張志娟，趙志耘，張 旭，趙蘊華

(中國科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038)

可印刷柔性太陽能電池柔性、大面積化及低成本的特點，符合太陽能電池發(fā)展的趨勢。印刷電子是基于印刷原理的電子制造技術(shù)，將有機或無機材料電子器件印刷到柔性、可延性塑料或薄金屬基板上。簡單地說就是通過印刷的方式，把一些功能材料以油墨的形式印刷或沉積到承印物上，形成導(dǎo)電的線路。印刷電子技術(shù)具有低成本、工藝簡單、可大面積制備及柔性等特點，還能降低制備時的能量消耗［1－2］。

可印刷柔性太陽能電池是印刷電子領(lǐng)域的重要應(yīng)用方面。柔性太陽能電池運用了成熟的高速報紙印刷卷對卷技術(shù)，將半導(dǎo)體材料印刷到覆蓋在卷筒表面的導(dǎo)電塑料或不銹鋼箔片上，印刷技術(shù)節(jié)約了昂貴的原材料，并可在常壓環(huán)境下生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本?？捎∷⑻柲茈姵氐挠∷⒅苽涔に嚿婕靶?、刮刀、絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷等;可應(yīng)用到太陽能背包、太陽能敞篷、太陽能手電筒、太陽能汽車、太陽能帆船甚至太陽能飛機上。可印刷柔性太陽能電池的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是光伏建筑一體化，它可以集成在窗戶或屋頂、外墻或內(nèi)墻上。可印刷柔性太陽能電池技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及日常生活和建筑等方面，覆蓋面廣，發(fā)展前景廣闊［3－4］。

IDTechEx公司研究顯示［5－7］:2009 年全球印刷電子市場的產(chǎn)值為19億美元，有35%的電子產(chǎn)品通過印刷的方式生產(chǎn);預(yù)計到2020年，印刷電子市場的規(guī)模將達570億美元，有83%的產(chǎn)品將被印刷，其中75%的產(chǎn)品是在柔性承印物上生產(chǎn)的?？捎∷⑻柲茈姵厥怯∷㈦娮宇I(lǐng)域的重要應(yīng)用方面，未來可印刷太陽能電池的市場規(guī)模約為170億美元。

可印刷柔性太陽能電池技術(shù)前景廣闊，由于發(fā)展時間相對較短，利用專利等事實型數(shù)據(jù)對發(fā)展趨勢進行的研究鮮見報道。本文作者以美國科學(xué)情報研究所(ISI)出版的Derwent Innovation Index(DII)數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)來源，利用主題與專利分類號相結(jié)合的方式，檢索下載了可印刷柔性太陽能電池技術(shù)相關(guān)的專利。

數(shù)據(jù)下載時間為2012年12月3日，用TDA、Excel等統(tǒng)計與分析軟件進行分析。專利從申請到公開有18個月的滯后期，因此2011、2012年的數(shù)據(jù)僅供參考。

1 總體趨勢

全球可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利申請量排名前10位的如圖1所示。

圖1 全球可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利申請量排名前10位Fig.1 Top 10 of printed and flexible solar cells technology

從圖1可知，美國在該技術(shù)方面的專利數(shù)量位居第1;日本位列第2;中國居于第3位;韓國、德國緊隨其后。

圖2為可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利申請量排名前5位的專利逐年申請情況。

圖2 可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利申請量排名前5位的逐年申請的情況Fig.2 Top 5 of printed and flexible solar cells technology patents by year

從圖2可知，日本對該技術(shù)研究得較早;進入21世紀(jì)后，各國非常重視該技術(shù)的研發(fā)，專利申請量高速增長。

圖3為全球可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利(族)逐年申請情況。

圖3 可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利逐年申請的情況Fig.3 Number of printed and flexible solar cells technology patents by year

從圖3可知，自2000年以來，專利申請數(shù)量呈現(xiàn)顯著上升的態(tài)勢，說明該技術(shù)至此受到各方廣泛關(guān)注，主要原因是人們對未來新能源的憂慮。

一般而言，技術(shù)的發(fā)展需要經(jīng)過4個階段:①技術(shù)孕育期，早期技術(shù)萌芽期，企業(yè)進入意愿低，專利申請數(shù)量和申請人數(shù)量均很少;②技術(shù)成長期，此時產(chǎn)業(yè)技術(shù)有突破或廠商對市場價值有了認知，競相投入發(fā)展，專利申請量與專利權(quán)人數(shù)急速上升;③技術(shù)成熟期，廠商投資于研發(fā)的資源不再擴張，只剩少數(shù)繼續(xù)發(fā)展該技術(shù)，且其他廠商進入此市場的意愿低，專利申請量與專利權(quán)人數(shù)成長逐漸減緩;④技術(shù)瓶頸期，產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)遇瓶頸難以突破或此類產(chǎn)業(yè)已成熟，專利申請量與專利權(quán)人數(shù)呈負增長［8］。

可印刷柔性太陽能電池技術(shù)的生命周期見圖4。

圖4 可印刷柔性太陽能電池技術(shù)的生命周期Fig.4 Life cycle of printed and flexible solar cells technology

從圖4可知，該技術(shù)在1963－2000年處于萌芽期，研發(fā)剛開始，技術(shù)處于探索階段，專利申請數(shù)量及專利權(quán)人均較少，申請的多為基礎(chǔ)性專利;2001－2010年，進入技術(shù)生長期，開始持續(xù)快速發(fā)展，專利的申請數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)均迅速增加，投入與產(chǎn)出均大幅提高，參與企業(yè)不斷增加，競爭日益加劇。

2 技術(shù)重點

可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利排名前10位的IPC(國際專利分類)小類分布見圖5。

圖5 可印刷柔性太陽能電池技術(shù)排名前10位的IPC小類專利申請情況Fig.5 Patent applications of IPC subclasses(Top 10)

從圖5可知，該技術(shù)專利主要集中在電學(xué)領(lǐng)域(H部，包括H01L、H01B、H05K、H05B)的半導(dǎo)體器件、導(dǎo)電材料及印刷電路，其次是化學(xué)、冶金領(lǐng)域(C部，包括 C08G、C09K、C08L、C09D)的高分子化合物、涂料組合物及應(yīng)用材料;另外還有作業(yè)、運輸領(lǐng)域(B部，包括B32B、B05D)的制造工藝。半導(dǎo)體器件(H01L)方面排名第1位，且遠高于其他類別，說明是該技術(shù)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利排名前10位的IPC大/小組見圖6。

圖6 可印刷柔性太陽能電池技術(shù)排名前10位的IPC大/小組的專利申請情況Fig.6 Patent applications of IPC subgroups(Top 10)

從圖6可知，H01L-031/18［制造或處理這些器件或其部件所特有的方法或設(shè)備(非特有的方法或設(shè)備入)］、H01L-031/04(用作轉(zhuǎn)換器件的)、H01L-031/042(包括光電池板或陣列，如太陽電池板或陣列)等3方面的專利申請量排名前3位，且數(shù)量遠多于其他的技術(shù)類別，說明該技術(shù)涉及的設(shè)備及器件是研究重點。

3 機構(gòu)情況

圖7反映了基于機構(gòu)活躍度的專利數(shù)量分布情況，圖中每塊扇形代表每一類機構(gòu)申請專利數(shù)量之和。

圖7 基于機構(gòu)活躍度的專利數(shù)量分布圖Fig.7 Patent distribution based on organization activity

從圖7可知，擁有專利量21件以上機構(gòu)的專利總和，占該技術(shù)專利總量的17%;擁有專利量6－20件機構(gòu)的總和，占到該技術(shù)專利總量的25%;擁有專利量為1－5件的小型企業(yè)專利總量占58%。這表明，該技術(shù)的專利技術(shù)比較分散，小型企業(yè)也掌握大量的專利技術(shù)。

可印刷柔性太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶?0位的機構(gòu)列于表1。

從表1可知，日本企業(yè)占據(jù)了最大的份額，在專利量排名前20位的企業(yè)中有11家，另有8家分別為美國、德國和韓國的企業(yè)，中國的彩虹集團公司排名第20位;整體而言，美國、日本在該技術(shù)領(lǐng)域居于領(lǐng)跑位置。榜上有名的研究機構(gòu)幾乎均為大企業(yè)，說明國際知名大企業(yè)是目前可印刷柔性太陽能電池研發(fā)的主力軍。

表1 全球可印刷柔性太陽能電池技術(shù)專利申請量排名前20位的機構(gòu)Table 1 Research productivity of the organizations in the world wide(Top 20)

4 技術(shù)與研究人員趨勢

可印刷柔性太陽能電池的年度發(fā)展趨勢見圖8。

圖8 可印刷柔性太陽能電池的年度發(fā)展趨勢Fig.8 Development trend of printed and flexible solar cells technology by year

從圖8可知，伴隨著2000年左右開始的高速發(fā)展，新技術(shù)快速涌現(xiàn)，新研究人員不斷加入，該技術(shù)的研究很受關(guān)注，表明國際上對可印刷柔性太陽能電池產(chǎn)業(yè)的前景看好。隨著技術(shù)的逐步成熟及商業(yè)化的推進，新專利技術(shù)有可能出現(xiàn)短暫的回落，之后仍會出現(xiàn)穩(wěn)步增長的局面。

5 小結(jié)

本文作者通過專利分析發(fā)現(xiàn)，可印刷柔性太陽能電池技術(shù)正處在技術(shù)生長期，并保持持續(xù)快速發(fā)展。專利的申請數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)均迅速增加，投入與產(chǎn)出均大幅提高，參與企業(yè)不斷增加，競爭日益加劇。新技術(shù)和新增研究人員也整體呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，表明該技術(shù)一段時期內(nèi)的持續(xù)增長和激烈競爭。從國別上看，美國、日本處于領(lǐng)跑地位，中國迅速崛起，居于第3位，韓國、德國緊隨其后，排名前列的國家以東亞國家居多，歐洲國家中，德國的實力最強。從專利數(shù)量的廠商排名來看，日本廠商占據(jù)優(yōu)勢，在專利量排名前20位的企業(yè)中占據(jù)11家;另有8家分別為美國、德國、韓國的企業(yè)，中國的彩虹集團公司排名第20位。從研究機構(gòu)類型看，榜上有名的研究機構(gòu)幾乎均為大企業(yè)，國際知名大企業(yè)是目前該研發(fā)的主力軍。

各國印刷柔性太陽能電池技術(shù)在一系列政策措施的積極推動下，整體呈現(xiàn)良好的增長趨勢，同時各國積極布局，不斷追求新的技術(shù)突破，以搶占競爭高位。

［1］HE Zuo-xiu(何祚庥).大力發(fā)展“第三代”光伏發(fā)電技術(shù)，應(yīng)對“碳減排”的挑戰(zhàn)［J］.Battery Bimonthly(電池)，2009，39(6):324－329.

［2］CUI Zheng(崔錚).印刷電子學(xué)［M］.Beijing(北京):Higher Education Press(高等教育出版社)，2012.

［3］Pagliaro M.柔性太陽能電池［M］.Shanghai(上海):Shanghai Jiao Tong University Press(上海交通大學(xué)出版社)，2010.

［4］WANF Feng-qi(王鳳岐).柔性太陽能電池專利技術(shù)分析［J］.Information Recording Materials(信息記錄材料)，2009，10(6):56－64.

［5］Peter H，Ning X.Organic＆ Printed Electronics in East Asia［R］.IDTechEx，2009.

［6］Peter H，Raghu D.Organic＆ Printed Electronics in North America［R］.IDTechEx，2009.

［7］Peter H，Susann R，Raghu D.Organic ＆ Printed Electronics in Europe［R］.IDTechEx，2009.

［8］CHEN Yan(陳燕)，HUANG Ying-yan(黃迎燕)，F(xiàn)ANG Jian-guo(方建國)，et al.專利信息采集與分析［M］.Beijing(北京):Tsinghua University Press(清華大學(xué)出版社)，2006.300－304.