鈣鈦礦太陽電池專利技術(shù)概述

朱 波

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川成都，610213）

鈣鈦礦太陽電池專利技術(shù)概述

朱 波

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心，四川成都，610213）

鈣鈦礦太陽電池（Perovskite Solar Cells，PSCs）是由染料敏化太陽能電池演化出來的一種新型太陽能電池。其能夠利用有機(jī)太陽能電池所采用的溶液法進(jìn)行制備，極大降低了生產(chǎn)成本，有望成為新能源產(chǎn)業(yè)的一項重要技術(shù)。本文通過對檢索到的國內(nèi)外關(guān)于鈣鈦礦太陽電池的專利申請文件進(jìn)行統(tǒng)計和梳理，對鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的技術(shù)概況、專利申請態(tài)勢以及專利技術(shù)發(fā)展趨勢作了介紹，并分析了國內(nèi)重點申請人的重點專利，為未來鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的研究和改進(jìn)提供參考。

太陽電池；光伏；鈣鈦礦；鹵素

0　引言

近年來，面對日益加劇的能源危機(jī)以及環(huán)境污染，太陽能作為一種重要的可再生能源，逐漸成為滿足全球能源需求的替代化石燃料的能源之一。利用光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect）制成的太陽能電池，是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種主要手段，研發(fā)和生產(chǎn)高性能、低成本的太陽能電池，是實現(xiàn)太陽能有效利用的重要的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

1　專利技術(shù)概況

本文對檢索得到的截至2016年6月的804篇國內(nèi)外鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域相關(guān)專利申請文件進(jìn)行分析和統(tǒng)計。通過對涉及鈣鈦礦太陽電池的專利申請年份進(jìn)行統(tǒng)計可知，如圖1所示，從2010年開始，鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域才開始有一定數(shù)量的專利申請，之后逐年上升，并在2014年和2015年達(dá)到頂峰，專利申請量均為300余件。可以看出，鈣鈦礦太陽電池是一種新興的技術(shù)領(lǐng)域，正處在蓬勃發(fā)展的階段，技術(shù)領(lǐng)域整體仍然具有廣闊的發(fā)展前景。

圖1 鈣鈦礦太陽電池相關(guān)專利申請量年度變化趨勢

圖2為鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的專利申請國家與地區(qū)分布，可見其中中國申請人提出的專利數(shù)量最多，為526件，占本領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量的約65%；其他申請量較多的國家和地區(qū)依次為日本、韓國和美國。可以看出，我國在鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的研究，依靠國內(nèi)高校和研究所雄厚的科研資源基礎(chǔ)，已經(jīng)位于世界前列。

圖2　各國家和地區(qū)專利申請量比例

2　重點專利技術(shù)演進(jìn)

通過對鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的申請人進(jìn)行統(tǒng)計得出，華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、浙江大學(xué)等在本領(lǐng)域均有一定的研究實力，專利申請量均在15件以上，涉及鈣鈦礦材料改進(jìn)、電池結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及制備方法改進(jìn)等技術(shù)分支。

華中科技大學(xué)從2013年開始，在鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究，主要涉及介觀鈣鈦礦太陽電池及其制備方法。其中，該申請人在2013年提出了一種基于鈣鈦礦類吸光材料的介觀太陽能電池（申請?zhí)枺篊N201310297115），采取全印刷的方法制備而成，采用鈣鈦礦類納米晶體作為活性吸光材料，并利用其自身的空穴傳導(dǎo)性能在介孔絕緣間隔層中形成空穴傳輸層，直接將空穴傳輸至空穴收集層中，避免了有機(jī)P型材料的使用。2014年，該申請人提出的一種鈣鈦礦太陽電池結(jié)構(gòu)中，使用介孔p-i-n結(jié)構(gòu)框架，能夠簡化制備工藝、降低制造成本，其中介孔p-i-n結(jié)構(gòu)框架由n型半導(dǎo)體層、絕緣層和p型半導(dǎo)體層依次層疊構(gòu)成，n型半導(dǎo)體層、所述絕緣層和所述p型半導(dǎo)體層均包含介孔。而在2016年，該申請人提出了一種鈣鈦礦太陽電池與超級電容器集成件，將鈣鈦礦太陽電池與超級電容器串接相連，實現(xiàn)了基于鈣鈦礦微能源器件高效光電能量轉(zhuǎn)換與存儲功能的統(tǒng)一。

中國科學(xué)院物理研究所在鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的專利申請主要涉及太陽能電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進(jìn)。其中，該申請人在2014年提出了3件專利申請，均涉及鈣鈦礦太陽電池中使用的碳電極。如申請?zhí)枮镃N201310461537的專利申請中提出采用多孔碳材料替代昂貴的貴金屬材料作為對電極，同時采用絲網(wǎng)印刷法代替真空鍍膜法進(jìn)行電極的制備，進(jìn)一步節(jié)約了成本。另外，在2015年，該申請人還提出了采用有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦材料的單晶切片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的納米多晶材料，作為光吸收層，并將兩個選擇性電荷接觸層分別貼合在光吸收層的兩面以構(gòu)成PN結(jié)，從而選擇性抽取和收集光吸收層產(chǎn)生的光生電荷，構(gòu)成了基于鈣鈦礦單晶的太陽能電池結(jié)構(gòu)；這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)多晶鈣鈦礦太陽電池相比，具有較寬的光吸收范圍以及較高的電荷傳輸性能。

浙江大學(xué)在鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的研究主要涉及空穴傳輸層材料和電子傳輸層材料的選擇。該申請人在2014年的專利申請中提出，采用CdSe納米晶體或者硫化鎘納米陣列作為鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層，上述材料具有較窄的帶隙寬度，其對太陽光的吸收光譜較寬；增大了電子傳輸層材料與光敏層材料間的界面面積，提供了連續(xù)的電子傳輸通道；相對于高溫?zé)Y(jié)，具有成本低、耗能少、易于實現(xiàn)大面積制備的優(yōu)勢。2015年，該申請人又在一項專利申請（CN201510930766）中提出一種新型的星形分子Trux-OMeTAD及其衍生物作為鈣鈦礦太陽電池的空穴傳輸層，制備的鈣鈦礦太陽電池具有較高的開路電壓VOC，較高的短路電流JSC，較高的填充因子，能量轉(zhuǎn)換效率最高為18.8%，較為接近目前鈣鈦礦太陽電池的最高轉(zhuǎn)化效率。

鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域重要的國外申請人主要集中在韓國和日本。其中，韓國化學(xué)技術(shù)研究院（KRICT）在其2006年申請的專利（申請?zhí)枺篧O2015KR08103）中提出了一種采用硫族化物加合物的鈣鈦礦太陽電池，在傳統(tǒng)的鈣鈦礦吸光材料中引入DMSO等酸性化合物，增強(qiáng)了鈣鈦礦材料的吸光能力，所制備的器件轉(zhuǎn)化效率高達(dá)20.8%，較傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽電池有明顯提升。

3　結(jié)束語

本文對鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的技術(shù)概況、專利申請態(tài)勢以及專利技術(shù)發(fā)展趨勢作了介紹，并分析了國內(nèi)重點申請人的重點專利，以期通過以上分析，對鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)作進(jìn)一步的梳理，為未來鈣鈦礦太陽電池領(lǐng)域的研究和改進(jìn)提供參考。

［1］ Kojima A， Teshima K， Shirai Y， Miyasaka T， 2009 j. Am. Chem. Soc. 131 6050

［2］ Kim H S， Im S H， Park N G 2014 J. Phys. Chem. C 118 5615

［3］ 姚鑫，丁艷麗，張曉丹，趙穎，物理學(xué)報，第64卷，第3期，2015，038805

Overview of patent technology for solar cell

Zhu Bo
（Patent examination and cooperation of the Patent Office of the State Intellectual Property Office Sichuan center， Chengdu， Sichuan 610213）

Solar Cells Perovskite （PSCs） is a new type of solar cell which has evolved from the dye sensitized solar cell. It can be used in the preparation of organic solar cells，which greatly reduces the cost of production， is expected to become an important technology in the new energy industry. In this paper， after the statistics and analysis of the retrieved at home and abroad on the perovskite solar cell patent application， patent application and patent technology development trend trend of technology survey，on the field of perovskite solar cell are introduced，and the analysis of the key focus of domestic patent applicants， for the future of solar cell research field of perovskite and provide reference for improving. Keywords:solar cell；photovoltaic；perovskite；halogen