全球太阳能技术中心转移及核心主题演进研究

栾春娟,宋博文

(1.大连理工大学人文与社会科学学部,辽宁 大连 116024；2.大连理工大学知识产权学院,辽宁 盘锦 124221)

0 研究意义

探索全球太阳能技术创新发展的地理空间变迁与核心主题演进，对我们正确制定和实施新能源发展战略和政策，具有重要的理论意义和实践意义。太阳能技术的发展经历了哪些阶段？在每个发展阶段高产国家发生了怎样的变迁？核心主题是怎样演进的？本研究拟对这些问题进行探讨。

世界科学中心转移问题，长久以来吸引着学者们的注意力。1954年，贝尔纳首次提出了世界科学中心转移[1]。汤浅光朝[2]在1962年提出，如果一个国家的科学成就所占同期全球的比例超过25%，则该国为世界科学中心。赵红洲等[3]依据自然科学大事年表数据进一步揭示了世界科学中心转移现象。潘教峰等[4]阐述了近现代以来，意大利—英国—法国—德国—美国相继成为世界科学中心的发展趋势，并创造性地提出了促成世界科学中心的形成、演进与更替的五要素钻石模型：经济繁荣、思想解放、教育兴盛、政府有力支持等社会因素以及科学成果涌现时机因素。孙玉涛等[5]分析了美国之所以能够长期占据世界科学活动中心位置是因为科学家跨国迁移，并运用诺贝尔奖获得者数据对世界科学活动中心转移进行了实证研究。已有的研究成果主要集中于科学中心的转移，近些年一些学者开始关注全球技术与产业的空间演变。O’Shaughnessy 等[6]分析了美国太阳能产业的空间分布，揭示了美国太阳能光伏发电地区之间的差异。Dincer[7]探索了领先国家太阳能光伏发电的潜能与政策。栾春娟等[8]探索了世界数字信息传输技术领域专利中心转移的发展趋势。

技术主题演进的研究近些年引起了国内外学者的关注。Wu等[9]利用荷兰莱顿大学科学技术研究中心开发的CitNetExplorer软件，探索了电化学储能技术的主题演进，其提炼主题的过程虽有一定主观性，但因其依据图谱中的技术代码提取的，因此还是具有较强的科学性。学者们研究更多的是科学主题的演进[10-12]、技术热点[13-15]、技术发展轨迹[16-18]和技术前沿探测[19-21]等相关问题。

本文拟基于全球太阳能技术领域1920—2018年间发表的全部发明专利304530个结果，探索在近100年的发展历程中，不同发展阶段的高产国家/地区分布，并追踪不同发展阶段核心主题的演进，以期为我国太阳能产业技术的发展提供决策参考。

1 研究方法

1.1 理论框架

作为创新重要成果的专利文献，因其含有丰富的技术信息而被广泛应用于探测产业技术发展和演进的研究工作中[22-23]。本研究中的全球太阳能技术领域专利数据采集方案如图1所示。在PatSnap数据库完成数据检索与精炼之后[24]，采用地图可视化和文本聚类分析方法 (Text clustering analysis)，探索全球太阳能领域技术中心转移及核心主题演进等问题。

图1 理论框架

地图可视化是以计算机科学、地图学、认知科学、信息传输学与地理信息系统为知识基础，将地图作为载体，通过直观、全面以及精确的图片信息[25]，传达地理信息并揭示自然、社会及科学发展规律，从而实现认识世界的目的[26]。地图可视化技术的应用有助于信息辨别以及对于信息创造和发展新次序的认知，相较于图表以及文字介绍更富有直观性和交互探究性[27]，是当前空间数据分析的重要方法与工具。本研究采用的地图可视化工具为Tableau软件，该软件通过即时地理编码将已有的地理位置数据和信息转化为带有16级缩放的丰富交互式地图[28]，并通过本地数据在Tableau软件中的集成实现地理信息的可视化，将目标信息全面、准确的展现于地图中。

核心主题演进采用文本聚类分析方法，该方法采用的是Lingo3G文本文档聚类算法 (Lingo3G text document clustering algorithm)[29-30]。该算法具体通过短语发现 (phrase discovery)和语义索引 (Latent Semantic Indexing，LSI)技术相结合，将文本分为有意义的关键词或短语组[31-32]，即本文中的核心主题。Lingo3G进一步使用向量空间模型 (Vector Space Model，VSM)算法来确定哪些特定关键词或短语与这些核心主题存在密切关系及其发生频次[33-34]。文本聚类算法使用单词词干 (word stem)来识别具有相同词根的各种单词形式[35-36]，之后过滤掉常见的停止单词 (again，the，same等)和短语。如果专利文件与集群的核心概念有充分的相关性，则可能分为多个集群，每个集群进一步细化，形成层级结构的第二层，提供了更精细的关键词维度分析。

1.2 数据检索与分布

本研究数据来源于全球专利数据库PatSnap。该数据库深度整合了从1790年至今的全球106个国家/地区的1.2亿条专利数据。检索采用国际专利分类代码 (international patent classification code，IPC)。由于IPC代码与技术领域之间并不存在非常清晰的一一对应关系，在这种情况下，要检索出某一特定技术领域的全部专利常常是一件比较困难的事情，本研究依据世界知识产权组织 (World Intellectual Property Organization，WIPO)最新提供的、太阳能技术领域专利的IPC代码进行检索[37]，得到的检索结果最大限度地保证了查新查全。我们按照图1所示步骤进行了数据检索与精炼：第一步，选择WIPO提供的IPC代码；第二步，为了避免数据重复，选择只显示经过欧洲专利局EPO处理的国际专利文献，即 “INternational PAtent DOCumentation”家族 (INPADOC family)[38]，和每个国际专利文献家族的一个代表专利文件 (One representative per INPADOC family)；第三步，选择发明专利 (invention)。最后得到304850个检索结果。图2显示了全球太阳能发明专利发展趋势与发展阶段。

第一阶段：1920—1973年，太阳能技术萌芽阶段。该阶段全球太阳能技术发展非常缓慢，专利数量从个位数到十位数到百位数，1973年的数量首次超过500条。第二阶段：1974—1996年，快速发展阶段。该阶段的发展速度明显加快，1974年专利数量首次超过1000条，之后每一年都保持在1000条以上的发展速度，1996年数量接近4000条。第三阶段：1997—2018年，高速发展阶段。1997年专利数量接近5000条，之后每一年都在5000条以上，2011年超过了18000条。

图2 全球太阳能发明专利发展趋势与发展阶段

2 结果与讨论

2.1 技术中心转移

全球太阳能技术的发展主要分为三个阶段，通过分析各阶段的专利空间分布比例可以发现，技术中心呈现出由美国转向日本，最后以中国为中心的转移趋势。在第一阶段，全球太阳能专利活动强度最高的国家是美国，美国的占比超过30% (见表1)；之后是日本，占比超过20%；而后是法国 (占比15%左右)和德国 (占比12%左右)；第5位是英国，占比9%左右。

第二阶段全球太阳能技术中心转移到日本，日本占比超过60%，遥遥领先于其他国家；美国占比下降为17%左右；德国与法国的占比也都下降到5%以下；欧洲专利局EPO受理的太阳能专利申请接近2%。第三阶段全球太阳能中心转移到中国，该阶段中国占比超过30%，成为太阳能专利活动最活跃的国家；日本的比例也很高，占比超过26%；美国的占比接近20%；韩国占比接近10%；中国台湾占比超过3%。

表1 三个阶段太阳能专利产出前5名国家/地区

2.2 核心主题演进

全球太阳能技术发展三个阶段的每个阶段核心主题分布如表2所示。该表揭示了全球太阳能技术核心主题演化状况：热 (Heat)—半导体层 (Semiconductor layer)—太阳能电池 (Solar cell)。

表2 三个阶段太阳能技术前10核心主题

在发展速度低缓、时间漫长的第一阶段，人们已经认识到，来自太阳系的热 (Heat)这种宝贵资源，开始好奇、关心、急于探索开发利用这种宝贵资源，即太阳能。围绕如何采集、开发、利用来自太阳的热能而发展了半导体器件、P-N结、基底、电发光、发光二极管等专利技术。第二阶段，半导体层 (Semiconductor layer)成为太阳能技术发展的核心主题。同时该阶段还新出现了液晶、薄膜、绝缘薄膜、像素电极、太阳能电池、太阳能充电器等新兴技术。第三阶段，太阳能电池 (Solar cell)是最近发展阶段中最核心的太阳能技术主题。此外还有显示设备、半导体层、太阳能发电、陈列基板、蓄电池组、光伏组件等新兴技术。

2.3 整体发展模式

根据全球太阳能技术的主要发展阶段，结合各阶段的技术中心转移及核心主题演进特征，绘制出太阳能技术的整体发展模式，如图3所示。

图3 太阳能技术整体发展模式

第一阶段为太阳能技术发展的萌芽阶段，由于矿物燃料的大量开采以及太阳能使用效率过低等因素[39]，太阳能技术在这一阶段并未受到广泛重视，所以该阶段的太阳能技术发展较慢[40]。但由于贝尔实验室的硅太阳能电池的研发成功使得美国在太阳能领域抢先获得优势[41]，美国在该阶段占有超过30%的专利数量，随后是日本、法国、德国、英国等国。从该阶段研究的核心主题能够发现，该阶段的研究核心集中在半导体器件P-N结、基底、电发光、发光二极管等专利技术，这些技术多为第一代太阳能电池以及太阳炉的技术基础与核心[40，42]，为后期的太阳能技术发展及应用奠定了基础；第二阶段为太阳能技术发展的成长阶段，全球能源结构发生变革，中东战争以及石油危机的爆发，极大地加速了太阳能技术的发展。由于本土能源的匮乏，日本政府于1973年开始实施 “新能源开发战略”即 “阳光计划”，并将其列为国家重要战略，随后20年时间里，日本政府先后发布了 “节能技术开发计划” “能源与环境领域综合技术开发推进计划”等一系列举措[43]，并投入大量资金用于清洁能源的开发，使得日本在太阳能领域快速发展[44]，占有该阶段63.18%的专利，遥遥领先于其他国家，该阶段的技术中心由美国转向日本，同时期，中国也开始逐步发展自己的太阳能技术。从研究主题来看，该阶段的太阳能技术研究逐渐增加了液晶、薄膜、绝缘薄膜、像素电极、太阳能充电器等新兴技术，这些技术在发展第一代太阳能电池的同时，也为第二代、第三代太阳能电池的发展起到了极为重要的推动作用[45]。1997年起太阳能技术的发展进入了第三个阶段，以中国为核心的亚洲国家和地区逐渐成为太阳能技术发展的技术中心。第三阶段专利数量排在前五位的国家和地区中，有4位来自亚洲，中国、日本、韩国及中国台湾地区的专利总量占到总体的71.8%，中国也逐渐成为全球太阳能技术研究的技术中心，专利数量占总体的32.16%。日本、美国紧随其后专利数量分别占总体的26.3%、19.03%。这一阶段中国太阳能技术的高速发展离不开 《国家中长期科学与技术发展规划纲要 (2006—2020年)》中对光伏产业及太阳能技术的重视[46]。该规划纲要的实施，极大地推动了我国太阳能技术的发展。从该阶段太阳能技术的研究主题来看，全球太阳能技术的研究仍以太阳能电池为重点，在完善原有半导体层、液晶等技术的同时加大了对陈列基板、蓄电池组、光伏组件等技术的研发，为第三代太阳能电池及光伏发电系统的发展和应用推波助澜。

3 结论与展望

本研究的创新点在于以1920—2018年间太阳能技术领域相关的304850条发明授权专利为对象，依照专利年增长量的变化情况将全球太阳能领域的发展划分为三个阶段，并在领域发展的阶段性信息的基础上，分别以专利的地理信息以及研究主题为分析视角，挖掘出不同阶段下太阳能技术领域发展的技术中心，以及在不同阶段下的核心研究主题。结果揭示了太阳能领域技术中心的转移以及核心主题的演进情况：太阳能技术发展过程中，不同阶段的技术中心存在差异；随着研究范式的变化及需求的改变，太阳能技术的核心研究主题也在不断转变。研究结果对认知国际太阳能产业发展局势和进一步优化企业兼并重组市场的实施，具有重要的理论意义与实践意义。

整体来看，太阳能技术经历三个阶段，核心主题从早期的发热、P-N结、基底、电发光、发光二极管等基础型研究，发展成为液晶、薄膜、绝缘薄膜、像素电极、太阳能充电器等应用型研究，再逐步将发展重点放在陈列基板、蓄电池组、光伏组件等追求清洁高效节能的优化型技术研究，技术中心上呈现出美国—日本—中国的阶段性转变。随着国际能源危机的日益加剧，太阳能技术将在未来的能源产业中占据越来越重要的地位。中国作为当前国际太阳能技术研究的重要技术中心，在发展中应切实适应自身角色的改变，从过去的跟跑并跑变为现在领跑。因此，中国的太阳能技术研发机构应在牢牢把握国际趋势的同时，大力发展创新型太阳能技术，推动国家新能源产业的建设和发展，助力创新驱动发展战略的实施。