通透！一文了解高效率太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與知識產(chǎn)權(quán)態(tài)勢

:近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，中國的光伏產(chǎn)業(yè)出貨量雄踞全球榜首多年。根據(jù)集邦咨詢旗下新能源研究中心集邦新能源網(wǎng)EnergyTrend統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2018年全球組件出貨量達(dá)到95GW，較2017年下滑8%，五大整合廠(晶科、天合、晶澳、阿特斯、韓華)與兩大硅片龍頭廠(協(xié)鑫集成、隆基樂葉)組成的SMSL硅基組件聯(lián)盟依舊占有舉足輕重的地位。

中國的前十大廠的總出貨量提升至65GW，占比接近全球總出貨量的70%。2018年單晶組件總出貨量占比約為48.5%;相當(dāng)于46GW的出貨量，同比2017年31.1%(32GW)有較大增幅。從EnergyTrend對于2019年全球需求量預(yù)估的110GW來看；單晶組件占比與出貨量肯定會突破50%以上。

受2018年531新政以及PERC產(chǎn)品普及化與整體市場價格向下修正影響，性價比較高的單晶產(chǎn)品更受市場青睞，而且更多高效單晶電池新技術(shù)的開發(fā)也給光伏市場的技術(shù)更替打開了新的加速器。

為進(jìn)一步提高單晶硅太陽電池的效率，近幾年的研究工作主要集中于提高硅片質(zhì)量來降低體缺陷，選擇性鈍化接觸技術(shù)來降低表面和界面缺陷的影響，開發(fā)先進(jìn)的減反技術(shù)或交叉指式背接觸技術(shù)等以提高光的利用率，引入低電阻金屬化技術(shù)降低串聯(lián)電阻，以電池背面局部開孔較少柵線電極與c-Si的金屬-半導(dǎo)體接觸復(fù)合，優(yōu)化PN結(jié)制備技術(shù)以及器件結(jié)構(gòu)等。

自2014年至今，單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率得到連續(xù)突破。目前，最高效率是日本Kaneka公司創(chuàng)造的26.6%，其他效率達(dá)到或者超過25%的晶硅電池包括鈍化發(fā)射極背面局部場接觸(PERL)電池、交叉指式背接觸(IBC)電池、硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)電池、交叉指式背接觸異質(zhì)結(jié)(HBC)電池、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)電池、多晶硅氧化物選擇鈍化接觸(POLO)電池等。目前轉(zhuǎn)換效率超過25%的單晶硅太陽電池主要包括以下六種，具體參見表1。

表1 轉(zhuǎn)換效率超過25%的單晶硅太陽電池

從上表中，我們可以看到轉(zhuǎn)換效率超過25%的單晶硅太陽電池新技術(shù)原創(chuàng)國均來自于歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，國內(nèi)大型公司在部分技術(shù)上亦有較多的研發(fā)投入，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢如此巨大的情況下，技術(shù)儲備處于弱勢方的中國企業(yè)能否在國際上無知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險進(jìn)行市場開發(fā)呢？筆者選取以下幾種技術(shù)進(jìn)行技術(shù)態(tài)勢和知識產(chǎn)權(quán)趨勢進(jìn)行簡單梳理，期望能夠為國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)提供一些有用信息，以饗讀者。

一、IBC電池

IBC電池（全背電極接觸晶硅光伏電池）將PN結(jié)和金屬接觸都設(shè)于太陽電池的背部正負(fù)，而面朝太陽的電池片正面采用SiNx/SiOx雙層減反鈍化薄膜呈全黑色，完全看不到多數(shù)光伏電池正面呈現(xiàn)的金屬線，能夠最大限度地利用入射光，減少光學(xué)損失，更高的短路電流這為使用者帶來更多有效發(fā)電面積，外觀上也更加美觀。

作為IBC電池產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)導(dǎo)者的美國SunPower公司已經(jīng)研發(fā)了三代IBC太陽電池。2014年在N型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽電池的最高效率達(dá)到25．2%；而應(yīng)用層選擇性激光工藝來制造POLO-IBC電池，轉(zhuǎn)換效率則可達(dá)到26.1%。天合光能公司一直致力于IBC單晶硅電池的研發(fā)，2018年2月自主研發(fā)的大面積6英寸(243．2cm2)N型單晶硅IBC電池效率被證實提高到25．04%。Sunpower的IBC量產(chǎn)平均效率可達(dá)23%。

圖1 IBC 太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖

在知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，Sunpower和三洋-松下一直是光伏公司的翹楚。以Sunpower的專利態(tài)勢為例：

1、全球申請趨勢

Sunpower在全球一直在保持著持續(xù)的大量上升趨勢，在2012年前后申請量持續(xù)增加，且其專利申請技術(shù)門類以H01L分類號下的太陽電池申請量為主，約占50%，還有大量關(guān)于H02S分類號下與光伏電站后端應(yīng)應(yīng)用相關(guān)申請、 H02J分類號下與儲能、并網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)的專利申請，以及其他分類號有關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游配套技術(shù)的專利申請。

圖2 全球申請技術(shù)趨勢圖

圖3 全球申請技術(shù)分布

Sunpower公司專利申請以美國為主，但是其專利申請在日本、韓國、中國、中國臺灣、澳大利亞、歐專局國家等均有較大量的同族申請，其全球布局態(tài)勢極其明顯，涵蓋了電池之后所有產(chǎn)業(yè)鏈條中下游的技術(shù)節(jié)點。

2、專利申請技術(shù)分布

Sunpower按照聚類主題的申請量來看，各主要主題下數(shù)量較大，電池、組件、陣列、并網(wǎng)系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點的發(fā)射極制作、新技術(shù)電池、光活性材料等大的細(xì)分技術(shù)布局較多。收購COGENRA 公司后疊瓦電池的基礎(chǔ)專利申請和后續(xù)配套專利申請均大量展開，且以高達(dá)47個同族數(shù)的方式進(jìn)行各個國家布局，其對新技術(shù)的專利擴張力度極強，對重點原創(chuàng)技術(shù)的保護(hù)力度極其強大。

圖4 Sunpower公開專利聚類主題專利數(shù)

圖5 Sunpower專利不同技術(shù)點分布圖（包括關(guān)聯(lián)單位）

紫色標(biāo)注為合享高價值專利標(biāo)記（大量）

3、IBC電池方面的專利

Sunpower公司分析了25%效率的IBC電池后發(fā)現(xiàn)，電池效率的主要損失在發(fā)射極復(fù)合和背部光學(xué)損失。針對IBC電池技術(shù)的發(fā)射極損失，Sunpower公司在背面制結(jié)和背部的圖案化方面進(jìn)行了大量的專利技術(shù)布局，且諸多的專利均在中美日歐等國家和地區(qū)進(jìn)行同族申請，盡可能在大的市場范圍內(nèi)保護(hù)其技術(shù)。而國內(nèi)光伏公司在新技術(shù)開發(fā)專利布局方面則有諸多畏首畏尾的情形出現(xiàn)，以致于新技術(shù)的開發(fā)保護(hù)在法律層面上來看并未有大的進(jìn)展。

圖6 Sunpower公司IBC電池專利的重點技術(shù)點

二、HIT電池

異質(zhì)結(jié)(hetero-junction with intrinsic thin-layer, HIT)太陽能電池是日本三洋公司1997年推出的一種商業(yè)化的高效電池設(shè)計和制造方法。異質(zhì)結(jié)電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、簡單的低溫制造工藝、薄硅片應(yīng)用、溫度系數(shù)和CTM低、可雙面發(fā)電等一系列優(yōu)勢。經(jīng)過Sanyo-Panasonic公司對本征a-Si∶H鈍化層、背部場結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)高透ITO、陷光結(jié)構(gòu)、金屬化柵線等關(guān)鍵技術(shù)的不斷優(yōu)化，在2013年將SHJ太陽電池效率提高到24．7%，在2014年將IBC技術(shù)與HIT技術(shù)結(jié)合，研發(fā)出的HIT-IBC太陽電池最高效率達(dá)25.6%。在國內(nèi)，杭州賽昂的SHJ電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23．1%,中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所N-CZ硅片制備的SHJ電池取得23．5%的效率。

異質(zhì)結(jié)電池實現(xiàn)低成本量產(chǎn)的關(guān)鍵在于設(shè)備國產(chǎn)化、提高良率和產(chǎn)能以及降低硅片、低溫銀漿、TCO靶材和清洗制絨化學(xué)品等成本。日本松下、上澎、晉能、福建金石和中智電力等已實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)。2018年，通威、愛康、彩虹等企業(yè)紛紛開建異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)能，且均規(guī)劃了GW級產(chǎn)能布局，熱度可見一斑。國內(nèi)廠商于2018年上馬諸多HJT電池廠能，一個重要原因是Sanyo的HIT電池基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)專利在2018年失去保護(hù)，他們將可以使用HIT電池結(jié)構(gòu)和相應(yīng)技術(shù)。

圖7 HJT產(chǎn)商規(guī)模