一太陽電池技術(shù)的發(fā)展

1873年英國科學(xué)家WiloughB.Smith發(fā)現(xiàn)了對(duì)光敏感的硒材料，并提出在光的照射下硒導(dǎo)電能力的增加正比于光通量。1880年，第一片以硒為基礎(chǔ)的太陽電池由CharlesFritts制造出；1954年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室G.Pearson、D.Chapin和C.Fuller開發(fā)了第一個(gè)實(shí)用單晶硅太陽電池。第一代太陽電池以硅片為基礎(chǔ)，其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟。太陽電池的主要材料為晶體硅。目前主要研究方向?yàn)椋汗杌栯姵氐霓D(zhuǎn)換效率，目的在于采用雙面電池、減小光反射來提高光電轉(zhuǎn)換效率；運(yùn)用吸雜技術(shù)減小半導(dǎo)體材料的復(fù)合效應(yīng)；使電池超薄型化；降低硅片的缺陷；快速摻雜和表面處理技術(shù)；連續(xù)和快速的布線工藝；多晶硅電池表面織構(gòu)化技術(shù)和薄片化；高效率電池工藝技術(shù)等。第二代太陽電池基于薄膜技術(shù)，其結(jié)構(gòu)主要是在非硅材料的襯底上生長薄膜光電材料，這樣就能夠大大減少硅材料的消耗，并且易于形成批量自動(dòng)化生產(chǎn)，從而降低太陽電池的成本。高轉(zhuǎn)換效率的薄膜太陽電池主要通過減少非光能耗、增加光子有效利用以及減少太陽電池內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的大幅度提升。國際上已經(jīng)開發(fā)出電池效率在15%以上、組件效率10%以上和系統(tǒng)效率8%以上、使用壽命超過25年的薄膜太陽電池工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。新一代太陽電池的發(fā)展方向是化合物太陽電池(如銅銦鎵硒等)，其具有轉(zhuǎn)換效率高、成本低、弱光性好以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)。我國于1959年成功研制第一個(gè)具有實(shí)用價(jià)值的太陽電池，1979年開始生產(chǎn)單晶硅太陽電池。近年來，我國科研工作者的研究方向包括晶體硅高效太陽電池技術(shù)、非晶硅薄膜太陽電池技術(shù)、碲化鎘和銅銦硒薄膜太陽電池技術(shù)、多晶硅薄膜太陽電池技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等。

二光伏行業(yè)專利技術(shù)分布

隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，用于太陽電池的活性材料及其制造工藝技術(shù)也得到迅速發(fā)展，全球?qū)＠暾?qǐng)量逐年穩(wěn)定增長。專利申請(qǐng)主要集中在日本、美國、歐洲、德國、中國和韓國等國家和地區(qū)，其中以日本的專利申請(qǐng)量最多，占全球總申請(qǐng)量的64.0%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他國家和地區(qū)所占比例；專利申請(qǐng)量居前列的是日本和德國企業(yè)。近年來，用于太陽電池的活性材料主要是單晶硅和多晶硅。由于多晶硅是制造單晶硅的主要原材料，因此，多晶硅的制造是關(guān)鍵。目前工藝成熟并用于大規(guī)模生產(chǎn)的工藝主要是西門子法。國內(nèi)外申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)也以多晶硅及其制造申請(qǐng)量居多，主要涉及西門子法和冶金法，但是國內(nèi)外申請(qǐng)人的側(cè)重點(diǎn)不同，國外在華專利申請(qǐng)中涉及西門子法的專利申請(qǐng)較多，而國內(nèi)申請(qǐng)中涉及冶金法的專利申請(qǐng)較多。用于太陽電池的活性材料及其制造工藝主要集中在日本、德國、美國和韓國。在全球?qū)＠暾?qǐng)量中，申請(qǐng)量居前列的公司包括住友、夏普、三菱、西門子、松下、川崎制鐵、佳能、京瓷、瓦克和德山等(注：數(shù)據(jù)來源于中國專利檢索數(shù)據(jù)庫，公司名稱統(tǒng)一采用簡(jiǎn)稱)。重點(diǎn)生產(chǎn)廠商都側(cè)重于多晶硅制造技術(shù)，松下主要側(cè)重于化合物材料制造，佳能主要側(cè)重于多晶硅薄膜的制造。在多晶硅工藝方面，京瓷主要側(cè)重于多晶硅后續(xù)加工，如鑄錠等方面。住友在各個(gè)主要技術(shù)分支的發(fā)展較均衡，但更側(cè)重于對(duì)西門子法的完善和改進(jìn)，同時(shí)也在積極研究金屬還原法。

1多晶硅制備技術(shù)

近年來光伏產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，多晶硅制備技術(shù)的相關(guān)專利年平均增長率超過40%。目前世界大部分多晶硅生產(chǎn)廠商主要還是采用改良西門子法進(jìn)行生產(chǎn)，這表明改良西門子法仍是目前較成熟的多晶硅制造方法。除了改良西門子法外，當(dāng)前出現(xiàn)了很多新的多晶硅制造工藝，其中一個(gè)熱點(diǎn)工藝是冶金法制造多晶硅。國外在華專利申請(qǐng)中，冶金法的專利申請(qǐng)量在總量中位居第二，一些主要廠商如川崎制鐵、住友等也積極開發(fā)此方法。冶金級(jí)硅的純度不如傳統(tǒng)西門子法制造的多晶硅純度高，使用冶金級(jí)硅制造的太陽電池衰減也較嚴(yán)重，其使用壽命還沒有得到驗(yàn)證，但成本優(yōu)勢(shì)明顯。道康寧和西日本制鐵公司所正在用冶金法試生產(chǎn)高純冶金多晶硅，用其制造的多晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)15%。其中重要專利包括佳能的冶金法CN100341780C、三菱的硅烷法JP3864693B2及金屬還原法JP3844856B2以及日本德山公司的西門子法CN100436315C、CN1230379C、CN100347083C，川崎制鐵公司的冶金法CN1092602C、JP3205352B2、JP1733986C，美國Hemlock公司的EP334664B1、EP1392601B1。

2太陽電池技術(shù)

全球太陽電池技術(shù)發(fā)展迅猛，專利申請(qǐng)的技術(shù)重點(diǎn)主要是薄膜太陽電池相關(guān)技術(shù)，同時(shí)染料敏化太陽電池相關(guān)技術(shù)也是近幾年的研究熱點(diǎn)。在專利技術(shù)申請(qǐng)方面，我國的技術(shù)方向與國外基本一致。技術(shù)分支較全面，主要集中在薄膜太陽電池相關(guān)技術(shù)方面。同時(shí)，在近年來備受關(guān)注的染料敏化太陽電池方面的研究也較活躍。其中北京行者公司、李毅(申請(qǐng)人)和南開大學(xué)的研究重點(diǎn)為薄膜太陽電池；彩虹集團(tuán)公司、復(fù)旦大學(xué)、清華大學(xué)和中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所在染料敏化太陽電池領(lǐng)域的研究較活躍；常州天合公司的研究則主要集中在晶體硅太陽電池相關(guān)技術(shù)；此外，中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所對(duì)有機(jī)太陽電池的關(guān)注度較高。太陽電池領(lǐng)域全球?qū)＠暾?qǐng)中，日本申請(qǐng)人在該領(lǐng)域處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，在申請(qǐng)量上已經(jīng)基本處于壟斷地位。夏普和三菱自1999年開始，專利申請(qǐng)量迅速增長，在近幾年一直保持發(fā)展勢(shì)頭。各主要廠商分別側(cè)重于不同技術(shù)領(lǐng)域，目前主要生產(chǎn)廠商都非常注重在薄膜太陽電池領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)，尤其是佳能、三洋和松下，基本上全部研發(fā)重心都放在薄膜太陽電池領(lǐng)域，夏普和三菱的發(fā)展都為全面，在晶體硅太陽電池、薄膜太陽電池、染料敏化太陽電池以及有機(jī)聚合物太陽電池4個(gè)技術(shù)領(lǐng)域均有一定數(shù)量的專利申請(qǐng)，其中夏普在晶體硅太陽電池方面的實(shí)力最強(qiáng)，而三菱則在染料敏化太陽電池和有機(jī)聚合物太陽電池領(lǐng)域略強(qiáng)于夏普。太陽電池領(lǐng)域的重要專利也主要集中于日本，如佳能、三洋、夏普等公司。其中晶體硅太陽電池和薄膜太陽電池技術(shù)的專利申請(qǐng)起源都較早，因此基礎(chǔ)性的專利都已經(jīng)超過保護(hù)期限，重要專利均為改進(jìn)型專利技術(shù)；染料敏化太陽電池是太陽電池領(lǐng)域中較新的一個(gè)研究分支，是目前全球?qū)＠暾?qǐng)的技術(shù)熱點(diǎn)。其中重要的專利包括佳能的疊層結(jié)構(gòu)US6180870B1、US6383576B1、襯底/電極CN1096713C、US5500055A以及成膜方法/設(shè)備EP0828301B1等；夏普的襯底/電極CN100472817C、鈍化膜/抗反射EP1816683B1、染料敏化太陽電池JP1063802B2等；三菱的疊層結(jié)構(gòu)CN100435357C；松下的疊層結(jié)構(gòu)US6441301B1及染料敏化太陽電池US7256147B2。國內(nèi)申請(qǐng)人分別具有不同的技術(shù)重點(diǎn)。在晶體硅太陽電池技術(shù)方面，無錫尚德的發(fā)明專利申請(qǐng)主要包括晶體硅太陽電池電極制絨和鍍減反射膜工藝；常州天合的專利申請(qǐng)涵蓋晶體硅太陽電池的襯底、電極的設(shè)計(jì)等；阿特斯的專利申請(qǐng)主要涉及太陽電池的抗反射及鈍化工藝。在薄膜太陽電池技術(shù)方面，疊層結(jié)構(gòu)方面專利申請(qǐng)較活躍的主要申請(qǐng)人有南開大學(xué)、北京行者以及李毅，其中南開大學(xué)和李毅在薄膜太陽電池方面的專利技術(shù)較全面，涵蓋了襯底、電極以及疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還有制造電池的方法和設(shè)備，北京行者的專利申請(qǐng)則主要集中在電池的電極和疊層結(jié)構(gòu)方面。