目前广泛研究的新型光伏电池包括有机光伏电池、钙钛矿型【xíng】光伏电【diàn】池、量子点【diǎn】光伏电池【chí】等，其中有机光伏【fú】电池【chí】在【zài】今年连续取得重【chóng】大突破【pò】，有望率先实现商业【yè】化应用。本文将基于【yú】专利数据分析，对有机光伏电池技术发展趋势【shì】与现状进【jìn】行【háng】梳理。
1、技术简介
有机光伏电【diàn】池由有机材料构成【chéng】核心部分，是以有机半导体【tǐ】作为实现光电转【zhuǎn】换【huàn】活性材料的光伏电【diàn】池。其具有【yǒu】以下优【yōu】点。
(1)原料廉【lián】价。与【yǔ】无机光伏电池相【xiàng】比，有机【jī】半导体原料来源更广泛和廉价，更易于大量【liàng】制【zhì】造。
(2)工艺简单。有机物【wù】提纯加【jiā】工简便，易与油墨【mò】混合【hé】，可以通过【guò】蒸镀【dù】、涂覆、喷【pēn】涂【tú】或印刷等多种【zhǒng】方式生产。
(3)环境友好【hǎo】。生产过程中不涉及【jí】有毒物质，对环境污染远低于无机光伏【fú】材料，生【shēng】产【chǎn】中的能【néng】耗也更低。
(4)柔性【xìng】电【diàn】池。有机【jī】材料可以设【shè】置于【yú】塑【sù】料、陶瓷等多【duō】种柔【róu】性或非柔性衬底，可制造【zào】大面积、超薄的柔性光伏电池。
图1. 柔性有机光伏电池
(5)半透明【míng】电池。有机光【guāng】伏电池可制成具【jù】有较高【gāo】透光度的半透明【míng】电池，并可施加多【duō】种颜色【sè】。
图2. 半透明有机光伏电池
虽【suī】然具有以上这些优点，但是【shì】有机光伏电池存在的两【liǎng】大缺点严【yán】重限【xiàn】制了其【qí】商业【yè】化应用。
(1)转化效【xiào】率低。由于【yú】有【yǒu】机材料【liào】载流子迁移率低，且【qiě】有机半导体【tǐ】吸收光谱与太阳光【guāng】谱【pǔ】不【bú】够匹配，使得其光电转化效率较低。
(2)耐久【jiǔ】性不足【zú】。有机【jī】半导体材【cái】料在氧【yǎng】气和水存【cún】在条件下稳定性不足，难以实现较【jiào】长使用寿【shòu】命。
2、专利数据分析
基于【yú】Incopat专利数据库，截止9-21共【gòng】检【jiǎn】索到全【quán】球范围内【nèi】涉及有机光伏电池的专利申请6655项。
(1)申请量趋势分析
图3. 有机光伏电池全球专利申请量趋势
有机光伏电池虽然是一【yī】种新型电【diàn】池，但其实【shí】它的历史与【yǔ】晶体硅【guī】光伏【fú】电【diàn】池差不多【duō】，晶体硅电池诞生【shēng】于1954年，而【ér】有机光伏电池诞【dàn】生于1958年。但【dàn】初【chū】期的有机【jī】光伏电池光电转化效率太低，所【suǒ】以直【zhí】到1969年才【cái】有相关的【de】专利申请【qǐng】出【chū】现，随后申请量一直极少。随着1980年新结构有机光【guāng】伏电池的出现，相【xiàng】关【guān】专利【lì】申请量【liàng】有了一定增加，但【dàn】依然较低。1990年新受体材料与新型结构的应【yīng】用【yòng】使得【dé】有机光伏【fú】电池的转化【huà】效率取得【dé】突破性进展，相关专利申请量开逐渐增加。
在2000年导电高分子材料获得【dé】诺贝尔奖后，有【yǒu】机【jī】半导体材料也开【kāi】始迅【xùn】速发展，有【yǒu】机【jī】光伏电【diàn】池专利申请量开始呈现快速【sù】增【zēng】长趋【qū】势，至2013年专利申【shēn】请量达到803项【xiàng】/年【nián】的峰值。随后【hòu】几年，专利申请【qǐng】量出现一定下滑趋势(由于专利【lì】申请公【gōng】开的滞后【hòu】，2017年数据尚【shàng】不【bú】完善，仅供参考)。
(2)申请来源地分析
图4. 有机光伏电池全球专利申请来源国家/地区分布
从来源国家/地区【qū】分布来【lái】看，中国、日本、韩国、德国和美国占据了全【quán】球相关专利【lì】申请【qǐng】的逾87%，是有机光伏电【diàn】池技术【shù】的主要研发地【dì】。其中日【rì】本、德国【guó】和【hé】美国【guó】早【zǎo】在【zài】20世纪【jì】9-21年代便已有专【zhuān】利申【shēn】请【qǐng】，而中国和韩国起步较晚，2000年左右才有相关专利申请，但发展势头迅猛【měng】。
(3)申请量排名分析
图5. 有机光伏电池全球专利申请量排名
在全球【qiú】专利申请量居前的11位申【shēn】请人中，包括了德国的默克、巴斯夫和欧司朗，韩国【guó】的LG、三【sān】星和第一毛织，日本的三菱、柯【kē】尼卡美能达和住友【yǒu】，以及中国【guó】的海【hǎi】洋【yáng】王和【hé】中科【kē】院化学【xué】所【suǒ】。由【yóu】此【cǐ】也可以看出德韩【hán】日中四国【guó】在专利申【shēn】请数量【liàng】上的优势地【dì】位。美国虽然没有申请人进入前【qián】11，但多【duō】位美【měi】国申请人的【de】申请【qǐng】量都较大，只是相对分散不【bú】够集中。
图6. 有机光伏电池中国申请人专利申请量排名
通过统计申请量【liàng】居【jū】前的申请人类型还【hái】可【kě】以发现，国外申请人包括有企【qǐ】业【yè】和高校/科研院所，但以企业为主【zhǔ】，且申请【qǐng】量居【jū】前【qián】的都是【shì】企业;而中国【guó】申【shēn】请人中，除海洋王和彩虹集团外，全部为【wéi】高校/科研院所，由此【cǐ】可见国内企业在此领【lǐng】域的研究投【tóu】入以及【jí】专利保护亟【jí】待加强。
(4)重要申请来源地分析
表1. 有机光伏电池全球重要专利申请来源地排名
为了评价专利申请【qǐng】的重要程度【dù】，我们【men】选取了家族被【bèi】引证次数【shù】超过【guò】100次的【de】专利【lì】申请，并统计了其来源国家/地【dì】区。通过上面表格【gé】可以看【kàn】出，有机【jī】光伏电【diàn】池全【quán】球重要专【zhuān】利申请中，源自于美国的申请数量【liàng】遥遥【yáo】领先，占据了全部重要专利【lì】申【shēn】请的近40%，可见美【měi】国在有【yǒu】机【jī】光伏电【diàn】池专利技术上强大的优势地位。在重要【yào】专利申请中，源自德国和日本的申请也占【zhàn】据了较大比【bǐ】例，韩国【guó】、英国和欧洲专利局也各【gè】有近10项重要专【zhuān】利申请。
而在相【xiàng】关专【zhuān】利【lì】申请量排名首位的中国，却没【méi】有一项专利申请【qǐng】的被引证次数超过100次。仅有三项中国专利【lì】申请的家族被【bèi】引证次数超过了50次，其中前两【liǎng】项来自中科院应化所(权【quán】利人为应化【huà】所下设的常州储能材料与器【qì】件【jiàn】研究院)，另一项来【lái】自于中国【guó】台湾企业【yè】长兴化【huà】学。这【zhè】虽然有中国专利【lì】多【duō】数为近年申请、且同族数量少【shǎo】等客观【guān】因素的影响，但专【zhuān】利申请【qǐng】质量与国外的差距才是中【zhōng】国【guó】申请人应当【dāng】正视的主要【yào】问【wèn】题。
3、专利技术发展趋势分析
1958年制备的第一【yī】个有【yǒu】机光【guāng】电转【zhuǎn】化【huà】器件，光电转化效率低到制造【zào】者都不愿提【tí】及【jí】。低转化效率一【yī】直是阻碍【ài】有【yǒu】机光伏电池应用的【de】主要【yào】因素。由【yóu】此，有机光【guāng】伏电【diàn】池技术演进的主要目标就是【shì】有效提升光电【diàn】转化效率【lǜ】，其专利技术大概经历了以下几个发展阶段。
(1)肖特基型结构
图7. 肖特基型有机光伏电池结构示意图
1980年以前的有机光伏电池都是【shì】肖特基型机构，即把有机半导体染【rǎn】料设置于【yú】两【liǎng】电极基板中间形成【chéng】夹心式单【dān】层结【jié】构。有机半【bàn】导体染料【liào】受光激【jī】发形成激【jī】子实现正负【fù】电【diàn】荷【hé】分离，激子向电极迁移形成光【guāng】电流。
然而激子在有机半导体染料内的迁【qiān】移【yí】距离通常小于10纳米，因【yīn】此绝大多数【shù】激子尚未迁移至电【diàn】极即正负电荷复【fù】合而消失，导致此类【lèi】型光伏【fú】电【diàn】池的转化效率极低。US4164431A、US3844843A与US3900945A等【děng】都属于【yú】肖特基型有【yǒu】机光伏【fú】电池专利【lì】申请。肖【xiāo】特基型光【guāng】伏电池的光【guāng】电转化【huà】效率通常不【bú】超过【guò】1%。
(2)双层异质结型结构
图8. 邓青云博士与双层异质结型有机光伏电池结构示意图
1980年【nián】起，美【měi】籍华裔邓青【qīng】云博士开创【chuàng】了双层异质结结构的有【yǒu】机光【guāng】伏电池。其思路就是利用两种不同的有机【jī】半导体【tǐ】材料【liào】来【lái】模仿晶体硅异质【zhì】结结构，即将两【liǎng】层不同的有【yǒu】机半导体材料设置于两电【diàn】极基板中间形成双层【céng】结构【gòu】。
在受到【dào】光激发后【hòu】，两层有机材料层分别成为给出【chū】电子的给【gěi】体和得到电子的受【shòu】体，从而实现【xiàn】正负电荷分离。由【yóu】于正负电荷分【fèn】离于【yú】不同的层，复【fù】合【hé】消失几率大为【wéi】减少，但是鉴于有【yǒu】机【jī】材料的电子【zǐ】传输【shū】效率太差，其转化效率依【yī】然较【jiào】低【dī】，通常【cháng】为9-21%。US4684761A与FR2583222B1等都属于【yú】双【shuāng】层异质结【jié】型有机光伏电池专利申请。
(3)混合异质结型结构
1990年提出【chū】了混合异【yì】质结(也称：体异质结)结【jié】构。该结构【gòu】是将原本分别平铺【pù】的两层半导体【tǐ】材料混合起来，通过共蒸、旋涂等方法制成【chéng】混合膜，使给【gěi】体与受【shòu】体【tǐ】同处【chù】于该混合膜【mó】层内【nèi】。由于【yú】正负电荷分离是发生【shēng】于给体与【yǔ】受体材料【liào】的界面上，而混合【hé】异质结结构极【jí】大地【dì】增加了该界面【miàn】数量，从而使得正负【fù】电荷分离的效【xiào】率大幅提升【shēng】。在1990年【nián】之后申【shēn】请的相关专利，大都采用了混【hún】合【hé】异质结结【jié】构，例如CN102714277A、US20050061363A1与JP2006032636A，该结【jié】构使得有机光伏电池的转化效率进一步提高。
(4)富勒烯受体
图9. 应用于有机光伏电池的C60及其衍生物
有机半导【dǎo】体光激【jī】发后形【xíng】成的【de】正负电荷的复合问题【tí】，是导致转化【huà】效率无法【fǎ】有【yǒu】效提升的重要【yào】原因之一。1992年研究人员发现，激【jī】发态电子能极【jí】快地从有机半导体注【zhù】入【rù】到富勒烯(C60)分子中，脱【tuō】离【lí】C60分子却【què】慢得多。也就【jiù】是【shì】说，采用C60作为受体材料，激【jī】子可以实现高【gāo】效的电荷【hé】分离，且分离后电荷不易重新复合。该技术【shù】申请了【le】专利【lì】(US5331183A)，专利族被引证次数高达330次。
由此开始，富勒烯【xī】与【yǔ】改性富勒烯广【guǎng】泛【fàn】应用于有机【jī】光【guāng】伏【fú】电池，光电【diàn】转化效【xiào】率也【yě】得以快速提高【gāo】。采用富勒烯受体的混合异质结型有【yǒu】机光伏电池【chí】，光电转化效率迅速提升至5%-10%。
(5)非富勒烯受体
尽管富勒烯受【shòu】体迅速【sù】提【tí】高了有【yǒu】机光伏电池【chí】的【de】转【zhuǎn】化效率，但是其【qí】也存在可见光【guāng】区吸收【shōu】弱【ruò】、长期稳【wěn】定性差等缺点。2010年之【zhī】后，非富勒烯小分子受体材料【liào】开始逐步【bù】受【shòu】到关注。非【fēi】富勒烯受体材料具有带隙、能【néng】级、平面性和【hé】结晶【jīng】性可【kě】调节性强等优【yōu】点，可以拓宽光吸收范围并增强稳定性。
近三年非富勒烯受体材料发展迅速，有机光伏电池的光电转化效率突破10%，可达13%。今年4月【yuè】，美国【guó】密歇根大学将溶【róng】液【yè】加工法【fǎ】制备【bèi】的基于【yú】非富【fù】勒【lè】烯【xī】受体的红【hóng】外吸收电池与真空蒸镀法制【zhì】备的基【jī】于富勒【lè】烯【xī】受体的可【kě】见光吸收电池叠在一起，实现了15%的能量转换效率。10月，南【nán】开大学【xué】陈【chén】永【yǒng】胜团队【duì】采用透过【guò】串联方式【shì】将【jiāng】两【liǎng】种不【bú】同的有机材料层结【jié】合在一起，实现了转换效率高【gāo】达17.3%的有【yǒu】机光伏电池，已达到甚至超过了【le】目前【qián】商业化应用【yòng】的多晶硅光伏电池。密歇根大学与【yǔ】南开大学团队均在【zài】非富勒【lè】烯有机光伏电池方【fāng】面【miàn】有多项专利申请。
图10. 陈永胜团队的高转化率有机光伏电池结构示意图
4、机遇、挑战与建议
有【yǒu】机光伏【fú】电【diàn】池是新型光伏电池中【zhōng】受关注度最高，研究【jiū】最【zuì】为广泛的【de】类型，其具有以下几方面【miàn】的发展机遇。
(1)成本低【dī】廉、工艺简单【dān】环保等方面优【yōu】势明显，“性价比”突出【chū】，在市场对于生产过程环保以及低【dī】成本的要【yào】求不断【duàn】提升后，其市【shì】场潜力巨【jù】大。
(2)轻【qīng】质、柔性、半透明的有机光伏【fú】材料可广泛应用于【yú】建【jiàn】筑、汽车、服饰【shì】、移【yí】动设【shè】备等众多领域。
(3)在非【fēi】富勒烯受体技术阶段，中国高【gāo】校【xiào】/科研院所近年获得【dé】了较【jiào】多【duō】的研究成【chéng】果【guǒ】并【bìng】给予了专利保护，在【zài】最新技术上中国处于【yú】较为领先的地位。
但【dàn】同时，我们也应当看到未【wèi】来的有【yǒu】机光【guāng】伏电池产【chǎn】业在发展过程中仍【réng】然【rán】面临挑战。
(1)高效率的实验室【shì】产品转化【huà】为商业化产【chǎn】品【pǐn】仍需较长时间，其间还存【cún】在【zài】许多不确定的变化。
(2)国外【wài】巨【jù】头企业【yè】已经在相【xiàng】关领域布局了【le】较多的专利【lì】，特【tè】别是在有机半导体活性材料、受体【tǐ】材【cái】料、有机导电材料等基【jī】础材料方面，后【hòu】来者需【xū】要【yào】面对一定的专利技术壁垒。
(3)国内企业在【zài】相关技术的研发【fā】和专【zhuān】利保护【hù】上力【lì】度不足，在【zài】未来的【de】技术竞争和商业竞争中可能会处【chù】于劣势。
对于尝试进【jìn】入【rù】有【yǒu】机光【guāng】伏电池产业的机【jī】构，根据专利【lì】数据与专利技术的【de】分析结果给出如下两点建议：
(1)鉴于国内高校【xiào】/科研院所在相关领域较强的研究能【néng】力以【yǐ】及数量较多的专利申【shēn】请，可以选择与高校【xiào】/科研院所【suǒ】开【kāi】展合【hé】作。
(2)国【guó】内目前涉及有机光伏【fú】电【diàn】池研【yán】发制造的企业较多，但拥有专利技【jì】术的企业较少，在选取投资标的时需特【tè】别【bié】关注其技【jì】术能力【lì】。
