全球太陽能技術中心轉移及核心主題演進研究

欒春娟,宋博文

(1.大連理工大學人文與社會科學學部,遼寧 大連 116024；2.大連理工大學知識產權學院,遼寧 盤錦 124221)

0 研究意義

探索全球太陽能技術創新發展的地理空間變遷與核心主題演進，對我們正確制定和實施新能源發展戰略和政策，具有重要的理論意義和實踐意義。太陽能技術的發展經歷了哪些階段？在每個發展階段高產國家發生了怎樣的變遷？核心主題是怎樣演進的？本研究擬對這些問題進行探討。

世界科學中心轉移問題，長久以來吸引著學者們的注意力。1954年，貝爾納首次提出了世界科學中心轉移[1]。湯淺光朝[2]在1962年提出，如果一個國家的科學成就所占同期全球的比例超過25%，則該國為世界科學中心。趙紅洲等[3]依據自然科學大事年表數據進一步揭示了世界科學中心轉移現象。潘教峰等[4]闡述了近現代以來，意大利—英國—法國—德國—美國相繼成為世界科學中心的發展趨勢，并創造性地提出了促成世界科學中心的形成、演進與更替的五要素鉆石模型：經濟繁榮、思想解放、教育興盛、政府有力支持等社會因素以及科學成果涌現時機因素。孫玉濤等[5]分析了美國之所以能夠長期占據世界科學活動中心位置是因為科學家跨國遷移，并運用諾貝爾獎獲得者數據對世界科學活動中心轉移進行了實證研究。已有的研究成果主要集中于科學中心的轉移，近些年一些學者開始關注全球技術與產業的空間演變。O’Shaughnessy 等[6]分析了美國太陽能產業的空間分布，揭示了美國太陽能光伏發電地區之間的差異。Dincer[7]探索了領先國家太陽能光伏發電的潛能與政策。欒春娟等[8]探索了世界數字信息傳輸技術領域專利中心轉移的發展趨勢。

技術主題演進的研究近些年引起了國內外學者的關注。Wu等[9]利用荷蘭萊頓大學科學技術研究中心開發的CitNetExplorer軟件，探索了電化學儲能技術的主題演進，其提煉主題的過程雖有一定主觀性，但因其依據圖譜中的技術代碼提取的，因此還是具有較強的科學性。學者們研究更多的是科學主題的演進[10-12]、技術熱點[13-15]、技術發展軌跡[16-18]和技術前沿探測[19-21]等相關問題。

本文擬基于全球太陽能技術領域1920—2018年間發表的全部發明專利304530個結果，探索在近100年的發展歷程中，不同發展階段的高產國家/地區分布，并追蹤不同發展階段核心主題的演進，以期為我國太陽能產業技術的發展提供決策參考。

1 研究方法

1.1 理論框架

作為創新重要成果的專利文獻，因其含有豐富的技術信息而被廣泛應用于探測產業技術發展和演進的研究工作中[22-23]。本研究中的全球太陽能技術領域專利數據采集方案如圖1所示。在PatSnap數據庫完成數據檢索與精煉之后[24]，采用地圖可視化和文本聚類分析方法 (Text clustering analysis)，探索全球太陽能領域技術中心轉移及核心主題演進等問題。

圖1 理論框架

地圖可視化是以計算機科學、地圖學、認知科學、信息傳輸學與地理信息系統為知識基礎，將地圖作為載體，通過直觀、全面以及精確的圖片信息[25]，傳達地理信息并揭示自然、社會及科學發展規律，從而實現認識世界的目的[26]。地圖可視化技術的應用有助于信息辨別以及對于信息創造和發展新次序的認知，相較于圖表以及文字介紹更富有直觀性和交互探究性[27]，是當前空間數據分析的重要方法與工具。本研究采用的地圖可視化工具為Tableau軟件，該軟件通過即時地理編碼將已有的地理位置數據和信息轉化為帶有16級縮放的豐富交互式地圖[28]，并通過本地數據在Tableau軟件中的集成實現地理信息的可視化，將目標信息全面、準確的展現于地圖中。

核心主題演進采用文本聚類分析方法，該方法采用的是Lingo3G文本文檔聚類算法 (Lingo3G text document clustering algorithm)[29-30]。該算法具體通過短語發現 (phrase discovery)和語義索引 (Latent Semantic Indexing，LSI)技術相結合，將文本分為有意義的關鍵詞或短語組[31-32]，即本文中的核心主題。Lingo3G進一步使用向量空間模型 (Vector Space Model，VSM)算法來確定哪些特定關鍵詞或短語與這些核心主題存在密切關系及其發生頻次[33-34]。文本聚類算法使用單詞詞干 (word stem)來識別具有相同詞根的各種單詞形式[35-36]，之后過濾掉常見的停止單詞 (again，the，same等)和短語。如果專利文件與集群的核心概念有充分的相關性，則可能分為多個集群，每個集群進一步細化，形成層級結構的第二層，提供了更精細的關鍵詞維度分析。

1.2 數據檢索與分布

本研究數據來源于全球專利數據庫PatSnap。該數據庫深度整合了從1790年至今的全球106個國家/地區的1.2億條專利數據。檢索采用國際專利分類代碼 (international patent classification code，IPC)。由于IPC代碼與技術領域之間并不存在非常清晰的一一對應關系，在這種情況下，要檢索出某一特定技術領域的全部專利常常是一件比較困難的事情，本研究依據世界知識產權組織 (World Intellectual Property Organization，WIPO)最新提供的、太陽能技術領域專利的IPC代碼進行檢索[37]，得到的檢索結果最大限度地保證了查新查全。我們按照圖1所示步驟進行了數據檢索與精煉：第一步，選擇WIPO提供的IPC代碼；第二步，為了避免數據重復，選擇只顯示經過歐洲專利局EPO處理的國際專利文獻，即 “INternational PAtent DOCumentation”家族 (INPADOC family)[38]，和每個國際專利文獻家族的一個代表專利文件 (One representative per INPADOC family)；第三步，選擇發明專利 (invention)。最后得到304850個檢索結果。圖2顯示了全球太陽能發明專利發展趨勢與發展階段。

第一階段：1920—1973年，太陽能技術萌芽階段。該階段全球太陽能技術發展非常緩慢，專利數量從個位數到十位數到百位數，1973年的數量首次超過500條。第二階段：1974—1996年，快速發展階段。該階段的發展速度明顯加快，1974年專利數量首次超過1000條，之后每一年都保持在1000條以上的發展速度，1996年數量接近4000條。第三階段：1997—2018年，高速發展階段。1997年專利數量接近5000條，之后每一年都在5000條以上，2011年超過了18000條。

圖2 全球太陽能發明專利發展趨勢與發展階段

2 結果與討論

2.1 技術中心轉移

全球太陽能技術的發展主要分為三個階段，通過分析各階段的專利空間分布比例可以發現，技術中心呈現出由美國轉向日本，最后以中國為中心的轉移趨勢。在第一階段，全球太陽能專利活動強度最高的國家是美國，美國的占比超過30% (見表1)；之后是日本，占比超過20%；而后是法國 (占比15%左右)和德國 (占比12%左右)；第5位是英國，占比9%左右。

第二階段全球太陽能技術中心轉移到日本，日本占比超過60%，遙遙領先于其他國家；美國占比下降為17%左右；德國與法國的占比也都下降到5%以下；歐洲專利局EPO受理的太陽能專利申請接近2%。第三階段全球太陽能中心轉移到中國，該階段中國占比超過30%，成為太陽能專利活動最活躍的國家；日本的比例也很高，占比超過26%；美國的占比接近20%；韓國占比接近10%；中國臺灣占比超過3%。

表1 三個階段太陽能專利產出前5名國家/地區

2.2 核心主題演進

全球太陽能技術發展三個階段的每個階段核心主題分布如表2所示。該表揭示了全球太陽能技術核心主題演化狀況：熱 (Heat)—半導體層 (Semiconductor layer)—太陽能電池 (Solar cell)。

表2 三個階段太陽能技術前10核心主題

在發展速度低緩、時間漫長的第一階段，人們已經認識到，來自太陽系的熱 (Heat)這種寶貴資源，開始好奇、關心、急于探索開發利用這種寶貴資源，即太陽能。圍繞如何采集、開發、利用來自太陽的熱能而發展了半導體器件、P-N結、基底、電發光、發光二極管等專利技術。第二階段，半導體層 (Semiconductor layer)成為太陽能技術發展的核心主題。同時該階段還新出現了液晶、薄膜、絕緣薄膜、像素電極、太陽能電池、太陽能充電器等新興技術。第三階段，太陽能電池 (Solar cell)是最近發展階段中最核心的太陽能技術主題。此外還有顯示設備、半導體層、太陽能發電、陳列基板、蓄電池組、光伏組件等新興技術。

2.3 整體發展模式

根據全球太陽能技術的主要發展階段，結合各階段的技術中心轉移及核心主題演進特征，繪制出太陽能技術的整體發展模式，如圖3所示。

圖3 太陽能技術整體發展模式

第一階段為太陽能技術發展的萌芽階段，由于礦物燃料的大量開采以及太陽能使用效率過低等因素[39]，太陽能技術在這一階段并未受到廣泛重視，所以該階段的太陽能技術發展較慢[40]。但由于貝爾實驗室的硅太陽能電池的研發成功使得美國在太陽能領域搶先獲得優勢[41]，美國在該階段占有超過30%的專利數量，隨后是日本、法國、德國、英國等國。從該階段研究的核心主題能夠發現，該階段的研究核心集中在半導體器件P-N結、基底、電發光、發光二極管等專利技術，這些技術多為第一代太陽能電池以及太陽爐的技術基礎與核心[40，42]，為后期的太陽能技術發展及應用奠定了基礎；第二階段為太陽能技術發展的成長階段，全球能源結構發生變革，中東戰爭以及石油危機的爆發，極大地加速了太陽能技術的發展。由于本土能源的匱乏，日本政府于1973年開始實施 “新能源開發戰略”即 “陽光計劃”，并將其列為國家重要戰略，隨后20年時間里，日本政府先后發布了 “節能技術開發計劃” “能源與環境領域綜合技術開發推進計劃”等一系列舉措[43]，并投入大量資金用于清潔能源的開發，使得日本在太陽能領域快速發展[44]，占有該階段63.18%的專利，遙遙領先于其他國家，該階段的技術中心由美國轉向日本，同時期，中國也開始逐步發展自己的太陽能技術。從研究主題來看，該階段的太陽能技術研究逐漸增加了液晶、薄膜、絕緣薄膜、像素電極、太陽能充電器等新興技術，這些技術在發展第一代太陽能電池的同時，也為第二代、第三代太陽能電池的發展起到了極為重要的推動作用[45]。1997年起太陽能技術的發展進入了第三個階段，以中國為核心的亞洲國家和地區逐漸成為太陽能技術發展的技術中心。第三階段專利數量排在前五位的國家和地區中，有4位來自亞洲，中國、日本、韓國及中國臺灣地區的專利總量占到總體的71.8%，中國也逐漸成為全球太陽能技術研究的技術中心，專利數量占總體的32.16%。日本、美國緊隨其后專利數量分別占總體的26.3%、19.03%。這一階段中國太陽能技術的高速發展離不開 《國家中長期科學與技術發展規劃綱要 (2006—2020年)》中對光伏產業及太陽能技術的重視[46]。該規劃綱要的實施，極大地推動了我國太陽能技術的發展。從該階段太陽能技術的研究主題來看，全球太陽能技術的研究仍以太陽能電池為重點，在完善原有半導體層、液晶等技術的同時加大了對陳列基板、蓄電池組、光伏組件等技術的研發，為第三代太陽能電池及光伏發電系統的發展和應用推波助瀾。

3 結論與展望

本研究的創新點在于以1920—2018年間太陽能技術領域相關的304850條發明授權專利為對象，依照專利年增長量的變化情況將全球太陽能領域的發展劃分為三個階段，并在領域發展的階段性信息的基礎上，分別以專利的地理信息以及研究主題為分析視角，挖掘出不同階段下太陽能技術領域發展的技術中心，以及在不同階段下的核心研究主題。結果揭示了太陽能領域技術中心的轉移以及核心主題的演進情況：太陽能技術發展過程中，不同階段的技術中心存在差異；隨著研究范式的變化及需求的改變，太陽能技術的核心研究主題也在不斷轉變。研究結果對認知國際太陽能產業發展局勢和進一步優化企業兼并重組市場的實施，具有重要的理論意義與實踐意義。

整體來看，太陽能技術經歷三個階段，核心主題從早期的發熱、P-N結、基底、電發光、發光二極管等基礎型研究，發展成為液晶、薄膜、絕緣薄膜、像素電極、太陽能充電器等應用型研究，再逐步將發展重點放在陳列基板、蓄電池組、光伏組件等追求清潔高效節能的優化型技術研究，技術中心上呈現出美國—日本—中國的階段性轉變。隨著國際能源危機的日益加劇，太陽能技術將在未來的能源產業中占據越來越重要的地位。中國作為當前國際太陽能技術研究的重要技術中心，在發展中應切實適應自身角色的改變，從過去的跟跑并跑變為現在領跑。因此，中國的太陽能技術研發機構應在牢牢把握國際趨勢的同時，大力發展創新型太陽能技術，推動國家新能源產業的建設和發展，助力創新驅動發展戰略的實施。