國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心 陳學(xué)妍

天津七所高科技有限公司 路向琨

0 引言

背接觸型太陽(yáng)能電池是指電池的發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極均位于電池背面的一種光伏電池。背接觸型光伏電池可分為兩類：（1）背結(jié)電池。p-n結(jié)位于電池背表面，發(fā)射區(qū)電極和基區(qū)電極也相應(yīng)地位于電池背面，如交叉式背接觸型（Interdigitated back contact，簡(jiǎn)稱IBC）[1]。（2）前結(jié)電池。p-n結(jié)位于電池正表面，把正表面收集的載流子傳遞到背面的接觸電極上。金屬電極繞通（Metal wrap though簡(jiǎn)稱MWT）就是一種重要的背接觸太陽(yáng)能電池，屬于背接觸電池中的前結(jié)電池，其優(yōu)勢(shì)在于：去除傳統(tǒng)電池的主柵線實(shí)現(xiàn)了提高受光面積，同時(shí)其工藝能夠和現(xiàn)有傳統(tǒng)電池生產(chǎn)相適應(yīng)，并降低了成本；另外正負(fù)電極都設(shè)計(jì)在背面簡(jiǎn)化了電池片之間的聯(lián)接，而且允許使用新的互聯(lián)技術(shù)降低電池的串聯(lián)電阻[2]。

近幾年，MWT背接觸技術(shù)發(fā)展很快，多晶MWT電池平均效率達(dá)到18.2%-18.5%，單晶MWT電池平均效率也在20%左右。目前該電池已經(jīng)在一些企業(yè)量產(chǎn)，很多國(guó)際國(guó)內(nèi)光伏廠商都對(duì)MWT背接觸技術(shù)給與了重點(diǎn)關(guān)注和濃厚興趣，國(guó)內(nèi)阿特斯、天威新能源和英利等大型光伏企業(yè)都先后和荷蘭能源建設(shè)基金中心合作，引起市場(chǎng)廣泛關(guān)注。

1 MWT太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介

1.1 MWT太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)

參見圖1（左） MWT太陽(yáng)能電池的截面結(jié)構(gòu)，與常規(guī)的太陽(yáng)能電池相比，其最大的特點(diǎn)就是將正面收集電流的主柵線省略，在電池基板上形成貫穿孔，發(fā)射極在光照下產(chǎn)生電流，被電池正面的細(xì)柵線收集，收集的電流通過(guò)孔中的正銀電極引導(dǎo)到背面，從而使正負(fù)極（正銀電極和Al背場(chǎng)）都在電池的背面。電池背面的正負(fù)極為了防止漏電，通過(guò)SiO2阻隔，現(xiàn)有技術(shù)中也可以通過(guò)其他形式進(jìn)行阻隔，例如激光劃線形成凹槽。圖1（右）展示了MWT電池的正面結(jié)構(gòu)，其正面還存在正面細(xì)柵線，只是在傳統(tǒng)電池主刪和副柵的交叉位置處存在貫穿孔，貫穿孔中填充Ag電極用于收集細(xì)柵線的電流引導(dǎo)到背面電極處。上述結(jié)構(gòu)看出，由于主柵線的省略，可以節(jié)省銀漿料的使用，進(jìn)而節(jié)約成本；另外通過(guò)主柵線的去除，增大了受光面積，增加了電池產(chǎn)生電子的有效區(qū)域，進(jìn)而提高了電池的效率，對(duì)于常規(guī)的MWT太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，可以將傳統(tǒng)的8%的柵線遮擋區(qū)域降為5%左右；電池的表面相對(duì)比較美觀，而且正負(fù)電極都在背面，對(duì)于后續(xù)的電池互聯(lián)形成組件也可以簡(jiǎn)化工藝。

圖1 常規(guī)MWT電池截面和正面結(jié)構(gòu)

1.2 MWT太陽(yáng)能電池的制備工藝

MWT太陽(yáng)能電池的制備工藝包括以下步驟：清洗基板-激光開孔-制絨-發(fā)射極擴(kuò)散形成PN結(jié)-磷硅玻璃的去除-減反射膜-孔洞漿料的填充-細(xì)柵線背面鋁背場(chǎng)電極的制備-燒結(jié)-隔離，通過(guò)以上步驟整個(gè)電池形成了正面是細(xì)柵線和正銀電極的結(jié)構(gòu)，背面具有與正銀電極以及鋁背場(chǎng)電極，即背接觸太陽(yáng)能能電池?？梢?，與常規(guī)太陽(yáng)能電池相比MWT太陽(yáng)能電池主要是增加了打孔工藝，后續(xù)為了防止漏電流制備隔離SiO2。

2 MWT太陽(yáng)能電池專利分析

檢索采用關(guān)鍵詞：mwt，metal wrap through，metallisation wrap through，太陽(yáng)能，光伏，solar cell+，photovoltaic+等關(guān)鍵詞，相關(guān)IPC分類號(hào)H01l31, CPC分類號(hào)H01l31/02245，H01l31/022441等在DWPI、SIPOABS和CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，截至2017年8月，DWPI、SIPOABS和CNABS數(shù)據(jù)庫(kù)共收錄MWT太陽(yáng)能電池428件。

2.1 專利申請(qǐng)時(shí)間分布

首先，從申請(qǐng)的時(shí)間分布來(lái)看，從1995年開始申請(qǐng)第一個(gè)MWT太陽(yáng)能電池相關(guān)專利以來(lái)，申請(qǐng)量一直較少，該階段MWT太陽(yáng)能電池正處于萌芽期。2008年以后申請(qǐng)量開始迅速指數(shù)增長(zhǎng)，到2013年達(dá)到最大值，申請(qǐng)量為84件，可見2008-2013是該領(lǐng)域的成長(zhǎng)期。隨后在2015年出現(xiàn)迅速下降，其中一個(gè)重要原因是專利公開具有一定滯后性，未公開的專利檢索不到，所以2015-2016年的數(shù)據(jù)并不能說(shuō)明趨勢(shì)。然而，2014年的申請(qǐng)量與2013年相比略下降，可以看出MWT太陽(yáng)能電池申請(qǐng)現(xiàn)在處于一個(gè)接近衰退期，而且后續(xù)可能出現(xiàn)繼續(xù)衰退，這是由于近年來(lái)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)飽和，而且受到整體政策影響總體上處于一個(gè)衰落期；另外，雖然MWT在產(chǎn)業(yè)上工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但是其正面存在細(xì)柵線還是對(duì)光具有遮擋作用，而克服這一問(wèn)題的其他類型背接觸太陽(yáng)能電池例如：發(fā)射極電極繞通太陽(yáng)能電池（emitter wrap through簡(jiǎn)稱EWT）、交叉式背接觸型太陽(yáng)能電池（Interdigitated back contact簡(jiǎn)稱IBC）已經(jīng)逐漸興起，不免對(duì)該類型電池的申請(qǐng)?jiān)斐闪艘欢ǖ挠绊憽?/p>

圖2 專利申請(qǐng)量隨時(shí)間分布

2.2 專利申請(qǐng)人分布

目前申請(qǐng)人的國(guó)家分布參見圖3，中國(guó)的申請(qǐng)量最多，達(dá)到178件，占比41%，可見中國(guó)的企業(yè)還是比較重視MWT太陽(yáng)能電池這一研究領(lǐng)域，積極進(jìn)行該領(lǐng)域的研究并通過(guò)專利保護(hù)自己的研發(fā)成果。另外美國(guó)在該領(lǐng)域申請(qǐng)74件，位于第二位，韓國(guó)、日本以及德國(guó)申請(qǐng)41/36/36件位于第三階梯，以上這幾個(gè)國(guó)家也是太陽(yáng)能領(lǐng)域發(fā)展較快的國(guó)家。但是在PCT申請(qǐng)方面，美國(guó)的申請(qǐng)量最多，占比31%，上述其他幾個(gè)國(guó)家雖然整體申請(qǐng)量不多，但是PCT的比例較高，反觀中國(guó)的整體申請(qǐng)量較多，但是PCT申請(qǐng)卻只有5件，僅占比3%。

對(duì)于申請(qǐng)總量申請(qǐng)人分布，以中國(guó)的蘇州阿特斯陽(yáng)光電力科技為首，共申請(qǐng)了42件，韓國(guó)的LG電子株式會(huì)社申請(qǐng)了共21件，中國(guó)的英利能源中國(guó)有限公司也申請(qǐng)了19件，此外，中國(guó)的無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司、上饒光電高科技有限公司以及天威新能源控股有限公司也投入了部分研發(fā)。此外，例如國(guó)外的荷蘭能源建設(shè)基金中心（荷蘭）和弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進(jìn)會(huì)（德國(guó)）也布局了相關(guān)專利，并且曾經(jīng)報(bào)道過(guò)17%的效率而受到廣泛關(guān)注，是當(dāng)時(shí)MWT太陽(yáng)能電池較高水平。

發(fā)明人的總申請(qǐng)量和PCT申請(qǐng)量對(duì)比，總申請(qǐng)量第一的中國(guó)的蘇州阿特斯陽(yáng)光電力科技有限公司僅申請(qǐng)了3件PCT，也就是中國(guó)企業(yè)主要針對(duì)國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)，而像LG電子株式會(huì)社、E·I·內(nèi)幕爾杜邦公司、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進(jìn)會(huì)、京瓷株式會(huì)社、HERAEUS公司雖然申請(qǐng)總量不多，但基本都是PCT申請(qǐng)。其中E·I·內(nèi)幕爾杜邦公司、京瓷株式會(huì)社和HERAEUS公司是兩個(gè)主要做漿料的公司，是漿料業(yè)內(nèi)實(shí)力雄厚的公司，其申請(qǐng)保護(hù)的內(nèi)容也主要是針對(duì)MWT太陽(yáng)能電池的貫孔漿料；而LG電子株式會(huì)社、荷蘭能源建設(shè)基金中心以及弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進(jìn)會(huì)主要保護(hù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和方法。通過(guò)分析PCT的申請(qǐng)人情況以及總的申請(qǐng)人情況可以看出，LG電子株式會(huì)社、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進(jìn)會(huì)這幾個(gè)國(guó)外公司都是MWT太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)領(lǐng)域較強(qiáng)的公司，分別從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行改進(jìn)；而中國(guó)的蘇州阿特斯陽(yáng)光電力科技有限公司雖然總申請(qǐng)量第一，但是PCT申請(qǐng)僅有3件，可見研發(fā)有待加強(qiáng)，一方面研發(fā)實(shí)力與上述幾個(gè)國(guó)外公司差距較大，另一方面，對(duì)于專利的世界布局意識(shí)中國(guó)的企業(yè)還有待于加強(qiáng)。雖然中國(guó)進(jìn)入太陽(yáng)能電池領(lǐng)域起步較晚，但是作為太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的重要市場(chǎng)和生產(chǎn)國(guó)家，應(yīng)該投入更高的資源研發(fā)新型太陽(yáng)能電池，以打破國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)的壟斷。

圖3 申請(qǐng)人情況分布

2.3 申請(qǐng)市場(chǎng)分布

圖4顯示了所有專利和PCT專利公開的國(guó)家分布，可見中國(guó)、美國(guó)的重要保護(hù)領(lǐng)域，無(wú)論是PCT還是所有專利在這兩個(gè)國(guó)家都公開最多，另外歐洲、日本、韓國(guó)、臺(tái)灣市場(chǎng)也普遍受到關(guān)注，以上國(guó)家都是是太陽(yáng)能的主要生產(chǎn)、應(yīng)用市場(chǎng)，因此各個(gè)國(guó)家積極在這些地區(qū)進(jìn)行專利布局。

圖4 公開國(guó)家分布

3 結(jié)論

2008開始，MWT太陽(yáng)能電池開始進(jìn)行快速發(fā)展時(shí)期，期間專利申請(qǐng)量指數(shù)增長(zhǎng)，以中國(guó)為代表的太陽(yáng)能主要生產(chǎn)和研發(fā)大國(guó)進(jìn)行了相關(guān)研發(fā)資源的投入；雖然中國(guó)的總申請(qǐng)量最多，但是研究基礎(chǔ)較差，因此研發(fā)實(shí)力相對(duì)比較薄弱，國(guó)際專利布局較差，這與中國(guó)企業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上的地位形成了較大反差；美國(guó)的研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，技術(shù)上具有優(yōu)勢(shì)，專利布局國(guó)際化，尤其是在海外市場(chǎng)布局精密；其中綜合考慮國(guó)內(nèi)申請(qǐng)以及專利布局情況，LG電子株式會(huì)社、E·I·內(nèi)幕爾杜邦公司、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進(jìn)會(huì)、京瓷株式會(huì)社、HERAEUS公司這幾個(gè)國(guó)外公司都是本領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)的公司，尤其是LG電子株式會(huì)社、荷蘭能源建設(shè)基金中心、弗朗霍夫應(yīng)用科學(xué)研究促進(jìn)會(huì)主要致力于MWT電池結(jié)構(gòu)和組件、制備的研究。

MWT電池也存在一些技術(shù)的工藝瓶頸，例如電池基板的開孔工藝通常采用激光，激光的能量比較高容易形成缺陷，并且這些缺陷后續(xù)退火中也不能完全消除，因此如何將開孔的工藝優(yōu)化也是發(fā)展該技術(shù)的一項(xiàng)重要任務(wù)；另外，在組件組裝上，MWT電池的相關(guān)配套結(jié)構(gòu)還不夠成熟，例如專門的帶有互聯(lián)結(jié)構(gòu)的背板、封裝的設(shè)備、測(cè)試的設(shè)備等方面配套都需要進(jìn)一步優(yōu)化，雖然目前MWT太陽(yáng)能電池已經(jīng)有部分公司生產(chǎn)，但是與傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池相比，MWT電池的大規(guī)模低成本高效率的量產(chǎn)之路還有一定距離，需要各國(guó)研究者不斷的探索。

[1]任丙彥,等.背接觸硅太陽(yáng)電池研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,22(9)：101-105.

[2]林陽(yáng),等.MWT和EWT背接觸太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)及其技術(shù)發(fā)展[J].器件與技術(shù),2012,49(1)：12-21.