鄭富艷

摘要：新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化將為傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池帶來(lái)新的變革。近幾年，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研發(fā)遇到諸多困難，但是這一領(lǐng)域的快速發(fā)展使其開(kāi)始顯示出潛在的商業(yè)前景。通過(guò)對(duì)其專利狀況分析，深入研究相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)信息，得出該產(chǎn)業(yè)范圍的的技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)和發(fā)展方向，為國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域工作者提供參考。制定相關(guān)的戰(zhàn)略助力中國(guó)在光伏領(lǐng)域搶占國(guó)際市場(chǎng)先機(jī)，增強(qiáng)其在世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦材料;太陽(yáng)能電池技術(shù);專利分析;SWOT 分析

1 引言

近年來(lái)，光伏領(lǐng)域興起一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)課題——鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。在誕生后的幾年內(nèi)獲得了較高的能量轉(zhuǎn)換效率。鈣鈦礦太陽(yáng)能電池可以做得非常薄，只需要一根頭發(fā)絲1%的厚度，就可以做成太陽(yáng)能電池。同時(shí)這個(gè)材料對(duì)光的吸收能力非常強(qiáng)，只用一微米左右的厚度，就可以吸收近100%的太陽(yáng)光譜中可見(jiàn)光的能量。早期研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池只能維持幾分鐘的壽命現(xiàn)在已達(dá)兩個(gè)多月。開(kāi)始的光電轉(zhuǎn)化率是3%，在研究人員的改進(jìn)下，現(xiàn)在的光電轉(zhuǎn)率已經(jīng)達(dá)到24.2%，幾乎快要達(dá)到傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)化率。目前，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)專利戰(zhàn)略研究相關(guān)的文獻(xiàn)，利用Patyee壹專利檢索數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)專利數(shù)據(jù)中相關(guān)的1 300條專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索并統(tǒng)計(jì)分析，得出我國(guó)鈣鈦礦電池技術(shù)的專利申請(qǐng)情況。制定相關(guān)的專利戰(zhàn)略推動(dòng)我國(guó)的太陽(yáng)能電池技術(shù)未來(lái)的開(kāi)發(fā)與研究，促進(jìn)該領(lǐng)域的深入探索與研究。

2 行業(yè)發(fā)展階段與專利申請(qǐng)狀況

2.1 專利申請(qǐng)年份分布

主要對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域2013年以來(lái)專利申請(qǐng)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在2013年以前，專利布局幾乎沒(méi)有，分析歷年該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量，了解鈣鈦礦電池材料的研發(fā)情況和發(fā)展趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

從圖1中可以看出，2013年以前，我國(guó)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料領(lǐng)域處于起步階段，剛剛有研究萌芽，專利申請(qǐng)數(shù)量少，一方面是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展情況有所關(guān)聯(lián)，另一方面專利意識(shí)不強(qiáng)也是一個(gè)重要的因素。從2014年開(kāi)始，我國(guó)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料領(lǐng)域發(fā)展迅速，專利申請(qǐng)數(shù)量總體處于上升趨勢(shì)，2020年由于疫情的影響，申請(qǐng)數(shù)量有微小幅度回落，但不影響總體上升進(jìn)程。這表示我國(guó)對(duì)鈣鈦礦電池材料領(lǐng)域越來(lái)越重視。從增長(zhǎng)速度可以看出，我國(guó)在鈣鈦礦電池領(lǐng)域的技術(shù)還會(huì)繼續(xù)創(chuàng)新，因此應(yīng)該引起高校、政府和企業(yè)的重視，加大該領(lǐng)域的投入和研發(fā)資金，促進(jìn)該領(lǐng)域技術(shù)能夠取得進(jìn)一步的發(fā)展。

2.2 專利類型數(shù)量分析

通過(guò)對(duì)不同類型的專利數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料領(lǐng)域是以發(fā)明專利的數(shù)量為主，實(shí)用新型為輔的專利申請(qǐng)模式。發(fā)明專利1 206件，實(shí)用新型93件，分別占比為93%、7%。新型材料都可以申請(qǐng)發(fā)明專利，但在原有技術(shù)上改進(jìn)去申請(qǐng)實(shí)用新型的專利比較少。不同類型的專利數(shù)量如圖2所示。

2.3 專利權(quán)人機(jī)構(gòu)屬性分析

從圖3中可以看出，高校是專利權(quán)人的主體，申請(qǐng)數(shù)量共有870件，占比66.92%，其次是企業(yè)，申請(qǐng)數(shù)量是295件，占比22.69%，第三是科研院所，申請(qǐng)數(shù)量是182件，占比14%，最后是個(gè)人，有41件，占總數(shù)3.15%。從數(shù)據(jù)庫(kù)中的前五名合作專利最多的申請(qǐng)人信息中統(tǒng)計(jì)得出，科研院所與企業(yè)，企業(yè)與企業(yè)之間的合作是較多的，如表1。高校與企業(yè)之間的合作較少，為了更好促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，要加大高校和企業(yè)之間的緊密合作。公司和高校應(yīng)該聯(lián)動(dòng)推動(dòng)知識(shí)前沿，成為創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的強(qiáng)大引擎。企業(yè)應(yīng)尋找有科研實(shí)力的高校進(jìn)行長(zhǎng)期性和戰(zhàn)略性合作，通過(guò)相互作用的良性循環(huán)向雙方提供更大的和一般情況下未預(yù)料到的利益。對(duì)于高校來(lái)說(shuō)，企業(yè)為其提供更多的安全資金，可以增強(qiáng)學(xué)術(shù)實(shí)力。高校、個(gè)人與企業(yè)的合作都有待加強(qiáng)，應(yīng)該向中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所學(xué)習(xí)，在創(chuàng)新技術(shù)的同時(shí)，注重交流和合作，更好促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新。

2.4 專利區(qū)域分布分析

專利區(qū)域分布情況如圖4所示。對(duì)排名前10的地域進(jìn)行分析作統(tǒng)計(jì)。從圖看出，江蘇以315件專利成為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)數(shù)量最多的省份，其次是北京市，申請(qǐng)量為176件，廣東省、浙江省和湖北省的申請(qǐng)專利數(shù)量相差不大。除此之外，上海市、四川省陜西省、山東省也有相對(duì)較多的鈣鈦礦電池技術(shù)的專利申請(qǐng)。這表明，江蘇省在中國(guó)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)相關(guān)專利有很大的市場(chǎng)，體現(xiàn)了其鈣鈦礦電池材料研究技術(shù)的實(shí)力，在我國(guó)占據(jù)一席之地。太陽(yáng)能電池的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一代是用單晶硅材料制成的太陽(yáng)能電池。不過(guò)制造高純硅面臨著造價(jià)高、耗能高等難題，這嚴(yán)重制約了硅基太陽(yáng)能電池的商業(yè)應(yīng)用范圍。第二代太陽(yáng)能電池主要指薄膜太陽(yáng)能電池。第三代太陽(yáng)能電池即鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。伴隨著太陽(yáng)能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)創(chuàng)新需求也將不斷地縱深發(fā)展推動(dòng)技術(shù)革新。在上圖中的技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，如江蘇省和其他具有經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科研創(chuàng)新能力與資源優(yōu)勢(shì)的地方，無(wú)論是專利申請(qǐng)的數(shù)量還是技術(shù)的創(chuàng)新，都將保持一個(gè)穩(wěn)定向上的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.5 IPC分析

通過(guò)分析鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域的IPC分布情況，可以了解到該技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和研發(fā)重點(diǎn)等相關(guān)信息。對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的IPC小類的不同分類號(hào)的專利數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖5技術(shù)領(lǐng)域主要有下圖幾種類別，其中HO1L這種小類專利數(shù)量獨(dú)占鰲頭遙遙領(lǐng)先，占專利總數(shù)的90%以上。HO1L的具體含義是半導(dǎo)體器件;其他類目中不包括的電固體器件。

3 熱點(diǎn)領(lǐng)域—HO1L技術(shù)領(lǐng)域

在1 300條專利文獻(xiàn)中，其中在HO1L領(lǐng)域申請(qǐng)的專利總數(shù)量高達(dá)1 290件。因此，在半導(dǎo)體類器件傳輸材料的研究一直是鈣鈦礦太陽(yáng)能的熱點(diǎn)。對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池HO1L技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠纳暾?qǐng)數(shù)量和專利權(quán)人數(shù)量隨時(shí)間序列而變化的情況繪制成技術(shù)生命周期圖，如圖6所示。通過(guò)技術(shù)生命周期圖可以判定技術(shù)發(fā)展所處階段，作為研發(fā)投入的參考。從圖中可以看出，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料HO1L技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠鸩捷^早，2013年申請(qǐng)數(shù)量為零，到2014年的39件，之后快速發(fā)展，這和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池專利申請(qǐng)數(shù)量的總體趨勢(shì)是一致的。2018和2019年，專利數(shù)量都保持穩(wěn)定并且專利數(shù)量較多，顯示出在該方面市場(chǎng)研發(fā)創(chuàng)新的積極性是非常高的。因此，企業(yè)、高校和研究所應(yīng)該對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料HO1L技術(shù)領(lǐng)域增加投入力量，促進(jìn)半導(dǎo)體材料方面的結(jié)構(gòu)與性能創(chuàng)新。

4 研究方向

對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝的分析，再通過(guò)閱讀論文文獻(xiàn)與專利文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)得出，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的研究主要是對(duì)其半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的研究，主要專利圍繞空穴傳輸層、鈣鈦礦層和電子傳輸層進(jìn)行研究。在空穴傳輸層摻雜材料元素，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，尋找新的鈣鈦礦材料和添加劑以提高鈣鈦礦穩(wěn)定性。在鈣鈦礦吸收層，一方面是改進(jìn)鈣鈦礦材料的結(jié)晶度和相應(yīng)界面，并尋找合適的環(huán)保材料來(lái)替代鈣鈦礦中有毒有害元素鉛。通過(guò)專利庫(kù)看出，各高校、企業(yè)、科研院所和個(gè)人在專利布局方面主要也是圍繞結(jié)構(gòu)性能的改善來(lái)申請(qǐng)實(shí)用新型和發(fā)明專利的。因此，各研究單位應(yīng)該在結(jié)構(gòu)方面加大研究，早日突破鈣鈦礦電池材料技術(shù)現(xiàn)有的難題。

5 SWOT分析方法

通過(guò)SWTO分析方法，對(duì)當(dāng)前鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)與機(jī)遇挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，如表1所示。

5.1 優(yōu)勢(shì)方面

隨著相關(guān)人員對(duì)該領(lǐng)域不斷地研究，在太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破，使得技術(shù)更上一個(gè)臺(tái)階。鈣鈦礦電池中的平板型電池，主要朝著低溫的方向發(fā)展，具有可以降低成本，有較廣的商業(yè)前景。我國(guó)研究所和高校，人才濟(jì)濟(jì)，這都為我國(guó)太陽(yáng)能電池的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5.2 弱勢(shì)方面

長(zhǎng)期穩(wěn)定性還有待驗(yàn)證，高效率和高穩(wěn)定性還不能同時(shí)滿足。制造顏色的限制，使其不能大規(guī)模地推給建筑大樓的設(shè)計(jì)師，相關(guān)適宜的顏色研發(fā)需要進(jìn)一步加強(qiáng)。近些年我國(guó)雖然在該領(lǐng)域取得了技術(shù)突破，但是一些核心技術(shù)受牽制于國(guó)外，所以更要加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)強(qiáng)國(guó)的意識(shí)，提高該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)意識(shí)。

5.3 機(jī)遇與威脅

隨著部分能源面臨枯竭，一些能源開(kāi)發(fā)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成了破壞。世界各國(guó)相關(guān)技術(shù)人員也不斷加大對(duì)太陽(yáng)能資源的研究力度，積極開(kāi)展對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)電池的應(yīng)用研究。越來(lái)越高的需求使得太陽(yáng)能電池處于主體技術(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)期，發(fā)展?jié)撃芫薮?。世界各?guó)都在積極研發(fā)高效率高轉(zhuǎn)化率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料，制定優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，體現(xiàn)了該技術(shù)領(lǐng)域世界競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈[1]。

6 專利戰(zhàn)略

我國(guó)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料的發(fā)展從2013年以來(lái)已經(jīng)在申請(qǐng)專利問(wèn)題方面取得了一定的進(jìn)步，但結(jié)合專利戰(zhàn)略看其發(fā)展，還處于基礎(chǔ)性研究階段。全面的專利檢索和分析可以預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)專利文獻(xiàn)的檢索與SWOT的分析，從國(guó)家層面、企業(yè)層面和高校研究所三個(gè)層面提出一些對(duì)策與建議。

6.1 國(guó)家層面

在2019年，科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心把鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)立為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目[2]。我國(guó)可以建立相關(guān)專利信息平臺(tái)，為該領(lǐng)域的企業(yè)和其他機(jī)構(gòu)提供方便快捷的專利信息服務(wù)，建立專利預(yù)警平臺(tái)。專利預(yù)警的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)各種數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和共享。健全專利制度和預(yù)警體系的基本框架，都將為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展提供指導(dǎo)作用。鼓勵(lì)企業(yè)加快新產(chǎn)品、新技術(shù)開(kāi)發(fā)步伐和對(duì)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化吸收與再創(chuàng)新。

6.2 企業(yè)層面

雖然企業(yè)對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的認(rèn)識(shí)熱度高漲，而真正運(yùn)用知識(shí)產(chǎn)權(quán)構(gòu)建商業(yè)模式，利用知識(shí)產(chǎn)權(quán)投資、入股、甚至上市的還少之又少。企業(yè)在研發(fā)過(guò)程中容易忽視一些有價(jià)值的專利，可以借助或?qū)で髮I(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理機(jī)構(gòu)，來(lái)幫助企業(yè)更好地挖掘潛在的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。企業(yè)的研發(fā)技術(shù)部門(mén)，在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面應(yīng)該經(jīng)常性地與一些走在行業(yè)前沿的專業(yè)代理機(jī)構(gòu)進(jìn)行有效溝通，挖掘有價(jià)值的專利。

6.3 高校和科研機(jī)構(gòu)層面

《公司法》第27條規(guī)定，股東可以用貨幣出資，也可以用實(shí)物、知識(shí)產(chǎn)權(quán)、土地使用權(quán)等可以用貨幣估值并可以依法轉(zhuǎn)讓的非貨幣財(cái)產(chǎn)作價(jià)出資，以非貨幣財(cái)產(chǎn)出資應(yīng)當(dāng)評(píng)估作價(jià)，核實(shí)財(cái)產(chǎn)，不能高估或者低估作價(jià)。經(jīng)過(guò)專利數(shù)據(jù)庫(kù)分析，高校的專利成果申請(qǐng)量是最多的，高校科研院所可以通過(guò)科技成果作價(jià)出資來(lái)促進(jìn)創(chuàng)新，讓技術(shù)變成財(cái)富推動(dòng)共贏。與此同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)高校的專利管理，組建專家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行專利導(dǎo)航和布局，為開(kāi)展成果轉(zhuǎn)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問(wèn)題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。石油、煤等不可再生資源的不正當(dāng)使用使環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，人類生存受到很大威脅[3]。太陽(yáng)能電池在發(fā)展市場(chǎng)占有率高發(fā)展最為完善，與此同時(shí)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)的出現(xiàn)及創(chuàng)新將為能源市場(chǎng)帶來(lái)巨大的轉(zhuǎn)變。能否取得技術(shù)話語(yǔ)權(quán)的關(guān)鍵在于能否掌握核心科技，我國(guó)相關(guān)行業(yè)人員應(yīng)該依靠自主創(chuàng)新知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，提高產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)，做好知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利侵權(quán)防范工作，運(yùn)用知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略來(lái)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)，在智能化和個(gè)性化趨勢(shì)的推動(dòng)下，準(zhǔn)確定位，積極促進(jìn)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的創(chuàng)新發(fā)展，在太陽(yáng)能電池這個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域里，市場(chǎng)的搶占與競(jìng)爭(zhēng)依靠核心技術(shù)的支撐，而核心技術(shù)的保護(hù)依賴專利的爭(zhēng)奪。隨著專利法律法規(guī)的日益規(guī)范化與國(guó)際化，越來(lái)越多的企業(yè)會(huì)通過(guò)專利手段控制創(chuàng)新市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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