【深度】石墨烯太陽能電池前景分析

目前，能源消耗主要來自于化石燃料，由于化石燃料儲(chǔ)量有限以及所帶來的環(huán)境污染問題，人們開始把目光投向可再生能源。在諸如風(fēng)能、生物能、潮汐能、水力電氣和地?zé)岬拳h(huán)境友好、可再生的能源中，太陽能的應(yīng)用前景最為廣闊。伴隨著1954年第一個(gè)實(shí)用性的半導(dǎo)體太陽能電池的問世，標(biāo)志著太陽能電池的發(fā)展開始起步；而石墨烯是理想的太陽電池導(dǎo)電電極材料，通過在太陽能電池中引入石墨烯材料，有效地提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

　　基于太陽能電池行業(yè)發(fā)展的需求以及石墨烯修飾太陽能電池技術(shù)的研究進(jìn)展，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利分析普及推廣項(xiàng)目石墨烯電池課題組從石墨烯太陽能電池的專利布局、技術(shù)動(dòng)向、研發(fā)團(tuán)隊(duì)三個(gè)視角出發(fā)，對(duì)石墨烯太陽能電池技術(shù)進(jìn)行了深度剖析。

　　PART 1——專利布局

　　石墨烯太陽能電池技術(shù)的申請(qǐng)量在全球和中國增長迅速，專利布局以中國、美國、日本和韓國為主，美國、日本和韓國也在中國積極布局，江蘇、北京等省市是國內(nèi)申請(qǐng)的主要來源。

　　全球石墨烯太陽能電池的專利申請(qǐng)從2007年的3件，經(jīng)過5年的發(fā)展，迅速增加到了2012年的169件，整體呈現(xiàn)出迅速上升的態(tài)勢(shì)。中國石墨烯太陽能電池的年度專利申請(qǐng)量的增長態(tài)勢(shì)與全球類似，也是逐年穩(wěn)步上升。

　　石墨烯太陽能電池全球?qū)＠暾?qǐng)主要來自中國，其次是韓國、美國和日本，這表明石墨烯太陽能電池的主要市場國是中國、韓國、美國和日本。石墨烯太陽能電池中國專利申請(qǐng)中有37%是國外在華申請(qǐng)，主要來自美國、韓國、日本，這說明美、日、韓在中國積極進(jìn)行了專利布局。中國石墨烯太陽能電池專利申請(qǐng)的國內(nèi)申請(qǐng)人主要來自江蘇、北京等地區(qū)，而江蘇和北京正是相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)分布密集的地區(qū)關(guān)注，這說明石墨烯太陽能電池作為一項(xiàng)新興技術(shù)受到了國內(nèi)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和大專院校的廣泛關(guān)注。

　　PART 2——技術(shù)動(dòng)向

　　石墨烯在染料敏化電池和半導(dǎo)體薄膜電池等技術(shù)中的應(yīng)用是全球研發(fā)熱點(diǎn)，國內(nèi)的另一研發(fā)熱點(diǎn)——異質(zhì)結(jié)光伏電池可視為是中國特色。

　　如圖1所示，全球石墨烯太陽能電池專利技術(shù)主要集中在染料敏化電池、半導(dǎo)體薄膜電池、硅基電池技術(shù)，共有224項(xiàng)專利申請(qǐng)；其次是通用類太陽能電池，其包括可用于多類太陽能電池中的通用部件，共有197項(xiàng)專利申請(qǐng)；其余申請(qǐng)量比較大的還有有機(jī)聚合物類太陽能電池，共有57項(xiàng)。整體上來說，目前石墨烯太陽能電池的研究重點(diǎn)還是集中在染料敏化電池、半導(dǎo)體薄膜電池、硅基電池、以及可用于多類太陽能電池中的通用部件等方面。

　　中國石墨烯太陽能電池專利技術(shù)分布與全球?qū)＠夹g(shù)分布基本類似，但還存在一個(gè)明顯的差異，在國內(nèi)，異質(zhì)結(jié)光伏電池也具有較高的申請(qǐng)量，異質(zhì)結(jié)光伏電池共有20項(xiàng)。

　　就中國石墨烯太陽能電池專利申請(qǐng)的技術(shù)功效而言，如圖2所示，其中可以實(shí)現(xiàn)提高光電轉(zhuǎn)換效率目的的專利申請(qǐng)最多，其次是提高導(dǎo)電性和提高光吸收率的專利申請(qǐng)，然后是降低生產(chǎn)成本的專利申請(qǐng)，用于提高功率密度和短路電流的專利申請(qǐng)最少。雖然有較多的專利申請(qǐng)中石墨烯僅是作為一種可選的碳材料，但是石墨烯由于其具有眾多出色的性能，尤其是具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，在太陽能電池領(lǐng)域越來越受到研發(fā)人員的關(guān)注。

　　石墨烯修飾的染料敏化太陽能電池專利申請(qǐng)主要涉及光陽極的基底、光陽極的導(dǎo)電層/導(dǎo)電薄膜、對(duì)電極的基底、對(duì)電極的催化層、電解質(zhì);專利申請(qǐng)從2008年起步，在2010之后出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長。相關(guān)專利申請(qǐng)的技術(shù)原創(chuàng)國主要來源于四個(gè)國家或地區(qū)，分別是韓國、中國、美國和日本，而專利布局的目標(biāo)市場也主要是中國、韓國、美國和日本。授權(quán)比例較高，占已經(jīng)結(jié)案的專利申請(qǐng)量的78%，這表明石墨烯修飾的染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的專利申請(qǐng)具有較高的創(chuàng)新度。主要申請(qǐng)人是韓國的UNIV SEOUL IND COOP GROUP和KOREA INST SCI & TECHNOLOGY、中國的中科院，而最有影響力的申請(qǐng)人是三星集團(tuán)，其擁有石墨烯修飾的染料敏化太陽能電池的基礎(chǔ)專利US2009071533A1。

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