国科图产业技术情报——碲化镉薄膜太阳能电池

1产业技术情报—————————————————————————————————————————————————————————————2015年5月13日第8期（总第39期）编者按：碲化镉薄膜太阳能电池是有应用前景的第二代光伏电池，已经实现了规模化生产。本报告针对碲化镉薄膜太阳能电池1638条相关专利进行检索和分析指出：碲化镉薄膜太阳能电池专利申请量最多的国家/地区前10位依次是美国、中国、韩国、日本、德国、加拿大、台湾、英国和法国。其中美国、中国、韩国、日本四个国家在该技术领域的专利约占全球专利申请量的82%，是全球碲化镉薄膜太阳能电池最主要的技术研发国。本期重点：碲化镉薄膜太阳能电池国际专利主要分布在碲化镉薄膜的制备，硫化镉薄膜的制备，缓冲层薄膜的选择以及背接触层的获得等方面。通过对碲化镉薄膜太阳能电池相关技术领域的国际专利数据中的前18位专利权人统计，其中美国有7家企业和1家高校共8家，企业多为跨国公司，可见美国在该技术领域拥有一定的优势。前18位专利权人中美国的机构间存在一定的合作关系，第一太阳能公司与PRIMESTARSOLAR公司、通用电气以及ALLIANCESUSTAINABLEENERGY公司有共同申请相关专利，但碲化镉薄膜太阳能电池技术领域合作关系相对较弱。主编：刘细文执行主编：贾苹本期策划：董璐郑菲陈枢舒联系地址：北京北四环西路33号中科院文献情报中心区域信息服务部邮编：100190电话：[phone]邮件地址：[e-mail]2目录【技术趋势】.............................................................................................31.碲化镉薄膜太阳能电池专利申请趋势分析................................42.碲化镉薄膜太阳能电池专利国家/地区分布...............................63.碲化镉薄膜太阳能电池专利技术布局........................................8【核心技术】.............................................................................................9【重点机构】...........................................................................................11【重要人物】...........................................................................................141．中国科学技术大学王德亮教授..................................................142.四川大学冯良桓教授...................................................................153.中国科学院物理研究所孟庆波研究员.......................................164.龙焱能源科技（杭州）有限公司董事长吴选之教授...............175.南佛罗里达大学ChrisFerekides教授........................................18【产业动态】...........................................................................................181.产业政策......................................................................................182.企业动态......................................................................................20【技术转移】...........................................................................................213【技术趋势】自1954年美国贝尔实验室研制出第一块现代半导体太阳能电池以来，太阳能电池已经进入了第三代电池研发。第一代太阳能电池发展最早，技术也最为成熟，是目前世界太阳能市场上的主流产品，主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜太阳能电池。第二代太阳能电池主要以薄膜太阳能电池为主，主要有多晶硅薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、砷化镓薄膜太阳能电池等，具有转换效率高、节约材料、衬底成本低、性能稳定等优点，近年来得到了快速发展与应用。第三代电池涉及有机物、纳米科技和新电池结构，有光化学太阳能电池、染料敏化太阳能电池、高分子太阳能电池、纳米结晶太阳能电池、量子点太阳能电池等。就目前发展而言，第三代太阳能电池主要还处于基础研究阶段，离大规模应用还有一定距离。碲化镉薄膜太阳能电池简称CdTe电池，它是一种以p型CdTe和n型CdS的异质结为基础的薄膜太阳能电池，常见结构如图1所示。CdTe薄膜太阳能电池具有以下优点：1）CdTe是直接带隙材料，禁带宽度1.45eV，其能隙宽度与太阳能光谱能很好地匹配，转换效率高，理论转换效率高达27%；2）受温度影响小，性能稳定；3）CdTe薄膜太阳能电池被公认为最佳薄膜太阳能电池，商业化前景好，特别适合特殊环境应用，如荒漠、外太空环境等。即便如此，CdTe薄膜太阳能电池也存在一些问题，包括：1）碲是稀有元素，地球上储量有限，价格贵，不宜用于规模化生产；2）含有重金属元素镉，若大规模应用将对环境造成影响；3）CdTe薄膜是在CdS薄膜基础上制备的，CdS薄膜质量直接影响CdTe薄膜质量，从而影响电池的实际转换效率和使用寿命。4图1碲化镉薄膜太阳能电池结构示意图本报告针对碲化镉薄膜太阳能电池相关专利进行检索和分析，并结合报道分析产业现状，旨在通过对碲化镉薄膜太阳能电池技术领域的专利分析揭示该领域当前的专利活动特点，为我国的科技决策和课题研究提供支持。检索数据来源于美国汤森路透科技公司的TI（ThomsonInnovation）平台的增值专利信息数据库（DWPI和DCPI），利用关键词设计检索策略1，共计检出相关专利1638条，数据检索日期为2015年5月5日。所采用的主要分析工具为TI和TDA（ThomsonDataAnalyzer）。1.碲化镉薄膜太阳能电池专利申请趋势分析1956年RCA实验室Loferski首先提出CdTe材料在太阳能光伏应用的前景。第一个碲化镉薄膜太阳能电池是由RCA实验室的Rappaport于1959年通过在p型CdTe单晶上扩散In元素获得了CdTe单晶同质结太阳能电池，该电池获得了2.1%的转换效率。1982年，Kodak实验室用化学沉积法在P型的CdTe上制备一层超薄的CdS，制备了效率超过10%的异质结p-CdTe/n-CdS薄膜太阳能电池，这是现阶段碲化镉薄膜太阳能电池的原型。20世纪90年代初，碲化镉薄1检索策略=德温特手工代码:(u12-a02a*orx15-a02*orx16-g02a*orx21-b04a*orl03-e05b*oru11-f01c5*)AND主题:(cadmiumtellurideorCdTe)；检索数据库：DWPI。5膜太阳能电池已实现了规模化生产，但市场发展缓慢，市场份额一直徘徊在1%左右。目前碲化镉薄膜太阳能电池在实验室中获得的最高光电转换效率已达到17.3%，其商用模块的转换效率也达到了10%左右2。从碲化镉薄膜太阳能电池专利的年度变化趋势图（基于最早优先权年，见图2）可以看出碲化镉薄膜太阳能电池技术发展大致分为三个阶段：（1）萌芽期（1976-2005年）这一阶段的专利申请量相对较少，年申请量不超过30件，主要来自日本和美国，全球最早的碲化镉薄膜太阳能电池专利即是1976年美国MONOSOLAR公司申请的专利，涉及在金属或者半导体衬底上采用电化学沉积法制备IIB-VIA族化合物半导体薄膜太阳能电池（US4435194和US440244）。（2）快速增长期（2006-2011年）2006年起碲化镉薄膜太阳能电池专利申请呈现快速增长趋势，2009年全球申请量已经突破100件，2012年专利年申请量为328件，达到峰值，说明碲化镉薄膜太阳能电池技术发展迅速。此阶段中国和韩国的专利申请较多，均超过了日本。（3）回落期（2012-至今）2012年起全球碲化镉薄膜太阳能电池专利年度申请数量有所下降，主要原因是专利公开时间滞后，同时也明显看出，美国、中国、韩国等在该技术领域的专利申请正在下降，说明该领域的相关技术已较为成熟，此外由于碲原料的价格不断攀升，导致碲化镉薄膜太阳能电池的生产成本不断增加，电池的经济性不断降低。2YaoCZ,WeiBH,MengLX.ControllableelectrochemicalsynthesisandphotovoltaicperformanceofZnO/CdScore-shellnanorodarraysonfluorine-droppedtinoxide[J].JournalofPowerSources,2012,207(11):222-228.6图2碲化镉薄膜太阳能电池技术全球专利及主要国家专利申请趋势图2.碲化镉薄膜太阳能电池专利国家/地区分布从专利技术的来源看（基于优先权国，见图3-a），碲化镉薄膜太阳能电池专利申请量最多的国家/地区前10位依次是美国、中国、韩国、日本、德国、加拿大、台湾、英国和法国。其中美国的专利申请量占总量的40.19%，中国占14.66%，韩国占13.69%，日本占13.42%，这4个国家在该技术领域的专利约占全球专利申请量的82%，是全球碲化镉薄膜太阳能电池最主要的技术研发国。从专利技术的市场分布看（基于同族专利国，见图3-b），美国、东亚和欧洲是主要的技术市场国家/地区。排名前10位的国家/地区均在除本国外的多个国家/地区进行了专利布局（见图4），其中美国和韩国均有55%左右的专利在全球进行了布局，而我国有9%的专利通过了PCT途径申请，表明美国和韩国更为重视专利技术的保护和技术全球布局。7图3-a碲化镉薄膜太阳能电池技术专利来源国图3-b碲化镉薄膜太阳能电池技术专利来源国与市场国8图4碲化镉薄膜太阳能电池技术主要申请国家专利市场布局3.碲化镉薄膜太阳能电池专利技术布局碲化镉薄膜太阳能电池作为有应用前景的第二代光伏电池，虽已经实现了规模化生产，然而针对该电池所涉及的材料和器件技术问题仍需要进行深入研究。利用TI（ThomsonInnovation）分析工具绘制了碲化镉薄膜太阳能电池技术研发重点领域分布图（图5）。图中等高线山脉表示为国际技术研发重点，其重要程度用颜色加以区分，由浅咖啡色、灰色到白色，依次增强。由图5可以看出，国际专利主要分布在碲化镉薄膜的制备（涉及蒸汽输运法、电化学沉积法、金属有机物化学气相沉积和近空间升华法等），硫化镉薄膜的制备（涉及磁控溅射、近空间升华法、化学水浴法等），缓冲层薄膜的选择（SnO2、In2O3和ZnO等）以及背接触层的获得等。9图5碲化镉薄膜太阳能电池技术专利主题分布【核心技术】专利被引次数是测度技术影响力的最直观的指标，如果一项专利大量被引用，显示该项专利有更大的价值和更高的质量。碲化镉薄膜太阳能电池技术的前10位高被引专利（见表1）中均为美国申请，可以看出美国掌握了该技术领域的核心技术。从核心专利内容来看，主要涉及CdTe薄膜的制备