基于专利信息的钙钛矿太阳能电池技术发展现状分析

郑富艳

摘要：新型钙钛矿太阳能电池技术的发展与产业化将为传统太阳能电池带来新的变革。近几年，钙钛矿太阳能电池的研发遇到诸多困难，但是这一领域的快速发展使其开始显示出潜在的商业前景。通过对其专利状况分析，深入研究相关技术领域的专利文献信息，得出该产业范围的的技术研发热点和发展方向，为国内相关领域工作者提供参考。制定相关的战略助力中国在光伏领域抢占国际市场先机，增强其在世界范围内的竞争力。

关键词：钙钛矿材料;太阳能电池技术;专利分析;SWOT 分析

1 引言

近年来，光伏领域兴起一个重要的研究热点课题——钙钛矿太阳能电池。在诞生后的几年内获得了较高的能量转换效率。钙钛矿太阳能电池可以做得非常薄，只需要一根头发丝1%的厚度，就可以做成太阳能电池。同时这个材料对光的吸收能力非常强，只用一微米左右的厚度，就可以吸收近100%的太阳光谱中可见光的能量。早期研究发现，钙钛矿太阳能电池只能维持几分钟的寿命现在已达两个多月。开始的光电转化率是3%，在研究人员的改进下，现在的光电转率已经达到24.2%，几乎快要达到传统太阳能电池的最高转化率。目前，还没有发现与钙钛矿太阳能电池技术专利战略研究相关的文献，利用Patyee壹专利检索数据库对专利数据中相关的1 300条专利文献进行检索并统计分析，得出我国钙钛矿电池技术的专利申请情况。制定相关的专利战略推动我国的太阳能电池技术未来的开发与研究，促进该领域的深入探索与研究。

2 行业发展阶段与专利申请状况

2.1 专利申请年份分布

主要对钙钛矿太阳能电池技术领域2013年以来专利申请数量进行统计，在2013年以前，专利布局几乎没有，分析历年该领域的专利申请量，了解钙钛矿电池材料的研发情况和发展趋势。统计如图1所示。

从图1中可以看出，2013年以前，我国在钙钛矿太阳能电池材料领域处于起步阶段，刚刚有研究萌芽，专利申请数量少，一方面是钙钛矿太阳能电池技术发展情况有所关联，另一方面专利意识不强也是一个重要的因素。从2014年开始，我国钙钛矿太阳能电池材料领域发展迅速，专利申请数量总体处于上升趋势，2020年由于疫情的影响，申请数量有微小幅度回落，但不影响总体上升进程。这表示我国对钙钛矿电池材料领域越来越重视。从增长速度可以看出，我国在钙钛矿电池领域的技术还会继续创新，因此应该引起高校、政府和企业的重视，加大该领域的投入和研发资金，促进该领域技术能够取得进一步的发展。

2.2 专利类型数量分析

通过对不同类型的专利数量进行统计分析，钙钛矿太阳能电池材料领域是以发明专利的数量为主，实用新型为辅的专利申请模式。发明专利1 206件，实用新型93件，分别占比为93%、7%。新型材料都可以申请发明专利，但在原有技术上改进去申请实用新型的专利比较少。不同类型的专利数量如图2所示。

2.3 专利权人机构属性分析

从图3中可以看出，高校是专利权人的主体，申请数量共有870件，占比66.92%，其次是企业，申请数量是295件，占比22.69%，第三是科研院所，申请数量是182件，占比14%，最后是个人，有41件，占总数3.15%。从数据库中的前五名合作专利最多的申请人信息中统计得出，科研院所与企业，企业与企业之间的合作是较多的，如表1。高校与企业之间的合作较少，为了更好促进产学研深度融合，要加大高校和企业之间的紧密合作。公司和高校应该联动推动知识前沿，成为创新和经济增长的强大引擎。企业应寻找有科研实力的高校进行长期性和战略性合作，通过相互作用的良性循环向双方提供更大的和一般情况下未预料到的利益。对于高校来说，企业为其提供更多的安全资金，可以增强学术实力。高校、个人与企业的合作都有待加强，应该向中国科学院上海硅酸盐研究所学习，在创新技术的同时，注重交流和合作，更好促进社会发展和技术创新。

2.4 专利区域分布分析

专利区域分布情况如图4所示。对排名前10的地域进行分析作统计。从图看出，江苏以315件专利成为钙钛矿太阳能电池材料技术领域申请数量最多的省份，其次是北京市，申请量为176件，广东省、浙江省和湖北省的申请专利数量相差不大。除此之外，上海市、四川省陕西省、山东省也有相对较多的钙钛矿电池技术的专利申请。这表明，江苏省在中国钙钛矿太阳能电池技术相关专利有很大的市场，体现了其钙钛矿电池材料研究技术的实力，在我国占据一席之地。太阳能电池的发展经历了三个阶段。第一代是用单晶硅材料制成的太阳能电池。不过制造高纯硅面临着造价高、耗能高等难题，这严重制约了硅基太阳能电池的商业应用范围。第二代太阳能电池主要指薄膜太阳能电池。第三代太阳能电池即钙钛矿太阳能电池。伴随着太阳能电池技术的不断发展，其技术创新需求也将不断地纵深发展推动技术革新。在上图中的技术重点发展区域，如江苏省和其他具有经济实力、科研创新能力与资源优势的地方，无论是专利申请的数量还是技术的创新，都将保持一个稳定向上的增长趋势。

2.5 IPC分析

通过分析钙钛矿太阳能电池技术领域的IPC分布情况，可以了解到该技术领域的热点和研发重点等相关信息。对钙钛矿太阳能电池的IPC小类的不同分类号的专利數量进行统计分析，如图5技术领域主要有下图几种类别，其中HO1L这种小类专利数量独占鳌头遥遥领先，占专利总数的90%以上。HO1L的具体含义是半导体器件;其他类目中不包括的电固体器件。

3 热点领域—HO1L技术领域

在1 300条专利文献中，其中在HO1L领域申请的专利总数量高达1 290件。因此，在半导体类器件传输材料的研究一直是钙钛矿太阳能的热点。对钙钛矿太阳能电池HO1L技术领域专利的申请数量和专利权人数量随时间序列而变化的情况绘制成技术生命周期图，如图6所示。通过技术生命周期图可以判定技术发展所处阶段，作为研发投入的参考。从图中可以看出，钙钛矿太阳能电池材料HO1L技术领域专利起步较早，2013年申请数量为零，到2014年的39件，之后快速发展，这和钙钛矿太阳能电池专利申请数量的总体趋势是一致的。2018和2019年，专利数量都保持稳定并且专利数量较多，显示出在该方面市场研发创新的积极性是非常高的。因此，企业、高校和研究所应该对钙钛矿太阳能电池材料HO1L技术领域增加投入力量，促进半导体材料方面的结构与性能创新。

4 研究方向

对钙钛矿太阳能电池器件进行结构和工艺的分析，再通过阅读论文文献与专利文献统计得出，钙钛矿太阳能电池技术的研究主要是对其半导体器件结构的研究，主要专利围绕空穴传输层、钙钛矿层和电子传输层进行研究。在空穴传输层掺杂材料元素，对其结构进行研究，寻找新的钙钛矿材料和添加剂以提高钙钛矿稳定性。在钙钛矿吸收层，一方面是改进钙钛矿材料的结晶度和相应界面，并寻找合适的环保材料来替代钙钛矿中有毒有害元素铅。通过专利库看出，各高校、企业、科研院所和个人在专利布局方面主要也是围绕结构性能的改善来申请实用新型和发明专利的。因此，各研究单位应该在结构方面加大研究，早日突破钙钛矿电池材料技术现有的难题。

5 SWOT分析方法

通过SWTO分析方法，对当前钙钛矿太阳能电池材料技术的优劣势与机遇挑战进行分析，如表1所示。

5.1 优势方面

随着相关人员对该领域不断地研究，在太阳能电池等领域实现了技术突破，使得技术更上一个台阶。钙钛矿电池中的平板型电池，主要朝着低温的方向发展，具有可以降低成本，有较广的商业前景。我国研究所和高校，人才济济，这都为我国太阳能电池的发展奠定了坚实的基础。

5.2 弱势方面

长期稳定性还有待验证，高效率和高稳定性还不能同时满足。制造颜色的限制，使其不能大规模地推给建筑大楼的设计师，相关适宜的颜色研发需要进一步加强。近些年我国虽然在该领域取得了技术突破，但是一些核心技术受牵制于国外，所以更要加强知识产权强国的意识，提高该领域的专利申请意识。

5.3 机遇与威胁

随着部分能源面临枯竭，一些能源开发对自然生态环境造成了破坏。世界各国相关技术人员也不断加大对太阳能资源的研究力度，积极开展对钙钛矿太阳电池的应用研究。越来越高的需求使得太阳能电池处于主体技术转换时期，发展潜能巨大。世界各国都在积极研发高效率高转化率的钙钛矿太阳能电池材料，制定优先发展战略，体现了该技术领域世界竞争日趋激烈[1]。

6 专利战略

我国钙钛矿太阳能电池材料的发展从2013年以来已经在申请专利问题方面取得了一定的进步，但结合专利战略看其发展，还处于基础性研究阶段。全面的专利检索和分析可以预测未来的发展趋势。通过专利文献的检索与SWOT的分析，从国家层面、企业层面和高校研究所三个层面提出一些对策与建议。

6.1 国家层面

在2019年，科技部高技术研究发展中心把钙钛矿太阳能电池技术立为国家重点研发项目[2]。我国可以建立相关专利信息平台，为该领域的企业和其他机构提供方便快捷的专利信息服务，建立专利预警平台。专利预警的实现可以通过各种数据库的建立和共享。健全专利制度和预警体系的基本框架，都将为钙钛矿太阳能电池技术未来的技术发展提供指导作用。鼓励企业加快新产品、新技术开发步伐和对引进先进技术进行消化吸收与再创新。

6.2 企业层面

虽然企业对知识产权的认识热度高涨，而真正运用知识产权构建商业模式，利用知识产权投资、入股、甚至上市的还少之又少。企业在研发过程中容易忽视一些有价值的专利，可以借助或寻求专业的知识产权代理机构，来帮助企业更好地挖掘潜在的知识产权。企业的研发技术部门，在知识产权方面应该经常性地与一些走在行业前沿的专业代理机构进行有效沟通，挖掘有价值的专利。

6.3 高校和科研机构层面

《公司法》第27条规定，股东可以用货币出资，也可以用實物、知识产权、土地使用权等可以用货币估值并可以依法转让的非货币财产作价出资，以非货币财产出资应当评估作价，核实财产，不能高估或者低估作价。经过专利数据库分析，高校的专利成果申请量是最多的，高校科研院所可以通过科技成果作价出资来促进创新，让技术变成财富推动共赢。与此同时，加强对高校的专利管理，组建专家团队进行专利导航和布局，为开展成果转化奠定了坚实的基础。

7 结语

随着社会的快速发展，煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。石油、煤等不可再生资源的不正当使用使环境污染愈发严重，人类生存受到很大威胁[3]。太阳能电池在发展市场占有率高发展最为完善，与此同时钙钛矿太阳能电池技术的出现及创新将为能源市场带来巨大的转变。能否取得技术话语权的关键在于能否掌握核心科技，我国相关行业人员应该依靠自主创新知识产权战略，提高产品知识产权保护意识，做好知识产权专利侵权防范工作，运用知识产权战略来提高核心竞争力。未来，在智能化和个性化趋势的推动下，准确定位，积极促进钙钛矿太阳能电池的创新发展，在太阳能电池这个新兴的技术领域里，市场的抢占与竞争依靠核心技术的支撑，而核心技术的保护依赖专利的争夺。随着专利法律法规的日益规范化与国际化，越来越多的企业会通过专利手段控制创新市场。

参考文献：

[1] 逄淑平，新能源电池——高效率有机-无机钙钛矿太阳能电池的研究[Z].青岛：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，2017.

[2] 杜春雷.钙钛矿型材料制备及性能[J].化工设计通讯，2020，46（08）：29-30.

[3] 熊继光，秦校军，董超，等.钙钛矿太阳能电池研究进展及面临的挑战[J].化工新型材料，2020，48（08）：1-5.