基于專利信息的鈣鈦礦太陽能電池技術發展現狀分析

鄭富艷

摘要：新型鈣鈦礦太陽能電池技術的發展與產業化將為傳統太陽能電池帶來新的變革。近幾年，鈣鈦礦太陽能電池的研發遇到諸多困難，但是這一領域的快速發展使其開始顯示出潛在的商業前景。通過對其專利狀況分析，深入研究相關技術領域的專利文獻信息，得出該產業范圍的的技術研發熱點和發展方向，為國內相關領域工作者提供參考。制定相關的戰略助力中國在光伏領域搶占國際市場先機，增強其在世界范圍內的競爭力。

關鍵詞：鈣鈦礦材料;太陽能電池技術;專利分析;SWOT 分析

1 引言

近年來，光伏領域興起一個重要的研究熱點課題——鈣鈦礦太陽能電池。在誕生后的幾年內獲得了較高的能量轉換效率。鈣鈦礦太陽能電池可以做得非常薄，只需要一根頭發絲1%的厚度，就可以做成太陽能電池。同時這個材料對光的吸收能力非常強，只用一微米左右的厚度，就可以吸收近100%的太陽光譜中可見光的能量。早期研究發現，鈣鈦礦太陽能電池只能維持幾分鐘的壽命現在已達兩個多月。開始的光電轉化率是3%，在研究人員的改進下，現在的光電轉率已經達到24.2%，幾乎快要達到傳統太陽能電池的最高轉化率。目前，還沒有發現與鈣鈦礦太陽能電池技術專利戰略研究相關的文獻，利用Patyee壹專利檢索數據庫對專利數據中相關的1 300條專利文獻進行檢索并統計分析，得出我國鈣鈦礦電池技術的專利申請情況。制定相關的專利戰略推動我國的太陽能電池技術未來的開發與研究，促進該領域的深入探索與研究。

2 行業發展階段與專利申請狀況

2.1 專利申請年份分布

主要對鈣鈦礦太陽能電池技術領域2013年以來專利申請數量進行統計，在2013年以前，專利布局幾乎沒有，分析歷年該領域的專利申請量，了解鈣鈦礦電池材料的研發情況和發展趨勢。統計如圖1所示。

從圖1中可以看出，2013年以前，我國在鈣鈦礦太陽能電池材料領域處于起步階段，剛剛有研究萌芽，專利申請數量少，一方面是鈣鈦礦太陽能電池技術發展情況有所關聯，另一方面專利意識不強也是一個重要的因素。從2014年開始，我國鈣鈦礦太陽能電池材料領域發展迅速，專利申請數量總體處于上升趨勢，2020年由于疫情的影響，申請數量有微小幅度回落，但不影響總體上升進程。這表示我國對鈣鈦礦電池材料領域越來越重視。從增長速度可以看出，我國在鈣鈦礦電池領域的技術還會繼續創新，因此應該引起高校、政府和企業的重視，加大該領域的投入和研發資金，促進該領域技術能夠取得進一步的發展。

2.2 專利類型數量分析

通過對不同類型的專利數量進行統計分析，鈣鈦礦太陽能電池材料領域是以發明專利的數量為主，實用新型為輔的專利申請模式。發明專利1 206件，實用新型93件，分別占比為93%、7%。新型材料都可以申請發明專利，但在原有技術上改進去申請實用新型的專利比較少。不同類型的專利數量如圖2所示。

2.3 專利權人機構屬性分析

從圖3中可以看出，高校是專利權人的主體，申請數量共有870件，占比66.92%，其次是企業，申請數量是295件，占比22.69%，第三是科研院所，申請數量是182件，占比14%，最后是個人，有41件，占總數3.15%。從數據庫中的前五名合作專利最多的申請人信息中統計得出，科研院所與企業，企業與企業之間的合作是較多的，如表1。高校與企業之間的合作較少，為了更好促進產學研深度融合，要加大高校和企業之間的緊密合作。公司和高校應該聯動推動知識前沿，成為創新和經濟增長的強大引擎。企業應尋找有科研實力的高校進行長期性和戰略性合作，通過相互作用的良性循環向雙方提供更大的和一般情況下未預料到的利益。對于高校來說，企業為其提供更多的安全資金，可以增強學術實力。高校、個人與企業的合作都有待加強，應該向中國科學院上海硅酸鹽研究所學習，在創新技術的同時，注重交流和合作，更好促進社會發展和技術創新。

2.4 專利區域分布分析

專利區域分布情況如圖4所示。對排名前10的地域進行分析作統計。從圖看出，江蘇以315件專利成為鈣鈦礦太陽能電池材料技術領域申請數量最多的省份，其次是北京市，申請量為176件，廣東省、浙江省和湖北省的申請專利數量相差不大。除此之外，上海市、四川省陜西省、山東省也有相對較多的鈣鈦礦電池技術的專利申請。這表明，江蘇省在中國鈣鈦礦太陽能電池技術相關專利有很大的市場，體現了其鈣鈦礦電池材料研究技術的實力，在我國占據一席之地。太陽能電池的發展經歷了三個階段。第一代是用單晶硅材料制成的太陽能電池。不過制造高純硅面臨著造價高、耗能高等難題，這嚴重制約了硅基太陽能電池的商業應用范圍。第二代太陽能電池主要指薄膜太陽能電池。第三代太陽能電池即鈣鈦礦太陽能電池。伴隨著太陽能電池技術的不斷發展，其技術創新需求也將不斷地縱深發展推動技術革新。在上圖中的技術重點發展區域，如江蘇省和其他具有經濟實力、科研創新能力與資源優勢的地方，無論是專利申請的數量還是技術的創新，都將保持一個穩定向上的增長趨勢。

2.5 IPC分析

通過分析鈣鈦礦太陽能電池技術領域的IPC分布情況，可以了解到該技術領域的熱點和研發重點等相關信息。對鈣鈦礦太陽能電池的IPC小類的不同分類號的專利數量進行統計分析，如圖5技術領域主要有下圖幾種類別，其中HO1L這種小類專利數量獨占鰲頭遙遙領先，占專利總數的90%以上。HO1L的具體含義是半導體器件;其他類目中不包括的電固體器件。

3 熱點領域—HO1L技術領域

在1 300條專利文獻中，其中在HO1L領域申請的專利總數量高達1 290件。因此，在半導體類器件傳輸材料的研究一直是鈣鈦礦太陽能的熱點。對鈣鈦礦太陽能電池HO1L技術領域專利的申請數量和專利權人數量隨時間序列而變化的情況繪制成技術生命周期圖，如圖6所示。通過技術生命周期圖可以判定技術發展所處階段，作為研發投入的參考。從圖中可以看出，鈣鈦礦太陽能電池材料HO1L技術領域專利起步較早，2013年申請數量為零，到2014年的39件，之后快速發展，這和鈣鈦礦太陽能電池專利申請數量的總體趨勢是一致的。2018和2019年，專利數量都保持穩定并且專利數量較多，顯示出在該方面市場研發創新的積極性是非常高的。因此，企業、高校和研究所應該對鈣鈦礦太陽能電池材料HO1L技術領域增加投入力量，促進半導體材料方面的結構與性能創新。

4 研究方向

對鈣鈦礦太陽能電池器件進行結構和工藝的分析，再通過閱讀論文文獻與專利文獻統計得出，鈣鈦礦太陽能電池技術的研究主要是對其半導體器件結構的研究，主要專利圍繞空穴傳輸層、鈣鈦礦層和電子傳輸層進行研究。在空穴傳輸層摻雜材料元素，對其結構進行研究，尋找新的鈣鈦礦材料和添加劑以提高鈣鈦礦穩定性。在鈣鈦礦吸收層，一方面是改進鈣鈦礦材料的結晶度和相應界面，并尋找合適的環保材料來替代鈣鈦礦中有毒有害元素鉛。通過專利庫看出，各高校、企業、科研院所和個人在專利布局方面主要也是圍繞結構性能的改善來申請實用新型和發明專利的。因此，各研究單位應該在結構方面加大研究，早日突破鈣鈦礦電池材料技術現有的難題。

5 SWOT分析方法

通過SWTO分析方法，對當前鈣鈦礦太陽能電池材料技術的優劣勢與機遇挑戰進行分析，如表1所示。

5.1 優勢方面

隨著相關人員對該領域不斷地研究，在太陽能電池等領域實現了技術突破，使得技術更上一個臺階。鈣鈦礦電池中的平板型電池，主要朝著低溫的方向發展，具有可以降低成本，有較廣的商業前景。我國研究所和高校，人才濟濟，這都為我國太陽能電池的發展奠定了堅實的基礎。

5.2 弱勢方面

長期穩定性還有待驗證，高效率和高穩定性還不能同時滿足。制造顏色的限制，使其不能大規模地推給建筑大樓的設計師，相關適宜的顏色研發需要進一步加強。近些年我國雖然在該領域取得了技術突破，但是一些核心技術受牽制于國外，所以更要加強知識產權強國的意識，提高該領域的專利申請意識。

5.3 機遇與威脅

隨著部分能源面臨枯竭，一些能源開發對自然生態環境造成了破壞。世界各國相關技術人員也不斷加大對太陽能資源的研究力度，積極開展對鈣鈦礦太陽電池的應用研究。越來越高的需求使得太陽能電池處于主體技術轉換時期，發展潛能巨大。世界各國都在積極研發高效率高轉化率的鈣鈦礦太陽能電池材料，制定優先發展戰略，體現了該技術領域世界競爭日趨激烈[1]。

6 專利戰略

我國鈣鈦礦太陽能電池材料的發展從2013年以來已經在申請專利問題方面取得了一定的進步，但結合專利戰略看其發展，還處于基礎性研究階段。全面的專利檢索和分析可以預測未來的發展趨勢。通過專利文獻的檢索與SWOT的分析，從國家層面、企業層面和高校研究所三個層面提出一些對策與建議。

6.1 國家層面

在2019年，科技部高技術研究發展中心把鈣鈦礦太陽能電池技術立為國家重點研發項目[2]。我國可以建立相關專利信息平臺，為該領域的企業和其他機構提供方便快捷的專利信息服務，建立專利預警平臺。專利預警的實現可以通過各種數據庫的建立和共享。健全專利制度和預警體系的基本框架，都將為鈣鈦礦太陽能電池技術未來的技術發展提供指導作用。鼓勵企業加快新產品、新技術開發步伐和對引進先進技術進行消化吸收與再創新。

6.2 企業層面

雖然企業對知識產權的認識熱度高漲，而真正運用知識產權構建商業模式，利用知識產權投資、入股、甚至上市的還少之又少。企業在研發過程中容易忽視一些有價值的專利，可以借助或尋求專業的知識產權代理機構，來幫助企業更好地挖掘潛在的知識產權。企業的研發技術部門，在知識產權方面應該經常性地與一些走在行業前沿的專業代理機構進行有效溝通，挖掘有價值的專利。

6.3 高校和科研機構層面

《公司法》第27條規定，股東可以用貨幣出資，也可以用實物、知識產權、土地使用權等可以用貨幣估值并可以依法轉讓的非貨幣財產作價出資，以非貨幣財產出資應當評估作價，核實財產，不能高估或者低估作價。經過專利數據庫分析，高校的專利成果申請量是最多的，高校科研院所可以通過科技成果作價出資來促進創新，讓技術變成財富推動共贏。與此同時，加強對高校的專利管理，組建專家團隊進行專利導航和布局，為開展成果轉化奠定了堅實的基礎。

7 結語

隨著社會的快速發展，煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸。石油、煤等不可再生資源的不正當使用使環境污染愈發嚴重，人類生存受到很大威脅[3]。太陽能電池在發展市場占有率高發展最為完善，與此同時鈣鈦礦太陽能電池技術的出現及創新將為能源市場帶來巨大的轉變。能否取得技術話語權的關鍵在于能否掌握核心科技，我國相關行業人員應該依靠自主創新知識產權戰略，提高產品知識產權保護意識，做好知識產權專利侵權防范工作，運用知識產權戰略來提高核心競爭力。未來，在智能化和個性化趨勢的推動下，準確定位，積極促進鈣鈦礦太陽能電池的創新發展，在太陽能電池這個新興的技術領域里，市場的搶占與競爭依靠核心技術的支撐，而核心技術的保護依賴專利的爭奪。隨著專利法律法規的日益規范化與國際化，越來越多的企業會通過專利手段控制創新市場。

參考文獻：

[1] 逄淑平，新能源電池——高效率有機-無機鈣鈦礦太陽能電池的研究[Z].青島：中國科學院青島生物能源與過程研究所，2017.

[2] 杜春雷.鈣鈦礦型材料制備及性能[J].化工設計通訊，2020，46（08）：29-30.

[3] 熊繼光，秦校軍，董超，等.鈣鈦礦太陽能電池研究進展及面臨的挑戰[J].化工新型材料，2020，48（08）：1-5.