2021-4-9 | 光伏技术论文
一太阳电池技术的发展
1873年英国科学家WiloughB.Smith发现了对光敏感的硒材料，并提出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年，第一片以硒为基础的太阳电池由CharlesFritts制造出；1954年，美国贝尔实验室G.Pearson、D.Chapin和C.Fuller开发了第一个实用单晶硅太阳电池。第一代太阳电池以硅片为基础，其技术已经发展成熟。太阳电池的主要材料为晶体硅。目前主要研究方向为：硅基太阳电池的转换效率，目的在于采用双面电池、减小光反射来提高光电转换效率；运用吸杂技术减小半导体材料的复合效应；使电池超薄型化；降低硅片的缺陷；快速掺杂和表面处理技术；连续和快速的布线工艺；多晶硅电池表面织构化技术和薄片化；高效率电池工艺技术等。第二代太阳电池基于薄膜技术，其结构主要是在非硅材料的衬底上生长薄膜光电材料，这样就能够大大减少硅材料的消耗，并且易于形成批量自动化生产，从而降低太阳电池的成本。高转换效率的薄膜太阳电池主要通过减少非光能耗、增加光子有效利用以及减少太阳电池内阻，实现转换效率的大幅度提升。国际上已经开发出电池效率在15%以上、组件效率10%以上和系统效率8%以上、使用寿命超过25年的薄膜太阳电池工业化生产技术。新一代太阳电池的发展方向是化合物太阳电池(如铜铟镓硒等)，其具有转换效率高、成本低、弱光性好以及寿命长等优点。我国于1959年成功研制第一个具有实用价值的太阳电池，1979年开始生产单晶硅太阳电池。近年来，我国科研工作者的研究方向包括晶体硅高效太阳电池技术、非晶硅薄膜太阳电池技术、碲化镉和铜铟硒薄膜太阳电池技术、多晶硅薄膜太阳电池技术及应用系统关键技术等。
二光伏行业专利技术分布
随着全球光伏产业的迅速发展，用于太阳电池的活性材料及其制造工艺技术也得到迅速发展，全球专利申请量逐年稳定增长。专利申请主要集中在日本、美国、欧洲、德国、中国和韩国等国家和地区，其中以日本的专利申请量最多，占全球总申请量的64.0%，远远超出其他国家和地区所占比例；专利申请量居前列的是日本和德国企业。近年来，用于太阳电池的活性材料主要是单晶硅和多晶硅。由于多晶硅是制造单晶硅的主要原材料，因此，多晶硅的制造是关键。目前工艺成熟并用于大规模生产的工艺主要是西门子法。国内外申请人的专利申请也以多晶硅及其制造申请量居多，主要涉及西门子法和冶金法，但是国内外申请人的侧重点不同，国外在华专利申请中涉及西门子法的专利申请较多，而国内申请中涉及冶金法的专利申请较多。用于太阳电池的活性材料及其制造工艺主要集中在日本、德国、美国和韩国。在全球专利申请量中，申请量居前列的公司包括住友、夏普、三菱、西门子、松下、川崎制铁、佳能、京瓷、瓦克和德山等(注：数据来源于中国专利检索数据库，公司名称统一采用简称)。重点生产厂商都侧重于多晶硅制造技术，松下主要侧重于化合物材料制造，佳能主要侧重于多晶硅薄膜的制造。在多晶硅工艺方面，京瓷主要侧重于多晶硅后续加工，如铸锭等方面。住友在各个主要技术分支的发展较均衡，但更侧重于对西门子法的完善和改进，同时也在积极研究金属还原法。
1多晶硅制备技术
近年来光伏产业飞速发展，多晶硅制备技术的相关专利年平均增长率超过40%。目前世界大部分多晶硅生产厂商主要还是采用改良西门子法进行生产，这表明改良西门子法仍是目前较成熟的多晶硅制造方法。除了改良西门子法外，当前出现了很多新的多晶硅制造工艺，其中一个热点工艺是冶金法制造多晶硅。国外在华专利申请中，冶金法的专利申请量在总量中位居第二，一些主要厂商如川崎制铁、住友等也积极开发此方法。冶金级硅的纯度不如传统西门子法制造的多晶硅纯度高，使用冶金级硅制造的太阳电池衰减也较严重，其使用寿命还没有得到验证，但成本优势明显。道康宁和西日本制铁公司所正在用冶金法试生产高纯冶金多晶硅，用其制造的多晶硅太阳电池的转换效率可达15%。其中重要专利包括佳能的冶金法CN100341780C、三菱的硅烷法JP3864693B2及金属还原法JP3844856B2以及日本德山公司的西门子法CN100436315C、CN1230379C、CN100347083C，川崎制铁公司的冶金法CN1092602C、JP3205352B2、JP1733986C，美国Hemlock公司的EP334664B1、EP1392601B1。
2太阳电池技术
全球太阳电池技术发展迅猛，专利申请的技术重点主要是薄膜太阳电池相关技术，同时染料敏化太阳电池相关技术也是近几年的研究热点。在专利技术申请方面，我国的技术方向与国外基本一致。技术分支较全面，主要集中在薄膜太阳电池相关技术方面。同时，在近年来备受关注的染料敏化太阳电池方面的研究也较活跃。其中北京行者公司、李毅(申请人)和南开大学的研究重点为薄膜太阳电池；彩虹集团公司、复旦大学、清华大学和中科院长春应用化学研究所在染料敏化太阳电池领域的研究较活跃；常州天合公司的研究则主要集中在晶体硅太阳电池相关技术；此外，中科院长春应用化学研究所对有机太阳电池的关注度较高。太阳电池领域全球专利申请中，日本申请人在该领域处于绝对优势地位，在申请量上已经基本处于垄断地位。夏普和三菱自1999年开始，专利申请量迅速增长，在近几年一直保持发展势头。各主要厂商分别侧重于不同技术领域，目前主要生产厂商都非常注重在薄膜太阳电池领域的技术开发，尤其是佳能、三洋和松下，基本上全部研发重心都放在薄膜太阳电池领域，夏普和三菱的发展都为全面，在晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池、染料敏化太阳电池以及有机聚合物太阳电池4个技术领域均有一定数量的专利申请，其中夏普在晶体硅太阳电池方面的实力最强，而三菱则在染料敏化太阳电池和有机聚合物太阳电池领域略强于夏普。太阳电池领域的重要专利也主要集中于日本，如佳能、三洋、夏普等公司。其中晶体硅太阳电池和薄膜太阳电池技术的专利申请起源都较早，因此基础性的专利都已经超过保护期限，重要专利均为改进型专利技术；染料敏化太阳电池是太阳电池领域中较新的一个研究分支，是目前全球专利申请的技术热点。其中重要的专利包括佳能的叠层结构US6180870B1、US6383576B1、衬底/电极CN1096713C、US5500055A以及成膜方法/设备EP0828301B1等；夏普的衬底/电极CN100472817C、钝化膜/抗反射EP1816683B1、染料敏化太阳电池JP1063802B2等；三菱的叠层结构CN100435357C；松下的叠层结构US6441301B1及染料敏化太阳电池US7256147B2。国内申请人分别具有不同的技术重点。在晶体硅太阳电池技术方面，无锡尚德的发明专利申请主要包括晶体硅太阳电池电极制绒和镀减反射膜工艺；常州天合的专利申请涵盖晶体硅太阳电池的衬底、电极的设计等；阿特斯的专利申请主要涉及太阳电池的抗反射及钝化工艺。在薄膜太阳电池技术方面，叠层结构方面专利申请较活跃的主要申请人有南开大学、北京行者以及李毅，其中南开大学和李毅在薄膜太阳电池方面的专利技术较全面，涵盖了衬底、电极以及叠层结构的设计，还有制造电池的方法和设备，北京行者的专利申请则主要集中在电池的电极和叠层结构方面。