光伏產業發展的技術路徑研究

李 婷／石家莊經濟學院技術經濟及管理，河北 石家莊 050031

郭鴻湧／河北省科學技術情報研究院，河北 石家莊 050021

光伏產業發展的技術路徑研究

李 婷／石家莊經濟學院技術經濟及管理，河北 石家莊 050031

郭鴻湧／河北省科學技術情報研究院，河北 石家莊 050021

光伏產業是河北省大力發展的戰略新興產業，在遭遇歐盟貿易保護所帶來的打擊和我國政府的大力扶持之后，正面臨著加大技術創新、降低成本的挑戰。本文通過對國內外光伏產業技術發展現狀、特點、關鍵技術以及專利的分析，結合河北光伏發展實際提出對策。

光伏技術；專利分析；技術路徑

1 國內外光伏產業技術發展概況

1.1 世界光伏產業技術發展概況

自1839年發現“光生伏打效應”和1954年第一塊實用的光伏電池問世以來，國外太陽能光伏發電取得了長足進步。單晶硅電池的實驗室效率已經從20世紀50年代的10%提高到目前25%，多晶硅電池的實驗室效率也達到20.4%，非晶硅薄膜電池實驗室效率達到10.1%，碲化鎘太陽能電池實驗室效率達到16.4%，銅銦鎵硒太陽能電池實驗室效率達到20.3%[1]。以美國SunPower和日本Panasonic為代表的高效電池組件制造商的光伏產品效率已達到24%。日本的太陽能光伏發電系統形成了成熟的技術和產業體系，尤其是住宅建筑的太陽能光伏發電系統，已成為最大的太陽能光伏發電系統的設置用戶。目前高效單晶組件產品的成本已低于傳統單晶組件產品，但還高于多晶產品，高效電池技術在全球范圍內蓄勢待發[2]。

目前，世界光伏技術呈現的特點是經濟越發達的國家對光伏產業越重視，其技術發展也就越先進。在歐洲，德國、法國的光伏技術處于領先地位；在亞洲，日本走在前面，尤其是福島核電站事故后，綠色可再生能源成為日本發展的主流，日本的太陽能光伏發電系統已形成了成熟的技術和產業體系，戶用電源系統發展迅速，已成為太陽能發電的重要組成部分。中國也緊跟發展步伐，分布式電站和戶用電站將成為我國的主要支持方向。

1.2 中國光伏產業技術發展概況

我國光伏電池的研究始于1958年，自1981年開始，光伏電池及其應用開始列入國家的科技攻關計劃，通過“六五”到“十一五”六個五年計劃，在光伏電池器件及應用技術方面取得了可喜成績；2000年之后，國家科技部啟動了國家863計劃和973計劃，分別對光伏發電的產業化技術和基礎性研究給予支持，尤其在晶體硅電池領域，重點加強對單晶硅電池技術、多晶硅鑄錠技術、高效電池技術、晶體硅電池產業化技術以及特殊太陽電池組件的開發[3]。目前，單晶硅電池的實驗室效率最高24%，產業化單晶硅電池的最高效率已經超過20%；多晶硅電池的實驗室效率最高達19.5%，產業化多晶硅電池的效率已經達到18.5%。

在世界光伏市場拉動下和國家隊發展新興產業的支持和促進下，我國光伏制造業從小到大、從弱到強，已經成為全球太陽電池和組件的最大制造國。總體看，一是我國晶硅電池/組件在性價比上具有國際競爭優勢；二是多晶硅材料不具有晶硅電池/組件那樣的競爭優勢，特別是成本處于劣勢。我國現有一部分多晶硅制造企業由于成本高于國際平均水平而不得不停產，因此針對提高多晶硅性價比的技術是我國多晶硅的奮斗目標；三是在原輔材料及設備制造方面，有些材料，如封裝玻璃、切割液、密封膠等，基本滿足了國內的市場需求。但有些材料，如組件封裝材料EVA和背板材料TPT等與國外還有一定差距。我國光伏設備制造為滿足國內需求做出了重大貢獻，但高端設備與國際相比還有一定差距。高端原輔材料及高端設備制造技術水平的全面提升是我國光伏產業的重要戰略任務之一。

2 河北省光伏產業技術發展情況

2.1 基本情況

河北光伏產業起步較早，具備較好的產業基礎和競爭力。目前，河北省光伏產業水平和規模在全國處于“第一梯隊”。由《河北省高新技術企業統計報表》可知河北從事光伏產業的高新技術企業有30余家。雖然河北省有一些在全國具有較大影響力的光伏企業，比如晶龍集團、英利集團，但河北光伏行業也存在著各光伏企業科技發展水平總體差異較大的現實情況。

2012年行業危機對河北省光伏產業形成嚴重沖擊。資料顯示，當年河北省太陽能電池產量3 321.4MW，同比增長26.69%；主營業務收入累計200.11億元，同比增長-33.48%，利稅總額-27.24億元，增產不增收，虧損額逐月加大，部分以光伏產業為電子信息領域發展重點的地市虧損局面較為嚴重。即便如此，主營業務收入占河北省光伏行業近30%的晶龍、英利集團等一批太陽能光伏重點企業，在2012年的行業危機中卻逆市上揚。

2.2 重點企業技術現狀

河北以晶龍集團和英利集團為代表的光伏企業在國內外技術和市場方面都占有重要地位。晶龍集團以生產單晶硅和單晶硅太陽能電池見長，英利集團在多晶電池及多晶硅鑄碇方面發展迅猛。

晶龍集團旗下子公司晶澳公司開發了許多高效率、低成本的量產工藝和技術，打通了電池和組件量產中的技術環節，率先將所有產線上單晶電池（P型）效率提高至19.5%以上，單晶組件功率提升至270W以上，多晶電池效率提高至18.0%以上，多晶組件功率提升至260W以上。由于較好的產品品質、有競爭力的生產成本，在歐盟“雙反”背景下，晶澳能夠獲得超過50%的歐盟進口配額（晶硅電池）。從2010年開始，晶澳研發N型電池技術（Bycium，倍秀）已有4年基礎，目前Bycium實驗室批量效率達20.5%，最高到20.9%。憑借業內領先的制造技術水平以及優秀的電池技術研發能力，為低成本、高質量、高功率N型單晶產品的規模化量產提供富有競爭力的解決方案。

英利集團的Panda（熊貓）電池源于ECN的n-Pasha電池，熊貓電池量產后電池光電轉換效率在19.5%～20.0%，組件功率在270W～275W，開創了國內N型太陽能電池的新發展方向。但熊貓電池為了為了平衡成本，未采用特別復雜的流程。其與傳統P型單晶電池技術主要差異如下：需要以少子壽命較高的N型硅片作為襯底，前表面進行硼擴獲得PN結結構，需要應用前表面鈍化技術和背表面鈍化技術，背面需要金屬Ag柵線收集電流，流程相對復雜、輔料成本較高。

3 光伏產業關鍵領域技術分析

多晶硅原材料、硅片的制備、高效太陽能電池制備等幾個關鍵領域的技術發展情況是：

3.1 多晶硅原材料

改良西門子法加低溫氫化技術是目前全球多晶硅原料的主流科技方向，在提高效率、降低成本特別是降低電消耗方面效果顯著。我國90%以上是改良西門子法，改良西門子法加低溫氫化技術是我國行業發展的基本態勢。

3.2 硅片的制備

3.2.1 晶體硅的制備。晶體硅分為單晶硅和澆鑄硅，兩條技術路線的爭論持續了近30年。市場的占有率與兩種方法在不同時期所產生的科技進步緊密相連。澆鑄硅產量大成本低，但是制備電池的轉換效率相對較低；單晶硅產量低、成本偏高，但轉換效率是目前光伏電池中最高的。歐洲屋頂電站最興旺的時候，也是單晶硅在世界市場占有率最高的時候。中國光伏發電的發展初期階段主要以地面大型電站為主，由于不受占地面積的限制，澆筑硅因其成本較低得到了長足的發展。隨著分布式電站的實施，單晶硅還會重新占據上風，兩條技術路線的競爭也還會長期存在。

在單晶硅制備中，目前全球主要采用的是P型摻硼晶硅制作，光照10小時后會產生5%～8%不可恢復效率衰減，該難題長期困擾著光伏界，河北省科學家研發低光衰摻鎵硅單晶，平均消除6%光衰，成本降低6%。

3.2.2 硅片的切割。線切割技術的問世，完全取代了內圓切割，實現了切割技術的升級換代。隨著科技的不斷進步，金剛線切割技術已經問世，不僅切割速度是常規線切割的2倍，而且冷卻漿液無污染，避免了線切割后的砂漿廢液后處理，具有很好環保效果。冷卻方式的革新，推動了線切割的更新換代，金剛線切割技術是未來的發展主流。

3.3 高效太陽能電池的制備技術

高效太陽能電池的制備技術分為：碲化鎘薄膜電池、非晶硅薄膜電池、銅銦鎵硒薄膜電池、染料敏化柔性電池、晶硅電池。晶硅電池以轉化效率高、成本低占據了市場的主流，目前的市場占有率達到85%以上，成為光伏發電的主要技術。相比而言，薄膜電池成本高、效率低，投資巨大。

晶硅電池的發展近幾年有了突破性的進展，量產效率已超過20%，2012-2014年科技部資助的863計劃把中國晶硅電池的轉化效率提高到了一個嶄新的階段，達到國際先進水平。繼續提高晶硅電池的轉化效率，是目前光伏發電的研究的主流方向和目標。

3.4 其他關鍵光伏制造技術

背接觸電池技術、二次印刷技術、大功率高效低衰減光伏組件技術是目前最新的科技動態和發展方向。

4 光伏技術領域專利分析[4]

本部分對光伏領域的專利進行分析，從發展規模、發展趨勢、主要國家技術領域和主要機構技術分布等方面考察光伏技術發展態勢。研究對象為全球光伏技術的相關專利，專利數據來源于中國科技信息研究所專利分析數據庫，通過關鍵詞與分類號的組配檢索下載建成“光伏產業專題專利數據庫”，并基于該數據庫進行相關分析。由于專利數據的延遲性，導致2010年和2011年的專利數據不完整，因此下文分析中這兩個年度的內容僅供參考，不做結論。

4.1 世界光伏領域技術情況專利分析

4.1.1 世界光伏技術專利逐年申請情況

20世紀60-70年代光伏技術處于發展初期，總體專利申請量較小，每年的專利申請數量基本維持在10之內；直到20世紀70年代末，光伏技術越來越受到重視，專利申請數量開始逐步增長，最高的年份是1983年，達235項；20世紀80年代中后期光伏技術發展出現波動，表現為專利申請數量開始小幅回落，這種回落的態勢一直持續到20世紀90年代中期，由每年200余項降到不足百項；從1995年開始光伏技術開始進入上升階段，穩步、平緩的發展一直持續到2001年，該年專利申請量達306項；在2002年增長速度有一個小幅回調之后，光伏技術度專利申請量出現了新一輪的、真正的高速發展期，全球專利申請數量迅猛增長，在2002年到2005年4年間，專利申請數量翻了一番，由每年近300項上升到600余項，在2006年到2009年的4年間，專利申請數量又翻了一番，由每年不到1 000項增長2 085項。

4.1.2 光伏技術專利在各國的分布

美國、中國、韓國、日本、英國、法國、德國、中國臺灣、加拿大、澳大利亞這10個國家和地區擁有全球專利申請數的96.7%，其中美國和中國均占24%，日本占20.5%，韓國和德國分別占有8%左右的份額。

4.1.3 光伏重點技術領域專利分布

圖1 光伏重點技術領域分布

在六大技術領域中，結晶硅專利申請量最多，其次為化合物薄膜和薄膜硅，化合物結晶及染料敏化最少。其中結晶硅專利申請起始年限最早在20世紀60年代。

4.1.4 各國重點發展技術

中國在光伏技術領域的專利申請量總量位于世界領先地位，在結晶硅和化合物薄膜方面研發實力強，專利申請數量超過了其他國家，而化合物結晶核方面研發能力弱，專利數量較少；美國在不同領域的技術分布態勢和全球技術分布一致，專利申請量最多的是結晶硅，薄膜硅和化合物薄膜專利申請數量相近，位于其次，染料敏化方面的專利申請數量最少；日本在結晶硅和薄膜硅兩個領域的專利申請數量相近，且為最多，其次是化合物薄膜專利申請數量，染料敏化方面的專利申請數量最少；歐洲和德國的光伏技術專利分布相似，它們的專利申請數量遠低于前三個國家，專利申請量最多的是結晶硅，薄膜硅和化合物薄膜專利申請數量相近，位于其次，化合物結晶的專利申請數額位于倒數第二，不過在染料敏化和有機半導體方面，這兩個地區存在明顯差異，德國染料敏化專利數遠大于歐洲，而歐洲的有機半導體專利數遠大于德國；韓國在專利申請量最多的是結晶硅，其次化合物薄膜，薄膜硅和有機半導體專利申請數量相近，位于再次，最少的染料敏化和化合物結晶的專利申請數額。

4.1.5 光伏研究機構的專利分析

圖2 光伏技術領域主要專利申請機構全球排名

光伏技術領域主要專利申請機構全球排名如圖2，在前20位的排名中，日本機構有12家，占60%；美國機構有4家，占20%；韓國和德國分別有2家機構。其中，專利申請數量最多的3個機構分別是日本的三洋電力、佳能和三菱集團，其次是德國西門子；再次是德國默克集團、日本夏普、日本昭和殼牌石油、美國RCA以及美國應用材料公司；剩余的11家機構光伏專利申請量差別不大。從中看出，日本科研機構在光伏領域具有很強實力，不僅擁有光伏專利的機構數量多，而且機構擁有光伏專利的數量也多；德國雖然只有2家機構進入全球20強，但這2家機構擁有的專利數量都在排名前5位。中國雖然擁有光伏專利總數很多，但沒有一家機構能進入全球20強。

4.2 中國光伏領域技術情況專利分析

4.2.1 中國光伏技術總體專利申請情況

圖3 中國光伏技術專利申請時間趨勢圖

中國光伏專利發展動向如圖3，在20世紀90年代中期之前中國光伏技術仍處于發展初期，總體專利申請量較小，每年的專利申請數量基本維持在1～2項；在1995年-2004年的10年間，中國光伏技術穩步發展，專利申請量逐漸增加，這比世界光伏技術增速發展的時間晚20年；2005-2010年是中國光伏技術真正的高速發展期6年間光伏專利申請數量增長了7倍，在2010年達到頂峰。

由世界和中國光伏領域技術發展趨勢圖的分析，初步認為從生命周期上看，光伏技術已經走過萌芽期和成長期，正處于成熟期。

4.2.2 中國光伏技術領域分布

通過對近10年中國光伏技術專利申請情況的統計分析，不同類型的光伏技術在中國的發展情況各有不同。結晶硅和化合物薄膜起步稍早，在2002年已經開始進入新一輪較長時期的快速增長階段，在經過4年的穩步增長之后，接下來又有5年的飛速發展階段，2010年的專利申請數是2002年的幾十倍到上百倍；薄膜硅的發展趨勢類似于結晶硅，只是該領域專利申請數最多的年份是2009年，早結晶硅1年；化合物結晶在2002-2007年度6年間，專利申請數量保持較穩定的狀態，在2008年有一個突然急速增長，之后的4年就維持在這個較高專利申請數狀況；有機半導體專利申請數在這些年變化不大，前幾年保持穩定狀態，后幾年又保持在比前面稍高的一個穩定狀態；染料敏化起步稍晚，從2006年起一直處于穩步增長的趨勢。

4.3 重點光伏領域情況分析

4.3.1 結晶硅

結晶硅發展趨勢圖很清晰，在經過30多年的少有起伏的持平和平緩發展階段后，進入一個快速發展期，然后又開始回落。具體來說，結晶硅起步較早，開始于上世紀60年代中期。在1964年到1974年期間，結晶硅技術處于起步期，每年的專利數不超過5項；1975年到1985年結晶硅專利申請數開始穩步增長；但到1986年突然開始出現回落，這種回落振蕩期一直延續到90年代中期；從此之后，結晶硅技術進入不斷發展階段，這種發展有個鮮明的特點，先是平穩發展然后就有一個急速增長期，1996年到2004年就是穩步發展期，隨后的5年就是急速發展期。整個發展趨勢看，結晶硅技術已走過初始期、增長期，目前應該處于成熟期階段。

在結晶硅專利全球分布中，中國、美國、日本、德國、韓國、中國臺灣、澳大利亞、加拿大、法國和英國這10個國家和地區擁有全球專利申請數的96.7%，其中中國占27%，美國23%，日本18%，韓國和德國分別占9%和7%的份額。

4.3.2 薄膜硅

圖4 薄膜硅發展趨勢圖

薄膜硅的技術發展趨勢較簡單，經過長期持續穩定，進入發展階段，又迅速回落。具體可分為3個階段：1984年到2004年的20年間，都處于平穩期，每年的專利申請數量基本穩定在同一數值；從2005年開始的5年，薄膜硅專利申請數開始逐年增長，5年增長了近5倍。

在薄膜硅專利全球分布中，日本、美國、中國、韓國、德國、中國臺灣、澳大利亞、法國、加拿大和英國等10個國家擁有全球專利申請數的97%，其中日本31%，美國25%，中國占17%，韓國和德國分別占6%的份額。

4.3.3 化合物薄膜

化合物薄膜專利申請數在1984年到1995年間基本穩定在相同水平；從1995年之后的連續10年都是一個平緩的發展階段；到2005年就進入了快速發展階段，每年化合物薄膜的專利申請數量都有大幅增長。

在化合物薄膜專利全球分布中，中國、美國、日本、韓國、德國、中國臺灣、加拿大、法國、澳大利亞和英國等10個國家擁有全球專利申請數的94%，其中中國占30%，美國24%，日本14%，韓國和德國分別占8%和6%的份額。

圖5 化合物薄膜發展趨勢圖

5 結論

5.1 河北光伏產業鏈最為完整，不僅有晶體制備和硅片加工，還有光伏電池封裝設備生產。河北晶龍實業集團、晶澳太陽能有限公司、天威英利新能源有限公司、光為綠色新能源股份有限公司等企業是河北省光伏產業的代表性企業，產業創新能力較強，在全國光伏企業名列前茅，具有較強影響力。但同時河北省光伏企業技術創新水平差別很大，僅有少數幾個企業實力較強，大部分企業技術創新實力不足。

5.2 從世界和中國光伏領域技術發展趨勢分析，初步認為從生命周期上看，光伏技術已經走過萌芽期和成長期，正開始步入成熟期。美國、中國、韓國、日本、英國、法國、德國、中國、加拿大和澳大利亞這10個國家和地區擁有全球專利申請數的96.7%。中國在光伏技術領域的專利申請量總量位于世界領先地位，在結晶硅和化合物薄膜方面研發實力強，而化合物結晶核方面研發能力弱。

5.3 河北是光伏大省，代表性企業在中國光伏界具有舉足輕重的地位，擁有引領潮流的科研成果也較多。因此，支持這些企業將突破性科研成果實現產業化對河北省乃至全國光伏產業的發展都具有重大意義。可將典型企業多項先進技術集成形成拳頭產品、優秀品牌進行推廣，通過以點帶面推動河北省光伏技術的進步。

[1]太陽能電池[DB/OL].http://zh.wikipedia.org/zh-cn/太陽能電池.

[2]高一翔，高子涵.未來太陽能光伏發電技術發展前景分析[J].電子世界，2012（10）：13.

[3]鐘史明.太陽能光伏發電概述與預測[J].熱電技術，2012（4）：1-8.

[4]肖滬衛.專利地圖方法與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2011.

本文由石家莊經濟學院博士科研啟動基金、石家莊市軟科學項目與中國科學技術信息研究所科研項目共同資助。

李婷（1968-），女，石家莊經濟學院技術經濟及管理重點學科教授，博士，研究方向：科技創新與管理。

郭鴻湧（1972-），男，河北科技情報研究院院長、研究員，博士，研究方向：科技管理研究。