摘 要：從國內(nèi)外專利申請的發(fā)展方向，對有機(jī)太陽能電池用共軛聚合物的國內(nèi)外申請量、申請人等進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，為今后的太陽能電池材料研發(fā)的產(chǎn)業(yè)化提供了有利的參考。

關(guān)鍵詞：聚合物；太陽能電池；轉(zhuǎn)換效率

1 概述

作為可再生與清潔能源，太陽能的充分利用是解決目前人類所面臨的能源短缺和環(huán)境污染等問題的根本途徑，有機(jī)太陽能電池，采用廉價的光伏活性材料，為太陽能發(fā)電開辟了新的道路。有機(jī)太陽能電池的活性層基本采用固態(tài)的有機(jī)/聚合物半導(dǎo)體材料，具有一些獨(dú)特優(yōu)勢：有機(jī)材料質(zhì)量輕、柔韌性好；有機(jī)材料可以進(jìn)行化學(xué)設(shè)計(jì)、裁剪和合成；電池器件制備工藝簡單等[1]。因此，有機(jī)太陽能電池也逐漸成為未來太陽能電池的發(fā)展趨勢。

相對于無機(jī)太陽能電池，有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依舊較低，且性能不夠穩(wěn)定。為獲得高效耐用的有機(jī)太陽能電池，國內(nèi)外高校以及公司在改進(jìn)光伏材料、優(yōu)化器件制備等方面進(jìn)行了深入的研究。作為有機(jī)太陽能電池的要組成部分，光活性層材料的改進(jìn)，尤其是共軛聚合物光伏材料的改進(jìn)對提高太陽能電池綜合性能和光電轉(zhuǎn)化效率具有非常重要的意義[2]。因此，聚合物型光活性層材料引起廣大科研工作者的極大興趣，新結(jié)構(gòu)、新合成方法層出不窮，優(yōu)秀的材料不斷涌現(xiàn)。文章通過在CNABS和DWPI專利數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，對國內(nèi)外太陽能電池共軛聚合物的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究提供一些參考。

2 專利申請分析

2.1 全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析

2.1.1 專利申請量發(fā)展趨勢分析

截至2016年，太陽能電池用聚合物的全球申請量已達(dá)到2500多件，由圖1可知，隨著聚合物的發(fā)展、其實(shí)際應(yīng)用效果以及全球?qū)μ柲茈姵氐难芯吭絹碓街匾?，專利申請量整體呈上升趨勢，特別是從2009年開始，對幾大類聚合物的結(jié)構(gòu)改性的申請量越來越多。隨著對共軛聚合物的研究越來越多，發(fā)展也逐步趨于穩(wěn)定。有機(jī)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率雖然越來越高，但仍然不能滿足工業(yè)化的要求，對其研究也不會止步。

2.1.2 專利申請國家分布

圖2表明，申請量排名靠前的國家分別為日本、美國、中國、韓國、德國、英國等。通過此數(shù)據(jù)可以看出，日本作為電子大國，在太陽能電池用聚合物這方面的研究占據(jù)著極其重要的角色，處于領(lǐng)先地位。

2.1.3 專利重要申請人分析

太陽能電池用聚合物的全球重要申請人比較集中，有三家公司獨(dú)占鰲頭，分別是住友化學(xué)株式會社、海洋王照明科技股份有限公司、默克專利股份有限公司，為日本、中國、德國。其他多為日本公司，國內(nèi)還有很多高校和研究院校零星申請了許多相關(guān)專利，雖然量不多，但是均屬于發(fā)展前言，并不比國外大公司研究的方向落后。

2.2 中國專利申請態(tài)勢分析

2.2.1 專利申請量發(fā)展趨勢分析

圖3顯示，國內(nèi)的申請量呈穩(wěn)步增長態(tài)勢，由2010年后，申請量大大增加，與全球的申請量發(fā)展趨勢相符。隨著海洋王照明公司的崛起，申請量逐漸增大。后期海洋王照明股份有限公司申請量下降，導(dǎo)致國內(nèi)申請量逐步下降。在國內(nèi)最先申請的是華南理工大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)，申請人剛開始均僅發(fā)表文章，隨著專利意識的增強(qiáng)，逐步開始申請專利。

2.2.2 專利重要申請人分析

圖4表明國內(nèi)申請量排名第一的是海洋王照明，其余均為高校和科研院所申請。一方面，高校以及科研院所對理論知識的研究更為扎實(shí)，對太陽能電池用聚合物從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，對共聚物結(jié)構(gòu)的調(diào)整更加方便，因此，這種更適合小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室；另一方面，對于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)合成的光電轉(zhuǎn)化效率較高的聚合物，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還是有一定距離的。

3 申請人分析

3.1 國內(nèi)重要申請人分析

3.1.1 華南理工大學(xué)

國內(nèi)高校對太陽能電池用共軛聚合物研究最深入的莫過于華南理工大學(xué)，從2002年開始申請專利，約100項(xiàng)，該研究團(tuán)隊(duì)除了研究共軛聚合物，還對太陽能電池器件進(jìn)行大量申請。目前，由于水和/或醇溶性共軛聚合物因其優(yōu)異的本征光電性能和獨(dú)特的溶解性而逐漸引起了關(guān)注，華南理工大學(xué)研究方向主要分兩個方面：第一，在側(cè)鏈上引入強(qiáng)極性基團(tuán)，磷酸酯基（CN201110380227A），氧化胺基（CN201210050653A），季銨鹽（CN201310116723），二乙醇胺基（CN201310413985A，合成間苯共軛聚合物，PCE達(dá)到7.71%），長鏈段烷基；第二，主鏈上進(jìn)行改性，如合成烷基取代-S，S-二氧-二苯并噻吩（CN200910193934A）、萘并烷基三唑與苯并二噻吩連噻吩的共聚，并且在苯并二噻吩基上引入多烷基噻吩，增強(qiáng)溶解性（CN201210388505），氟代苯并噻二唑（CN201210545464），二酮二氮雜芘共軛聚合物（CN201210560495，CN201310217355，CN201310217

355，CN201310217386）。

雖然華南理工大學(xué)的專利申請量不大，但是涉略很廣，并且授權(quán)率很高。

3.1.2 海洋王照明科技股份有限公司

海洋王照明股份有限公司從2009年申請?zhí)柲茈姵赜霉曹椌酆衔镩_始至今，約申請了400項(xiàng)專利。海洋王照明不僅申請了大量中國專利，還申請了很多PCT，該公司也是為數(shù)不多的一家申請?zhí)柲茈姵赜霉曹椌酆衔锏腜CT的一家公司，這些聚合物的能量轉(zhuǎn)換效率保持在4%左右，這個水平并不是目前的領(lǐng)先水平，與國內(nèi)大學(xué)水平相比，還有一定差距。

3.2 國外重要申請人分析

住友化學(xué)株式會社在太陽能電池用聚合物的專利申請占主導(dǎo)地位，該公司申請的大量專利與各類聚合物的發(fā)展趨勢基本相同，均為聚苯乙烯撐類、聚芴類、聚咔唑類和聚噻吩類，首先進(jìn)行側(cè)鏈上基團(tuán)的變化，而后合成一些與一些常見的單體共聚（JP30090392A，JP16155594A， JP8404296A，JP32963498A）；而與其他公司不同的聚合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是，申請了大量的多元稠環(huán)共軛聚合物和嵌段聚合物。

將供體材料與受體材料組成的嵌段共聚物應(yīng)用于太陽能電池的光活躍層，可以提高其結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。對于嵌段共聚物來說，通過改變兩鏈段的相對分子量和體積分?jǐn)?shù)，經(jīng)過自組裝可以得到結(jié)構(gòu)規(guī)整且長度可控的納米結(jié)構(gòu)。利用嵌段共聚物的這些優(yōu)點(diǎn)有助于合成結(jié)構(gòu)適宜且穩(wěn)定的光活躍層，可以提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化率。

稠環(huán)類有機(jī)材料有著較高的共軛程度，比較窄的帶隙，可以增強(qiáng)聚合物鏈間的載流子傳輸能力，因此受到了越來越多的重視，該公司申請的稠環(huán)化合物中含有在芳香環(huán)間含雜原子的六元環(huán)。由于種類很多，并不是全部都具有很高的光電轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)束語

通過分析可知，隨著太陽能電池的發(fā)展，用于太陽能電池的聚合物也越來越廣泛。而有機(jī)太陽能電池較低的光電轉(zhuǎn)化效率是限制其應(yīng)用的主要原因。目前，各個公司對于有機(jī)太陽能電池的改進(jìn)仍處于研究階段。就共聚物的結(jié)構(gòu)方面來說，主要是通過尋找性能更優(yōu)異的共聚物材料和共聚物鏈段的改性等方法實(shí)現(xiàn)。雖然有些高校合成的新型聚合物已達(dá)到較高水平，但距離產(chǎn)業(yè)化還有一定差距，可以加強(qiáng)與公司之間技術(shù)與產(chǎn)業(yè)上的聯(lián)系，進(jìn)行合作，大力發(fā)展聚合物產(chǎn)業(yè)化，以求真正開拓我國的太陽能電池的市場。

參考文獻(xiàn)

[1]李偉，等.太陽能電池材料及其應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社（第一版），2014，1.

[2]Hui Jiang et al. Conjugated Polyelectrolytes： Synthesis， Photophysicsand Applications[J].Angew. Chem. Int. Ed.2009，48：4300-4316.

作者簡介：郭杰（1990-），女，碩士，審查員，研究方向：主鏈含氧、含硫聚合物的專利審查。