李乾瑞，郭俊芳，朱東華

(1. 北京理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院，北京 100081； 2.北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

一、引言

當(dāng)前，技術(shù)創(chuàng)新已經(jīng)成為我國(guó)提升核心競(jìng)爭(zhēng)力、建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的根本選擇。企業(yè)作為技術(shù)創(chuàng)新的主體，如何在新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)研發(fā)與應(yīng)用中占得先機(jī)，實(shí)現(xiàn)彎道超車，對(duì)于企業(yè)乃至國(guó)家推動(dòng)創(chuàng)新發(fā)展，贏得發(fā)展主動(dòng)權(quán)具有重要的戰(zhàn)略意義，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。為此，本文嘗試深入文本層面對(duì)新興技術(shù)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，分析新興技術(shù)演化路徑并識(shí)別未來(lái)可能的技術(shù)機(jī)會(huì)，這對(duì)于企業(yè)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)決策具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

SAO (subject-action-object, 簡(jiǎn)稱SAO) 語(yǔ)義分析方法作為一種新興的研究方法。2004年，由Verbilsky將其引入到TRIZ理論中，并結(jié)合文獻(xiàn)計(jì)量方法提出了“語(yǔ)義TRIZ”模型[1]。該方法作為語(yǔ)義TRIZ的核心技術(shù)，在國(guó)內(nèi)相關(guān)研究較少。其主要強(qiáng)調(diào)“關(guān)鍵概念”，在提取文本信息中“主語(yǔ)-謂語(yǔ)-賓語(yǔ)”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析獨(dú)立詞組Subject(S)和Object(O)及其附近動(dòng)作Action(A)的語(yǔ)義，來(lái)識(shí)別獨(dú)立詞組之間的關(guān)系。其中，如果主語(yǔ)S和賓語(yǔ)O代表系統(tǒng)的組件，A可以用來(lái)描述這些組件如何實(shí)現(xiàn)功能[2-3]。同時(shí)，如果謂語(yǔ)A和賓語(yǔ)O組合起來(lái)形成作用概念，代表需要解決的問(wèn)題，那么主語(yǔ)S往往代表解決該問(wèn)題的技術(shù)方案[4]，這樣SAO結(jié)構(gòu)就能形成一個(gè)問(wèn)題-解決方案模式，進(jìn)而反映文檔中特定的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。

相比于傳統(tǒng)的基于關(guān)鍵詞的分析方法，SAO分析方法保留了關(guān)鍵詞之間的語(yǔ)義關(guān)系，能更深入地剖析獨(dú)立詞組間的內(nèi)在聯(lián)系，在一定程度上確實(shí)能夠挖掘出文獻(xiàn)計(jì)量、引文分析等常用文獻(xiàn)分析方法所忽視的信息，為學(xué)者提供技術(shù)研究、關(guān)系識(shí)別、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和相似度測(cè)量方面更詳盡和準(zhǔn)確的信息。因此，SAO方法可以很好地用于識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題的解決方案。當(dāng)前，該方法主要應(yīng)用于技術(shù)機(jī)會(huì)識(shí)別和專利相似度分析[5]。技術(shù)機(jī)會(huì)識(shí)別方面，Janghyeok等提出了從專利信息中自動(dòng)識(shí)別TRIZ趨勢(shì)的方法[6]；Sungchul等利用專利的SAO結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行技術(shù)規(guī)劃[7]；JoséM等將技術(shù)挖掘方法和語(yǔ)義TRIZ方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)趨勢(shì)的快速甄別[8]；郭俊芳等將SAO結(jié)構(gòu)分析引入到技術(shù)路線圖的構(gòu)建中來(lái)識(shí)別技術(shù)機(jī)會(huì)[9]。專利相似度分析方面，Sternitzke等運(yùn)用SAO結(jié)構(gòu)測(cè)量專利文檔的相似度，并將該方法與文獻(xiàn)計(jì)量方法、共引用分析、共詞分析和自引用關(guān)聯(lián)四種方法進(jìn)行了對(duì)比[10]；Janghyeok等通過(guò)計(jì)算專利的SAO結(jié)構(gòu)相似性來(lái)探討專利的相似性，進(jìn)而通過(guò)專利語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[11]；Gerken等提出了基于SAO分析的高創(chuàng)新度發(fā)明識(shí)別方法[12]；Janghyeok等利用專利SAO結(jié)構(gòu)構(gòu)建動(dòng)態(tài)專利地圖來(lái)識(shí)別技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)[13]；Park等利用SAO結(jié)構(gòu)計(jì)算語(yǔ)義相似性，并結(jié)合語(yǔ)義TRIZ的“Reason For Jump”原理識(shí)別了可進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)移的潛力專利[14]。

為此，本文提出運(yùn)用SAO語(yǔ)義分析模型來(lái)開(kāi)展解決新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)重大研究問(wèn)題的技術(shù)方案識(shí)別研究，并以染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)技術(shù)為實(shí)證案例，證實(shí)了該方法的可行性和有效性。

二、基于SAO方法的技術(shù)機(jī)會(huì)分析模型

為有效識(shí)別未來(lái)有潛力的技術(shù)創(chuàng)新方案，發(fā)現(xiàn)技術(shù)機(jī)會(huì)，本文從領(lǐng)域關(guān)鍵問(wèn)題出發(fā)，深入文本信息內(nèi)部，引入SAO結(jié)構(gòu)中的“問(wèn)題-動(dòng)作-解決方案”模式，提出了基于SAO語(yǔ)義挖掘的關(guān)鍵問(wèn)題-解決方案演化路徑識(shí)別模型。該模型層層深入，首先，在識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題的基礎(chǔ)上，通過(guò)主謂賓關(guān)系，識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題解決方案。其次，為進(jìn)一步辨析未來(lái)有潛力的技術(shù)創(chuàng)新方案，將技術(shù)路線圖思想引入，通過(guò)展現(xiàn)技術(shù)方案的演化脈絡(luò)及關(guān)聯(lián)的方式，識(shí)別技術(shù)機(jī)會(huì)。該模型包括識(shí)別熱點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題、挖掘面向問(wèn)題的技術(shù)解決方案、追蹤技術(shù)解決方案演化路徑、識(shí)別創(chuàng)新解決方案和技術(shù)機(jī)會(huì)四個(gè)步驟，具體流程如圖1所示。

(一)識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題

本部分采用文獻(xiàn)計(jì)量法進(jìn)行技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵詞識(shí)別和統(tǒng)計(jì)，通過(guò)詞性標(biāo)記識(shí)別出可能的領(lǐng)域熱點(diǎn)問(wèn)題或主要研究目標(biāo)(后文稱“關(guān)鍵問(wèn)題”)，再結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研和專家智慧對(duì)現(xiàn)有關(guān)鍵問(wèn)題集進(jìn)行修正，該過(guò)程將文本挖掘結(jié)果和專家智慧相結(jié)合，二者互補(bǔ)。文本挖掘分析結(jié)果一方面可以降低對(duì)領(lǐng)域?qū)＜业乃刭|(zhì)要求和依賴性；另一方面，還可以彌補(bǔ)專家未考慮到，而潛在在數(shù)據(jù)背后的關(guān)鍵研究問(wèn)題。本研究中識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題的過(guò)程如圖2所示，其中關(guān)鍵詞識(shí)別和熱點(diǎn)問(wèn)題分析采用VantagePoint 軟件實(shí)現(xiàn)，具體過(guò)程如下。

圖1 基于SAO語(yǔ)義分析方法的技術(shù)機(jī)會(huì)分析方法框架

1.制定檢索策略并獲取數(shù)據(jù)，構(gòu)建領(lǐng)域數(shù)據(jù)集。確定研究主題，選擇合適的期刊數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)源，制定檢索策略并下載，旨在獲取所有與研究主題相關(guān)的期刊數(shù)據(jù)集，構(gòu)建專題數(shù)據(jù)庫(kù)(TD)。

2.分析數(shù)據(jù)并確定領(lǐng)域熱點(diǎn)研究問(wèn)題?？紤]到標(biāo)題和摘要是文章的兩個(gè)核心部分，包含了文章的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)。因此，本文選擇領(lǐng)域數(shù)據(jù)的標(biāo)題和摘要進(jìn)行文本信息提取。首先，借助Search Technology公司的VantagePoint軟件進(jìn)行自然語(yǔ)言處理，提取領(lǐng)域高頻詞，并通過(guò)數(shù)據(jù)清洗得到領(lǐng)域研究熱點(diǎn)詞匯集。其次，依據(jù)熱點(diǎn)詞匯的詞性和語(yǔ)義，人工識(shí)別表征技術(shù)問(wèn)題或目標(biāo)的關(guān)鍵詞，在結(jié)合專家知識(shí)的基礎(chǔ)上確定領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題(P1,P2,P3,……)，并分別以關(guān)鍵詞集(PK11, PK12; PK21, PK22, PK23; ……)來(lái)體現(xiàn)。

3.基于關(guān)鍵詞集構(gòu)建各熱點(diǎn)研究問(wèn)題的子數(shù)據(jù)集(PD1，PD2，PD3, ……)。本步驟的主要目的是為每個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題篩選出對(duì)應(yīng)的文獻(xiàn)集。具體做法是將關(guān)鍵問(wèn)題的各種表達(dá)形式作為檢索策略，篩選數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建各研究問(wèn)題的子數(shù)據(jù)集。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集的分類，一方面，可以有效地減少不相關(guān)數(shù)據(jù)，降低SAO結(jié)構(gòu)提取的數(shù)據(jù)量，提高分析效率；另一方面，可以通過(guò)關(guān)鍵詞識(shí)別的方式，將與熱點(diǎn)研究問(wèn)題無(wú)關(guān)的記錄去掉，提高技術(shù)方案獲取的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)可行性。

(二)挖掘面向問(wèn)題的技術(shù)解決方案

本部分的目的是通過(guò)SAO語(yǔ)義挖掘方法識(shí)別問(wèn)題-技術(shù)方案對(duì)，進(jìn)而為技術(shù)方案演化路徑提供數(shù)據(jù)支持。面向問(wèn)題的技術(shù)方案可以是新材料、新技術(shù)或新技術(shù)組合等。技術(shù)方案識(shí)別主要包括兩個(gè)步驟。

1.提取SAO結(jié)構(gòu)。在識(shí)別出領(lǐng)域關(guān)鍵問(wèn)題集的基礎(chǔ)上，借用Stanford Parser軟件從文獻(xiàn)集中提取SAO結(jié)構(gòu)，其中，S和O提取效果的好壞直接影響后續(xù)的分析。SAO結(jié)構(gòu)的提取可以借助Stanford Parser軟件和Goldfire軟件，經(jīng)使用證實(shí)：Stanford Parser軟件部分功能是免費(fèi)開(kāi)放的，可以輔助識(shí)別句法結(jié)構(gòu)，但開(kāi)放軟件不能直接實(shí)現(xiàn)SAO結(jié)構(gòu)提?。籊oldfire軟件可以提取SAO結(jié)構(gòu)并開(kāi)展進(jìn)一步的分析，但缺點(diǎn)是提取的SAO結(jié)構(gòu)不能導(dǎo)出，并且SAO結(jié)構(gòu)提取準(zhǔn)確性有待考證。因此，本文采用團(tuán)隊(duì)自行研發(fā)的SAO結(jié)構(gòu)提取軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)了詞組的提取。在提取SAO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的thesaurus進(jìn)行同義詞和同義SAO結(jié)構(gòu)合并(Zhang和Guo, 2013)，最后對(duì)SAO結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工核實(shí)。

2.識(shí)別技術(shù)方案并進(jìn)行分類。在問(wèn)題-解決方案模型中，問(wèn)題確定后，AO就是固定的，因此重點(diǎn)是識(shí)別對(duì)應(yīng)的S來(lái)確定關(guān)鍵問(wèn)題對(duì)應(yīng)的核心技術(shù)點(diǎn)。具體基于SAO結(jié)構(gòu)識(shí)別核心技術(shù)點(diǎn)的過(guò)程如圖3所示。在識(shí)別技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本文建立技術(shù)方案對(duì)應(yīng)文獻(xiàn)集，嘗試基于文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)確定文獻(xiàn)聚類，進(jìn)而得到技術(shù)方案類別。在結(jié)合方案聚類結(jié)果和技術(shù)背景知識(shí)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)方案的分類。

圖2 識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題的方法流程

圖3 基于SAO語(yǔ)義分析的技術(shù)方案識(shí)別

(三)追蹤技術(shù)方案演化路徑

在識(shí)別出問(wèn)題-解決方案對(duì)的基礎(chǔ)上，本部分進(jìn)一步識(shí)別技術(shù)方案間的演化關(guān)系，并利用技術(shù)路線圖方法將技術(shù)演化路徑可視化。

1.確定技術(shù)演化路線圖的形式并定義節(jié)點(diǎn)。新技術(shù)、新材料或新方法都可以稱為面向問(wèn)題的解決方案。考慮到不同的技術(shù)方案是作用于不同的產(chǎn)品部件，為更好地展示技術(shù)方案類別及關(guān)系，本文的技術(shù)演化路線圖的形式為：橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)是技術(shù)方案的類別，每個(gè)節(jié)點(diǎn)是各技術(shù)方案。由于此處技術(shù)方案是通過(guò)SAO三元組進(jìn)行識(shí)別的，所以技術(shù)方案往往是能代表完整語(yǔ)義的詞組或短語(yǔ)組合。具體該技術(shù)路線圖的形式如圖4所示。

2.確定各節(jié)點(diǎn)的位置，分析節(jié)點(diǎn)間的演化關(guān)系，最終完成技術(shù)方案演化路線圖的繪制。技術(shù)路線圖繪制的主要內(nèi)容包括；節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容及位置、節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系確定。技術(shù)路線圖的節(jié)點(diǎn)是面向特定問(wèn)題的各技術(shù)解決方案，節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)是由該技術(shù)方案所在文獻(xiàn)發(fā)表的時(shí)間確定，縱坐標(biāo)是由該技術(shù)方案所屬技術(shù)類別來(lái)確定。節(jié)點(diǎn)間的演化關(guān)系是依據(jù)文獻(xiàn)摘要中提取的SAO結(jié)構(gòu)語(yǔ)義來(lái)判斷。如果文中提到技術(shù)方案2是在前人技術(shù)方案1的基礎(chǔ)上(依據(jù)參考文獻(xiàn))提出來(lái)的，則技術(shù)方案2和1之間有有向連線；如果技術(shù)方案2是在多個(gè)技術(shù)方案基礎(chǔ)上提出來(lái)的，則選擇離其最近的同技術(shù)類別的技術(shù)方案進(jìn)行連線；如果文中并未提到其他技術(shù)方案，則該技術(shù)方案與其他技術(shù)方案沒(méi)有連線(如圖4所示，紅色圈中的節(jié)點(diǎn)即為此類技術(shù)方案)。最后，我們借助專家知識(shí)，進(jìn)一步對(duì)技術(shù)方案間的演化關(guān)系進(jìn)行修正與補(bǔ)充。

(四)識(shí)別創(chuàng)新解決方案和技術(shù)機(jī)會(huì)

面向問(wèn)題的技術(shù)方案演化路線圖直觀地展示了技術(shù)方案的演化路徑及功能類別，對(duì)技術(shù)研發(fā)人員和企業(yè)決策者宏觀把握問(wèn)題-解決方案發(fā)展脈絡(luò)具有重要意義。面向問(wèn)題的技術(shù)方案演化路線圖主要回答以下幾類問(wèn)題。

1.特定技術(shù)領(lǐng)域核心的研究問(wèn)題/技術(shù)目標(biāo)有哪些？

2.解決特定問(wèn)題的技術(shù)方案有哪些？各技術(shù)方案是作用于何部件？技術(shù)方案間是如何演化的？

3.技術(shù)方案是什么時(shí)間由哪些國(guó)家的學(xué)者提出的？不同國(guó)家研究重點(diǎn)及趨勢(shì)如何？等問(wèn)題。

三、實(shí)證研究——以染料敏化太陽(yáng)能電池技術(shù)為例

染料敏化太陽(yáng)能電池技術(shù)作為第三代太陽(yáng)能電池，由于其原材料豐富、低制造成本和制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)有潛力的新興技術(shù)。因此，本文選擇DSSCs技術(shù)開(kāi)展實(shí)證研究，分析結(jié)果對(duì)新能源領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)政策制定具有重要意義。

(一)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與關(guān)鍵問(wèn)題識(shí)別

1.本文以Alan Porter教授等學(xué)者所構(gòu)建的DSSCs技術(shù)領(lǐng)域的檢索策略為依據(jù)[15]，基于研究技術(shù)發(fā)展路徑的實(shí)際需要，選擇基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)庫(kù)SCI-Expanded作為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)檢索年份跨度為1981-2014年，文獻(xiàn)類型為Article，共得到期刊文獻(xiàn)有效數(shù)據(jù)7884條。

2.運(yùn)用Search Technology公司的Vantage Point軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞提取，發(fā)現(xiàn)排名前四的問(wèn)題類關(guān)鍵詞及其詞頻為：Conversion efficiency (551)；LOW-COST (315)；PHOTOVOLTAIC PERFORMANCE (143)；STABILITY (111)。本實(shí)證部分選擇conversion efficiency作為領(lǐng)域關(guān)鍵問(wèn)題，分析與挖掘提升DSSCs電池轉(zhuǎn)化效率的各技術(shù)方案。

(二)提取SAO 結(jié)構(gòu)并識(shí)別問(wèn)題-解決方案

1.利用Stanford parser 軟件對(duì)7884篇文章進(jìn)行SAO 結(jié)構(gòu)提取，通過(guò)固定SAO結(jié)構(gòu)中AO(提高轉(zhuǎn)化效率)的方式，篩選得到303條SAO結(jié)構(gòu)，經(jīng)人工修正后最終得到有效SAO結(jié)構(gòu)227條，具體SAO結(jié)構(gòu)篩選過(guò)程見(jiàn)表1。其中，SAO結(jié)構(gòu)中的O為conversion efficiency，A為編號(hào)5中的動(dòng)詞，該動(dòng)詞列表是在Stanford Parser軟件詞性標(biāo)記的基礎(chǔ)上，提取并統(tǒng)計(jì)詞性為VB/VBN/VBZ/ VBD/VBG，且能表達(dá)轉(zhuǎn)化效率提升含義的動(dòng)詞。

圖4 面向問(wèn)題的技術(shù)方案演化路線圖的形式

編號(hào)SAO結(jié)構(gòu)篩選過(guò)程數(shù)量1下載到的期刊文獻(xiàn)78842包含conversion efficiency的文獻(xiàn)30563提取SAO結(jié)構(gòu),篩選包含conversion efficiency的SAO結(jié)構(gòu)37204篩選代表電池整體轉(zhuǎn)化效率的SAO結(jié)構(gòu)(包含overall conversion efficiency、cell conversion efficiency、photoelec-tric conversion efficiency)4055篩選問(wèn)題為“提升轉(zhuǎn)化效率的SAO結(jié)構(gòu)(action(A)為Improve、enhance、increase、achieve、yield、found、reveal、a-chieve、attain、provide、obtain、exhibit、result in)3036修正(人工合并相近SAO結(jié)構(gòu))227

2.在步驟1得到的227條SAO結(jié)構(gòu)(如表2 所示)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析與“AO”結(jié)構(gòu)串連接的“S”，可以得到提升電池轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵技術(shù)(或技術(shù)解決方案)。

3.通過(guò)對(duì)227條SAO結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得到提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)：DSSCs包含半導(dǎo)體光陽(yáng)極、染料敏化劑、電解質(zhì)溶液、對(duì)電極四個(gè)部件，故依據(jù)非正式專家意見(jiàn)和聚類分析結(jié)果，我們最終將關(guān)鍵技術(shù)方案按所屬部件進(jìn)行分類。鑒于關(guān)于半導(dǎo)體光陽(yáng)極的研究較多，我們結(jié)合調(diào)研結(jié)果和專家知識(shí)，進(jìn)一步將半導(dǎo)體光陽(yáng)極單獨(dú)進(jìn)行分析，并從對(duì)光陽(yáng)極的改進(jìn)方式入手，將提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案劃分為表面處理、復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜技術(shù)、改變微觀結(jié)構(gòu)、TiO2制備方法和新材料研發(fā)六大類，具體見(jiàn)表3所示。此處，技術(shù)方案分類有助于決策者直觀地看出各技術(shù)方案所屬部件及采用的改進(jìn)方式，更好地理清各技術(shù)方案間的關(guān)系和脈絡(luò)，支持決策。

(三)識(shí)別提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案演化路徑

為進(jìn)一步分析提高DSSCs光電轉(zhuǎn)化效率的各技術(shù)解決方案，了解解決方案隨時(shí)間的演化過(guò)程及關(guān)系等，作者引入技術(shù)路線圖的概念，按照上表3的技術(shù)方案分類及對(duì)應(yīng)的SAO結(jié)構(gòu)，構(gòu)建關(guān)鍵問(wèn)題-核心解決方案的技術(shù)路線圖，進(jìn)而更加直觀、深入的分析和識(shí)別新興技術(shù)的發(fā)展路徑。本部分僅選取部件光陽(yáng)極為例，展示核心部件的技術(shù)方案演化路徑，如圖5所示。其中，各節(jié)點(diǎn)的形狀代表國(guó)家，不同的節(jié)點(diǎn)形狀表示該技術(shù)方案是由不同國(guó)家的學(xué)者提出來(lái)的。

表2 提升DSSCs整體轉(zhuǎn)化效率問(wèn)題的SAO結(jié)構(gòu)示例(8/227)

表3 關(guān)鍵技術(shù)方案分類表

光陽(yáng)極材料作為影響DSSCs電池轉(zhuǎn)化效率的重要組成，相關(guān)學(xué)者圍繞光陽(yáng)極開(kāi)展的研究較多。我們分別對(duì)表面處理、復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜技術(shù)、改變微觀結(jié)構(gòu)、新材料研發(fā)五類技術(shù)進(jìn)行單獨(dú)分析(圖5)，可以發(fā)現(xiàn)如下五條路徑。

1.表面處理方式：表面處理是提升電池光電轉(zhuǎn)化效率的有效方式。因此，許多研究學(xué)者開(kāi)展表面處理相關(guān)的研究來(lái)進(jìn)行光陽(yáng)極薄膜性能的改進(jìn)。具體包括：treating TiO2with pyridine derivatives, “TiCl4,”“metal hydroxide,”和“3-aminopro pyltrime thoxy silane (APTS)等。當(dāng)然，一些新的混合物，如“TiCl4”“Nb2O5”“MgO”“HCL”“g-C3N4”等，也可用來(lái)對(duì)TiO2薄膜進(jìn)行表面處理來(lái)提升TiO2薄膜的性能。

2.TiO2復(fù)合結(jié)構(gòu)：包覆結(jié)構(gòu)在提高光陽(yáng)極材料性能方面顯現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，包括：CaCO3、SiO2包覆TiO2結(jié)構(gòu)等。具體的研究演化路徑如下：bilayer nonporous(2001)TiO2nanorod (2004)rough TiO2spheres(2007)Surface-passivated TiO2nanotube arrays(2008)LbL technique(2009)TiO2-B NBs(2010)BTs and PCTs nanotube arrays(2010)TiO2-NSs/graphene(2011)。

3.改變TiO2微觀結(jié)構(gòu)來(lái)提升電池光電轉(zhuǎn)化效率：與復(fù)合結(jié)構(gòu)相類似，改變TiO2微觀結(jié)構(gòu)也可以影響電池整體效率。TiO2的微觀結(jié)構(gòu)包括TiO2顆粒大小、厚度、性質(zhì)和孔隙度等。為提高電子傳輸壽命，減少載流子復(fù)合，納米管陣列、納米線陣列等一維傳輸結(jié)構(gòu)漸漸受到各國(guó)學(xué)者矚目。

4.在TiO2薄膜中摻雜其他物質(zhì)進(jìn)行光陽(yáng)極薄膜性能改良：運(yùn)用摻雜技術(shù)改進(jìn)TiO2薄膜來(lái)提升電池轉(zhuǎn)化效率的研究較多。385篇文獻(xiàn)中都提到了TiO2摻雜技術(shù)，其中166篇文獻(xiàn)提到了提升電池轉(zhuǎn)化效率。總體來(lái)說(shuō)，用于摻雜的材料包括離子、原子和半導(dǎo)體化合物，如：Ag-TiO2、ZnO coated TiO2nanoparticles、Nd-doped TiO2、La-doped TiO2、N-doped TiO2、BaCO3-modified TiO2、N-F-doped TiO2electrode、Mg-doped ZnO、 Zn,N-TiO2、Second metal oxide (MgO, ZnO, Al2O3, or NiO) doping technology等。

基于路徑④，我們可以發(fā)現(xiàn)一些新的解決方案往往是多種方法的綜合。例如：Zn-N-doped TiO2electrodes (2011) 是在 N-doped TiO2(2009)的基礎(chǔ)上再摻雜Zn；ZnO nanorod arrays with Al3+(2013) 是Al3+-doped TiO2和改變TiO2微觀結(jié)構(gòu)兩種方式的結(jié)合。此種將多種技術(shù)改進(jìn)方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)也是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

5.除了TiO2光陽(yáng)極以外，ZnO、Al2O3、Nb2O5、SnO2、NiO等其他寬帶隙半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料也引起學(xué)者重視，成為未來(lái)替代TiO2的選擇。為進(jìn)一步提升電池轉(zhuǎn)化效率性能，學(xué)者在新材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)改變材料結(jié)構(gòu)和使用摻雜技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)性能的提升，這些技術(shù)方案包括：ZnO coated with Ga, sheet-sphere ZnO, ring-and flower-structured ZnO, hierarchical ZnO nanorod, and hierarchical ZnO nanourchin等。其他技術(shù)方案包括用SnO2film treated with water vapor, using tri-layer film structure, Al2O3/NiO, aluminum oxide, graphene composite material, hierarchical SnO2and composite material做光陽(yáng)極等。

(四)基于技術(shù)方案演化路線圖的技術(shù)機(jī)會(huì)分析

1.提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)方案分析

半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料是各國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)，其中運(yùn)用摻雜技術(shù)改進(jìn)TiO2薄膜改進(jìn)的研究較多。包括：ZnO coated nanoparticles、Nd-dopedTiO2、La-doped TiO2、N-doped TiO2、Zn,N-TiO2、second metal oxide (MgO, ZnO, Al2O3, or NiO)等。除摻雜技術(shù)外，為提高電子傳輸壽命，減少載流子復(fù)合，納米管陣列、納米線陣列等一維傳輸結(jié)構(gòu)也漸漸受到各國(guó)學(xué)者矚目。同時(shí)，包覆結(jié)構(gòu)也顯現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢(shì)，如CaCO3、SiO2包覆 TiO2結(jié)構(gòu)等。除了TiO2光陽(yáng)極以外，ZnO、Nb2O5、SnO2等其他寬帶隙半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料也引起學(xué)者重視，成為未來(lái)替代TiO2的選擇。

2.不同國(guó)家研究重點(diǎn)及趨勢(shì)分析

各國(guó)研究者就電池轉(zhuǎn)化效率問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料的選擇和處理是影響電池轉(zhuǎn)化效率的重要因素，主要國(guó)家集中在中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、日本、臺(tái)灣地區(qū)等。其中，2005年前，太陽(yáng)能電池的研究還較少，處于起步階段；瑞士、美國(guó)、日本和以色列等國(guó)專家從不同的角度，提出了提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)解決方案，主要包括：通過(guò)改變TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)和管長(zhǎng)壁厚等、摻雜Sn/Zn氧化物等、TiCl4表面處理等來(lái)提升光陽(yáng)極的電子收集和傳遞能力，進(jìn)而提升電池轉(zhuǎn)化效率，具體方案包括：10-25 nm in thickness、ZnO coated TiO2nanoparticles、SnO2/TiO2composite cell、TiCl4treatment等。從2006年開(kāi)始，圍繞太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率的研究逐漸增多，對(duì)半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料的選擇與處理也多樣化，主要以中國(guó)和韓國(guó)的學(xué)者為主，其次是日本、臺(tái)灣地區(qū)、美國(guó)等。中國(guó)也正是從2006年開(kāi)始對(duì)DSSCs的研究逐漸增多，成為DSSCs研究的主力，中國(guó)學(xué)者發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量占DSSCs領(lǐng)域總文獻(xiàn)數(shù)量的近26%，在提高電池轉(zhuǎn)化效率研究方面占總量的近一半。

以上分析結(jié)論，作者通過(guò)對(duì)DSSCs領(lǐng)域的文獻(xiàn)綜述閱讀和2015-2018年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)兩種方式進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)證結(jié)果中對(duì)技術(shù)方案及其演化路徑的宏觀分析與判斷基本符合領(lǐng)域?qū)嶋H，故驗(yàn)證了本文分析方法的可行性和有效性。

圖5 光陽(yáng)極提升電池轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)演化路徑圖

四、結(jié)論

本文以語(yǔ)義TRIZ 理論為指導(dǎo)，在提取文獻(xiàn)標(biāo)題及摘要中的SAO結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，識(shí)別解決新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)重大研究問(wèn)題的技術(shù)方案。同時(shí)，借助非正式專家意見(jiàn)對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行功能屬性劃分，并結(jié)合技術(shù)出現(xiàn)時(shí)間，構(gòu)建了縱坐標(biāo)為不同部件技術(shù)解決方案的技術(shù)演化路徑圖，進(jìn)而來(lái)識(shí)別解決領(lǐng)域關(guān)鍵問(wèn)題的各技術(shù)方案及其關(guān)聯(lián)關(guān)系和演化路徑。最后，作者將該方法應(yīng)用于DSSCs進(jìn)行了實(shí)證探索，證實(shí)了該方法的可行性和有效性。

該方法主要具備兩大優(yōu)勢(shì)，在方法層面，將SAO結(jié)構(gòu)分析創(chuàng)新性地引入到技術(shù)演化路徑識(shí)別當(dāng)中，依靠SAO結(jié)構(gòu)在主-謂-賓關(guān)聯(lián)度揭示方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了問(wèn)題和解決方案的對(duì)應(yīng)識(shí)別，彌補(bǔ)了基于關(guān)鍵詞等常用文獻(xiàn)分析方法的不足，可為解決發(fā)明問(wèn)題和深層了解技術(shù)解決方案演化情況等提供有效的數(shù)據(jù)支持。此外，本文雖僅選取一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槔_(kāi)展實(shí)證研究，但本文提出的方法模型在不同的技術(shù)領(lǐng)域同樣適用。在實(shí)際應(yīng)用層面，該方法不僅能為決策者提供某一問(wèn)題的具體解決方案及演化路徑，也能提供各解決方案之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和各主要國(guó)家的技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)及研究趨勢(shì)，這對(duì)未來(lái)推進(jìn)新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)突破、指導(dǎo)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新及研發(fā)決策等具有重要意義。

然而，本文方法也存在一定的局限性。一方面，該研究?jī)H針對(duì)特定關(guān)鍵問(wèn)題來(lái)進(jìn)行挖掘，無(wú)法反映技術(shù)發(fā)展的全貌同時(shí)，SAO結(jié)構(gòu)提取的準(zhǔn)確性和規(guī)模直接影響到技術(shù)發(fā)展路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和可信性。另一方面，雖然摘要被認(rèn)為是整篇文章中最具代表性和價(jià)值的部分，但由于簡(jiǎn)短并不能完整反映整篇文章使用的所有技術(shù)和解決的所有問(wèn)題，如果對(duì)全文進(jìn)行SAO 結(jié)構(gòu)提取，所得結(jié)果亦將更具說(shuō)服力。這些都是未來(lái)有待進(jìn)一步深入研究和改進(jìn)的問(wèn)題。