專利技術分析視角下我國鈣鈦礦太陽能電池的發展路徑探究

基金項目：金華市公益性技術應用研究項目；項目名稱：基于專利視角的氫燃料電池產業分析報告及對金華市相關產業的發展建議；項目編號：2022-4-044。金華市軟科學研究項目；項目名稱：太陽能電池產業技術發展趨勢研究；項目編號：2021-5。

作者簡介：王瑤（1979—），女，館員，碩士；研究方向：知識產權信息服務，產業技術分析。

摘要： 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）具有效率高和成本低等優勢，在光伏領域展示出巨大的商業應用前景，成為近年來全球關注的研究熱點之一，相關技術獲得了巨大發展。文章基于incoPat專利數據庫對PSC領域的專利進行統計分析，在梳理全球PSC專利的地域分布與技術構成的基礎上，分析了PSC制造核心的電池片技術的申請趨勢、技術構成和來源國，得出我國在該技術領域的發展情況和存在的問題，并對我國PSC產業發展提出了相應的對策建議。

關鍵詞：鈣鈦礦；太陽能電池技術；專利分析

中圖分類號：G306文獻標志碼：A

0引言

化石能源的大量消耗引發全球能源危機，伴隨產生的環境污染、氣溫上升以及極端氣候頻現嚴重威脅著人類社會的發展，能源來源及利用方式的變革是緩解上述危機的根本途徑。太陽能是一種清潔、綠色、分布廣的可再生能源，我國的太陽能資源豐富，具備良好的開發應用條件。在踐行“雙碳”目標的背景下，太陽能光伏發電技術的開發對于推進我國能源轉型、促進經濟與社會的可持續發展和助力“雙碳”目標如期實現具有重要的戰略意義和現實價值，已被確立為國家重點攻關的新型技術領域之一。

由于鈣鈦礦半導體材料具有光吸收系數高、帶隙可調、光量子產率高、制備成本低等優點，鈣鈦礦太陽能電池（PSC）成為近10年來全球光伏發電領域的研究熱點［1］。自2009年首次報道以來，單結PSC的光電轉換效率由38%提升至25%以上［2-3］，已經非常接近傳統單晶硅太陽能電池的效率（267%）。由于PSC在制備成本上遠低于硅基光伏電池，在能量轉化效率上優于染料敏化太陽能電池，通過多樣化的設計方案可以進一步提高PSC的光吸收能力和轉換效率，上述特征及相對簡便的制備工藝使得PSC能夠產業化并在民用領域廣泛應用；同時，PSC蘊含的創新技術的發展也將廣泛影響和帶動與之相關產業的發展與轉型升級，因此，全面分析PSC的核心技術及發展趨勢，進而探索適合我國PSC產業發展的策略與建議具有重要戰略意義。

專利文獻融合專業技術、法律保護和經濟價值于一體，涵蓋了全球90%以上的最新科學技術信息，代表著申請人對核心技術及其應用的掌握，是科技核心競爭力的體現。近年來，PSC領域專利的全球申請量呈現急速上升的態勢。利用專利文獻分析技術可以獲得PSC領域的技術發展進程、國別與地域分布、申請人構成等信息，分析成果不僅可用于指導技術創新，還能為各級政府在確定產業主攻方向等的決策時提供政策建議與參考。鄭富艷［4］對2013—2020年PSC技術領域的專利申請年份分布、專利類型數量、專利權人機構屬性、專利區域分布與國際專利分類號（IPC）進行了統計分析；朱波［5］對2016年6月前的全PSC領域相關專利中重點申請人的重點專利進行了統計分析；謝祥生等［6］從時間分布、地理分布、專利權人分布和技術分布等方面對PSC專利進行了研究；徐國亮等［7］從柔性化方式和改善電池穩定性的角度對柔性PSC領域的重點技術進行了梳理。然而，上述研究很少從PSC的構成及組件技術領域進行深層的技術功效分析。考慮到PSC的構成不僅包括電極材料（鈣鈦礦材料、載流子傳輸材料、電極等）、玻璃等核心組件或裝置，還囊括其他輔助配件（如接線盒）的制備方法與組裝工藝等，不同材料或配件的研發與生產需要不同技術背景的企業和配套，因此，深入的技術功效分析是有效甄別已有PSC技術優勢和不足的重要前提，對規劃產業布局也十分必要。

本文通過對PSC特定技術領域專利的技術與功效進行分析，梳理了PSC全球技術構成與中國在相關技術領域的發展趨勢，從PSC全球專利來源與技術構成、電池片專利的技術演變與技術構成、鈣鈦礦層技術功效矩陣等多層面開展分析，以期揭示專利技術布局壁壘區和專利技術布局洼地，為探尋我國的PSC產業發展路徑和制定可行的競爭策略提供參考建議。

1數據選取及分析方法

以incoPat數據庫為檢索對象，基于精確檢索與適當擴展相結合的方式檢索2002—2022年的專利文獻（數據截至2022年6月），采用IPC分類號與關鍵詞相結合的檢索策略，利用Derwent Data Analyzer數據分析軟件對專利數據進行清洗。通過批量去噪和人工去噪以確保檢索數據的完整性和準確性，計算出查全率為91%，查準率為95%。找到PSC關鍵技術并對所得專利人工標引編碼，構建技術功效矩陣并加以分析，涉及技術分析所用數據為專利同族合并后的數據，涉及趨勢分析所用數據為專利申請數據。

2全球PSC專利分析

21全球專利地域布局分析

首先，通過統計全球PSC的主要來源國和主要目標地區/組織的專利申請量可以了解PSC專利技術的全球地域分布情況。挑選主要專利來源國排名前4位的中國、美國、日本和韓國，對其專利的主要區域布局流向進行分析，結果如圖1所示。從申請數量看，中國的PSC專利申請數高居首位，數量上的絕對優勢得益于我國科技創新政策的引導及政府對企業和科研機構開展技術創新的鼓勵與補貼產生的推動作用［6］。在專利布局方面，中、日、韓、美4國在本國的專利申請數占總申請數的比例分別為989%、509%、767%和664%，向國外申請專利的數量依次是37件、191件、88件和107件，表明各國都十分重視保護本國市場，同時也在積極布局海外重點國家［8］。相比日本和美國，我國對外專利布局明顯薄弱，與專利申請體量極不相稱，這可能使我國PSC產品在今后走出國門參與國際競爭時面臨巨大的技術保護與權益維護困境。因此，我國的專利申請人應該重視并加快面向國外重點國家的專利申請與布局。

22全球PSC專利技術分解和構成占比分析

依據電池的組件構成和制備技術所屬技術領域的IPC分類，PSC專利首先被分為電池片、玻璃、EVA膜、組件（含背膜、邊框、接線盒和其他輔助配件）及制備方法5個一級大類，此處將所含核心技術不能確切歸類于電池片等前4類，且闡述內容為PSC核心組件或裝置的制備方法與組裝工藝等的專利歸入制備方法所在的分類中，統計得到5個一級大類所含的專利數量和占比結果如圖2所示。作為電池技術的核心，制備方法和電池片的申請量占據了主導地位，是研發機構開展技術攻關與競爭的焦點。由于各機構的PSC構架設計與制作理念各有特色，在開發核心組件或裝置的制備方法與組裝工藝方面呈現出多樣化的特點，因此制備方法相關的專利占比最高［9-10］。考慮到光能轉化效率和制備成本是PSC優于傳統硅基太陽能電池的關鍵因素，電池片的設計決定了PSC的工作性能和轉換效率，本文對電池片技術及其分支的發展演變開展了深入分析。

3PSC電池片技術及其分支的演變分析

31全球PSC電池片技術專利申請趨勢分析

全球和中國在PSC電池片技術領域的專利申請量的變化趨勢如圖3所示。由圖3可見，2013年以前為PSC電池片技術的萌芽期和摸索階段，年專利申請量僅為個位數。隨著鈣鈦礦材料合成方法的快速發展及與鈣鈦礦層匹配的其他分支技術的不斷完善，電池片技術的全球專利申請量在2014年出現爆發性增長并在此后5年保持高速增長趨勢，在2019年后年申請量處于1 200件以上的高位。中國在該領域的專利申請起步時間與國外基本相同，自2015年起申請量開始超過國外申請量，截至2022年年底，中國的專利申請量累計為5 248件，占全球總申請量的6570%，表明中國已成為PSC電池片技術專利申請的主要國家，體現出我國政府對PSC產業穩定的政策支持和研發主體的持續投入對技術創新的重要作用。

32PSC電池片的技術分解與構成占比分析

在器件構成上，PSC電池片包含承擔光吸收與光電轉換功能的鈣鈦礦材料、負責傳輸電荷載流子的空穴傳輸材料和電子傳輸材料、作為底電極的導電玻璃、作為對電極的電極材料等成分，據此，通過二級技術分解將電池片技術細分為鈣鈦礦層、空穴傳輸層、電子傳輸層、電極、導電玻璃和介孔層6個小類。鈣鈦礦層、空穴傳輸層、電子傳輸層和電極是電池片的關鍵分支技術和熱點研究方向，申請量在PSC電池片專利中的占比依次為4717%、2517%、1178%和1237%，如圖4所示。由于鈣鈦礦層的性能決定了光照下電子-空穴對的產量和產生速率，空穴傳輸層、電子傳輸層及電極對電子和空穴的傳輸速度影響顯著，上述4個技術分支極大影響了PSC的光電轉化效率，因而專利申請量較多［10］，這與當前學界主要關注PSC轉化效率提升的趨勢相一致。

33PSC電池片技術構成的來源國分析

對5個重點來源國在PSC電池片技術分支的專利申請量進行技術構成分析，結果如圖5所示。中國在導電玻璃之外的其他分支的專利申請量均排名第一，其中在鈣鈦礦層、空穴傳輸層、電子傳輸層和電極4個關鍵分支的申請量遙遙領先。韓國在空穴傳輸層、電子傳輸層與電極分支中的申請數位居第二，瑞士在電池片技術的專利申請則主要集中在空穴傳輸層分支，美國在電池片領域的申請總量略高于日本，但在鈣鈦礦層分支的申請數上略低于后者。上述結果反映出我國在電池片核心技術方面的專利申請數處于全球優勢地位，科技管理部門及研發機構迫切需要研究和探索將核心技術快速轉化并應用于PSC生產經營的有效途徑，這對我國PSC行業盡早確立在全球產業競爭中的優勢地位和保持可持續發展的態勢至關重要。

34中國在電池片技術分支的專利申請趨勢分析

我國在PSC電池片各分支領域的專利申請量隨年份的變化趨勢深入反映出我國相關技術的發展趨勢和成熟度。2002—2013年，電池片技術的專利申請主要分布在電極和導電玻璃分支，在鈣鈦礦層等核心技術分支的累計申請量不足10件，顯示出我國在電池片技術領域處于起步和探索階段，如圖6所示。從2014年起，鈣鈦礦層、空穴傳輸層和電子傳輸層3個核心技術分支的專利申請開始萌發，在此后數年內呈現爆發性增長并帶動了電極和導電玻璃等分支專利申請量的上升，展示出技術發展逐漸規模化和覆蓋面的不斷擴大。其中鈣鈦礦層分支的專利申請量最多，其增長趨勢與全球PSC專利申請量變化趨勢一致，反映出鈣鈦礦層專利技術為PSC技術功效分析中的關鍵核心技術，該分支專利技術的大量儲備可為我國成為全球PSC研發與產業化中心提供有力的技術支持。

4結論與建議

本文基于專利視角分析了全球PSC專利申請的來源、技術構成及中國在部分核心技術領域的專利申請趨勢。從專利來源和申請趨勢看，中國的PSC全領域的專利申請量居全球領先地位，在關鍵的電池片分支領域的專利申請量自2016起持續增大且逐漸趨于穩定，電池片和鈣鈦礦層技術的專利申請量顯著高于國外，顯示出我國在這些關鍵技術領域已具備相當的技術儲備；但是，我國的專利主要布局在國內，在國際專利布局上明顯落后于日、美、韓等國家，存在專利布局不合理、專利預警意識有待提高等問題。從技術構成上看，電池片和制作方法是PSC研究的重點技術方向，電池片技術的研究重點分布在鈣鈦礦層、空穴傳輸層、電子傳輸層和電極等熱點方向，其中鈣鈦礦層技術是電池片技術乃至PSC全領域的核心技術。由于當前的鈣鈦礦材料存在光電轉化效率不夠高、穩定性差、大面積制備困難等問題，鈣鈦礦層的相關技術研發仍將是未來提升PSC性能、推動PSC產業化應用的重要舉措。

在全球能源危機的背景下，PSC產業凸顯出誘人的應用前景和商業價值。我國在PSC領域良好的技術儲備和產業基礎為我國的新能源轉型進程提供了推動力，PSC技術的進步將促進與新能源相關的產業集群的發展和技術創新，并為我國引領全球新能源技術革命提供契機。在激烈的科技競爭形勢下，能否掌握核心技術決定了在全球競爭中是否擁有技術話語權。為此，提出以下發展對策與建議：（1）對于各級政府，可以從整個技術生命周期來制定PSC產業發展的詳細技術路線與長期規劃，構建專利預警平臺，實施數據信息共享，加強法律法規建設、知識產權的宣講與保護力度，為維持PSC產業的穩定和有序發展提供法律支持與保障；同時，對于解決核心技術難題的研發企業在資金補助、稅收減免、人才引進等方面提供政策傾斜，以切實利好鼓勵創新。（2）對于科技主管部門，可以通過國家重點研發計劃等科技項目組織高校、科研院所和企業對PSC核心技術開展聯合攻關，推進產、學、研、用的合作與融合，加速科學發現向技術和市場的演進。（3）對于高校和科研院所，可以優化職稱評聘、績效考核制度，適度提高個人的成果轉讓收益的比例等，積極鼓勵研究人員深入企業合作研究，促進研究成果向應用轉化。（4）對于企業，應準確了解PSC技術分支的專利布局現狀、深入分析已形成的專利壁壘和潛在的風險預警，針對鈣鈦礦層等關鍵技術和處于生長趨勢的技術功效，積極聯合高校和科研院所合作研發、提升創新水平，力求先局部突破、獲得高價值專利并搶占空白技術領域，隨后帶動其他分支的跟進；同時，還需要提高專利質量，加大海外專利布局步伐，增強知識產權保護意識，防范專利風險，切實提高在國際市場中的核心競爭力。

參考文獻

［1］曹邵文，周國慶，蔡琦琳，等.太陽能電池綜述：材料、政策驅動機制及應用前景［J］.復合材料學報，2022（5）：1847-1858.

［2］TAN Q， LI Z N， LUO G F， et al. Inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants［J］. Nature， 2023（7974）： 545-551.

［3］YANG T H， GAO L L， LU J， et al. One-stone-for-two-birds strategy to attain beyond 25% perovskite solar cells［J］. Nature Communications， 2023（1）： 839.

［4］鄭富艷.基于專利信息的鈣鈦礦太陽能電池技術發展現狀分析［J］.河南科技，2020（36）：147-151.

［5］朱波.鈣鈦礦太陽電池專利技術概述［J］.電子測試，2016（19）：163-164.

［6］謝祥生，孟浩.基于專利視角的鈣鈦礦太陽電池發展研究［J］.高技術通訊，2021（8）：861-871.

［7］徐國亮，韓婷.柔性鈣鈦礦太陽電池專利技術淺析［J］.電源技術，2021（3）：410-413.

［8］初釗鵬，李揚，劉昌新.全球太陽能專利技術競爭格局與發展趨勢研究［J］.情報學報，2018（3）：262-273.

［9］張美榮，祝曾偉，郁驍琦，等.高效率雙結鈣鈦礦疊層太陽能電池研究進展［J］.復合材料學報，2023（2）：726-740.

［10］趙航，袁世玉，王一同，等.基于大面積全無機鈣鈦礦太陽電池研究進展［J］.復合材料學報，2023（10）：5447-5465.

（編輯編輯何琳）