基于国内专利的钙钛矿太阳能电池发展趋势.pdf

中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-30-专利分析发展背景随着全世界对能源的需求量越来越大，石油、煤炭、天然气等传统能源的储量越来越少，对新型能源的需求不断增长。在新型能源中，太阳能由于其清洁、可再生的特性，受到广泛关注。太阳能电池的发展，经历了第 1 代晶硅太阳能电池、第 2 代薄膜太阳能电池，来到第 3 代的新概念太阳能电池。随着光伏领域对降本增效需求的不断提高，第 3 代太阳能电池中以钙钛矿为基底的太阳能电池越来越受到关注。钙钛矿材料结构式一般为 ABX3，其中 A 和 B 为两种阳离子，X为阴离子，钙钛矿晶体一般为立方体或八面体结构。通常，用于太阳能电池的钙钛矿材料中 A 为有机胺离子，B 为二价金属离子，X 为卤素离子。通过将钙钛矿材料应用于太阳能电池领域，钙钛矿太阳能电池具有电池转化效率高、成本低的优势。2009 年，Miyasaka 团队率先将钙钛矿材料用于燃料敏化太阳能电池作为光吸收材料，获得 3.8%的光电转换效率。2012 年 Park 团队首次报道全固态钙钛矿太阳能电池，其光电效率达到 9.7%。随后，掀起了钙钛矿太阳能电池的研究热潮，钙钛矿太阳能电池的光电效率不断攀升。目前，钙钛矿太阳能电池的最高效率是由隆基绿能科技股份有限公司于 2023 年 11 月 3 日创造的，电池的转化效率达到33.9%，超过了晶硅太阳能电池的理论极限。本文在以下内容中将重点关注中文钙钛矿太阳能电池专利申请的发展趋势的专利技术分析。在中国专利文摘数据库（CNABS）中进行检索，数据截止时间为 2023 年 12 月 4日。其中在 CNABS 数据库中分别以“钙钛矿、太阳”为关键词来限定钙钛矿太阳能电池领域，并使用 IPC/CPC 分类号 H01L31、H01L51 来消除噪音，最终得到 4 369 件相关专利申请。由于专利从申请到公开存在 18 个月的滞后期，因此，2022、2023 年的数据仅供参考。专利申请年份分布使用 CNABS 中的检索结果进行分析，得到了关于钙钛矿太阳能电池专利申请量的年度分布状况（见图 1）。由图1 中可以看出，自 2011 年出现首件钙钛矿太阳能电池的中国专利申请，但是 20112013 年几乎没有专利申请，处于停滞状态。从 2014 年开始，专利申请量显著增长并逐年快速上升，平均每年的增长量约为 100 件。在 20182021 这 4行业曲线开放度创新度生态度检索量持续度可替代度影响力行业关联度基于国内专利的钙钛矿太阳能电池发展趋势赵世欣赵世欣国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心赵世欣，助理研究员。-31-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 3 期专利分析年间，申请量相对稳定，保持在 500 600 件/年的水平。2022 年的专利申请量相较于前一年增长了超过 100 件，出现了又一次的飞跃。纵观钙钛矿太阳能电池的专利申请量的变化，2011 年国内出现首件专利申请，表明国内专利的申请紧跟钙钛矿太阳能电池技术的科学进展。2014 年起专利申请量出现的快速增长得益于钙钛矿薄膜制备技术的创新。专利申请量的变化一方面与技术的革新密切相关，另一方面也与国家的发展战略密不可分。2021 年 11 月，国家能源局和科学技术部出台 “十四五”能源领域科技创新规划，规划中明确了研究高效钙钛矿电池制备与产业化生产技术等五项光伏技术。2022年6月，国家九部门联合印发 “十四五”可再生能源发展规划，要求掌握钙钛矿等新一代高效低成本光伏电池制备及产业化生产技术。紧接着，2022 年 8 月，国家九部门再次联合出台科技支撑碳达峰碳中和实施方案（20222030 年），继续强调研究基于新材料，例如钙钛矿，的光伏电池新技术。可见，从 2021 年开始钙钛矿太阳能电池的技术研究和产业化成为我国光伏技术的发展重点，这也是 2022 年专利申请量再次飞跃的重要原因。可以预期，未来一段时间不仅是太阳能电池技术的研究热点，也是太阳能电池产业的发展方向。专利类型数量分析通过对专利申请的类型进行统计分析，钙钛矿太阳能电池的专利申请中，发明专利申请 3 982 件，实用新型专利申请 328 件。可见，发明专利申请的数量占全部专利申请数量的90%以上。充分说明在该领域的专利申请整体质量较高，申请人对该领域专利申请的重视程度较高，从而进一步反映出钙钛矿太阳能电池具有较高的技术含量和市场价值。专利申请人分析通过对专利申请人进行统计，得到专利申请量排名前 10的申请人（见表 1）。从表 1 可以看出，排名前 10 的申请人中，高校和科研机构略多于企业。这与钙钛矿太阳能电池技术仍处于科学研究的前沿，该领域的科学技术仍在持续创新的情况相吻合。上述申请人的专利申请总量为 783 件，仅占全部专利申请的约 18%。可见，专利申请比较分散，没有申请量具有绝对优势的申请人。这一方面表明，该领域的技术仍在不断发展阶段，技术创新不断出现，另一方面表明，多家企业相互竞争，尚未形成技术垄断。表 1 国内钙钛矿太阳能电池专利申请量排名前 10 位的申请人排名机构专利数量/件1中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司1142华能新能源股份有限公司983华中科技大学904杭州纤纳光电科技有限公司905苏州大学766武汉理工大学727电子科技大学718南京邮电大学599中国科学院上海硅酸盐研究所5710无锡极电光能科技有限公司56专利申请趋势分析对排名前 10 的申请人的专利申请趋势进行分析，结果如图 2。可以看出，在 2021 年之前，前 10 名申请人的申请量与专利申请总量的趋势基本一致。但是在 2022 年，前 10名申请人的申请量显著下降，这与整体专利申请量在 2022年大幅增长的趋势不一致。进一步对 2022 年的专利申请人进行分析，如表 2。表 2 2022 年国内专利申请量排名前 10 位的申请人排名机构专利数量/件1中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司382华能新能源股份有限公司383电子科技大学224无锡极电光能科技有限公司215天津爱旭太阳能科技有限公司176广东爱旭太阳能科技有限公司177浙江爱旭太阳能科技有限公司178珠海富山爱旭太阳能科技有限公司179南开大学1610武汉理工大学15图 2 前 10 名申请人历年申请量图 1 国内钙钛矿太阳能电池历年申请量中国科技信息 2024 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-32-专利分析多个单结电池层叠的结构，在具有高转化效率同时，需要满足带隙匹配等技术条件，具有一定技术难度。隆基集团在叠层钙钛矿太阳能电池领域做出不少突破，高转化效率钙钛矿太阳能电池即采用钙钛矿与晶硅叠层的结构。华中科技大学的专利申请情况如图 4 所示。从图 4 可以看出，华中科技大学从 2013 年开始进行钙钛矿太阳能电池的专利申请，并以 90 件的专利申请量在专利申请总量中位列第三。可见华中科技大学是我国较早从事钙钛矿太阳能电池技术研究的高校之一，且在该领域持续保持技术优势。通过对发明人的分析，华中科技大学的陈炜团队拥有 30 件专利申请，占全部华中科技大学申请量的三分之一。陈炜团队一直致力于反式钙钛矿太阳能电池的钙钛矿材料的研究，并取得多项研究成果。其中，于 2023 年 7 月，针对反式结构、无溴无甲胺甲脒基钙钛矿太阳能电池，陈炜团队提出了一套对钙钛矿薄膜从体相到表面的系统性缺陷进行钝化的方案，改善了钙钛矿薄膜的内部和表面的缺陷，在实现了 25.1%的光电转换效率的同时，提高了运行的稳定性。总结综上所述，通过专利分析发现，我国的钙钛矿太阳能电池技术正处于高速发展时期，理论研究不断突破。在我国新能源发展规划的大背景推动下，钙钛矿太阳能电池的产业化发展加速，越来越多的企业参与该领域的竞争，争相进行专利布局。未来，随着钙钛矿太阳能电池的效率的不断提升、成本的不断下降，钙钛矿太阳能电池会不断扩大市场份额，从而推动太阳能电池领域的发展与进步。图 4 中国华能集团申请趋势图 3 中国华能集团申请趋势通过表 1 和表 2 的对比可以看出，表 1 中的中国华能集团在表 2 中仍然位于榜首，证明其科研、生产的实力在该领域始终保持优势地位。无锡极电光能科技有限公司排名上升。此外，爱旭集团强势入围。随着排名的不断变化，说明钙钛矿太阳能电池领域不断有新的企业加入，该领域目前仍是市场的热点。并且，表 2 中的企业数目远超高校和科研机构，这说明钙钛矿太阳能电池正逐步从实验室走向产业化，越来越多的企业投入钙钛矿太阳能电池市场，这与 2022 年我国启动钙钛矿产业化发展的政策密切相关。主要申请人从上文的专利分析情况，选择主要的专利申请人中国华能集团、无锡极电光能科技有限公司、爱旭集团和华中科技大学。中国华能集团是我国最早进行钙钛矿太阳能电池的研究和生产的能源企业。中国华能集团的子公司：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司和华能新能源股份有限公司，其专利申请量不仅在历年的专利申请总量占据第一的位置，还在 2022 年的专利申请量中仍然保持领先优势。中国华能集团的专利申请量如图 3 所示。从图 3 可以看出，中国华能集团从 2015 年开始进行专利申请，2020 年之前的专利申请量仅为个位数。从 2020 年开始，专利申请量持续大幅增长。中国华能集团是从 2013 年开始钙钛矿太阳能电池的基础理论研究，2015 年着手实验室级小面积钙钛矿研发，2020 年开启产业化进程，建设大面积模组中实验线。2021 年，首片大面积钙钛矿太阳组件正式下线，光电转化效率不断突破。从中国华能集团的专利申请量的变化可以看出，其专利申请量与其对钙钛矿太阳能电池的研究进展和工业化程度密切相关。无锡极电光能科技有限公司是长城控股集团旗下企业，在钙钛矿电池领域共有 56 件专利申请，该公司从 2020 年开始进行专利布局，此后申请数量不断攀升，2022 年的专利申请量为 38 件，为 2021 年专利申请量的 4 倍。可见无锡极电光能科技有限公司在钙钛矿太阳能电池领域虽然起步较晚，但发展迅速。无锡极电光能科技有限公司从 2018 年开始进行钙钛矿太阳能电池的研发。2021 年实现光电转化效率 20.5%的钙钛矿太阳能电池光伏组件，2022 年建成了150MW 钙钛矿太阳能电池的生产线。可见，无锡极电光能科技有限公司的专利申请情况与其产业发展息息相关。隆基集团参与钙钛矿太阳能电池专利申请的公司有两家，分别是隆基绿能科技股份有限公司和西安隆基乐叶光伏科技有限公司。隆基集团从 2020 年开始进行钙钛矿太阳能电池的专利申请，首年即申请 16 件。可见，隆基集团进入该领域的时间虽然较晚，但起点较高。经过进一步检索，隆基集团的钙钛矿太阳能电池的 39 专利申请中，叠层结构的钙钛矿太阳能电池的申请量为 19 件，占总申请量的一半。叠层钙钛矿太阳能电池包括钙钛矿-晶硅叠层、钙钛矿-铜铟镓锡叠层等多种叠层结构。叠层太阳能电池相对于单结钙钛矿电池，能够有效提升光电转化效率，是目前钙钛矿太阳能电池领域中的主流结构。叠层钙钛矿太阳电池采用两个或