、寿命长；光电转换效率高、安全环保；原料成本低、来源丰富，实现规模效益后有望成为市场的主流选择[11]。

五、结论与讨论

从现有学者的研究成果来看，常见的薄膜太阳能电池有非晶硅、CuInSe2（CIS）、CuInGaSe2（CIGS）和碲化镉（CdTe）等。文章通过对1980—2018年国内薄膜太阳能电池相关的研究论文和专利申请分析，发现国内该领域研究已经取得了一定的突破，并趋向白热化发展。在研究热点问题方面，通过关键词词频分析及专利检索得出，非晶硅、铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）、光电转化效率、磁控溅射、缓冲层等是国内该领域研究的重点。在载文量方面，发表该领域论文的期刊多为行业专业性研究的期刊和部分会议论文集。通过作者分布规律分析，得出该研究领域稳定的核心研究群体已基本形成，论文文献研究主要以高校为主、院所为辅，专利申请以企业为主、院所为辅。从发展趋势来看，薄膜太阳能电池的未来发展更侧重于工艺简单、电池稳定性好、寿命长、光电转换效率高、安全环保等方面。需要说明的是，由于数据量和数据清洗略有不足，可能导致研究结果不够全面，研究也将在后续的分析中进一步完善并加以改进。