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一文了解高效率太阳能电池的发展现状与知识产权态势
【字体: 】  日期:19-03-12  来源:来自网络  热度:

近年来光伏产业发展迅速,中国的光伏产业出货量雄踞全球榜首多年。根据集邦咨询旗下新能源研究中心集邦新能源网EnergyTrend统计数据,2018年全球组件出货量达到95GW,较2017年下滑8%,五大整合厂(晶科、天合、晶澳、阿特斯、韩华)与两大硅片龙头厂(协鑫集成、隆基乐叶)组成的SMSL硅基组件联盟依旧占有举足轻重的地位。

中国的前十大厂的总出货量提升至65GW,占比接近全球总出货量的70%。2018年单晶组件总出货量占比约为48.5%;相当于46GW的出货量,同比2017年31.1%(32GW)有较大增幅。从EnergyTrend对于2019年全球需求量预估的110GW来看;单晶组件占比与出货量肯定会突破50%以上。

受2018年531新政以及PERC产品普及化与整体市场价格向下修正影响,性价比较高的单晶产品更受市场青睐,而且更多高效单晶电池新技术的开发也给光伏市场的技术更替打开了新的加速器。

为进一步提高单晶硅太阳电池的效率,近几年的研究工作主要集中于提高硅片质量来降低体缺陷,选择性钝化接触技术来降低表面和界面缺陷的影响,开发先进的减反技术或交叉指式背接触技术等以提高光的利用率,引入低电阻金属化技术降低串联电阻,以电池背面局部开孔较少栅线电极与c-Si的金属-半导体接触复合,优化PN结制备技术以及器件结构等。

自2014年至今,单晶硅太阳电池的转换效率得到连续突破。目前,最高效率是日本Kaneka公司创造的26.6%,其他效率达到或者超过25%的晶硅电池包括钝化发射极背面局部场接触(PERL)电池、交叉指式背接触(IBC)电池、硅异质结(SHJ)电池、交叉指式背接触异质结(HBC)电池、隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)电池、多晶硅氧化物选择钝化接触(POLO)电池等。目前转换效率超过25%的单晶硅太阳电池主要包括以下六种,具体参见表1。

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表1 转换效率超过25%的单晶硅太阳电池

从上表中,我们可以看到转换效率超过25%的单晶硅太阳电池新技术原创国均来自于欧美日等发达国家和地区,国内大型公司在部分技术上亦有较多的研发投入,国内产业规模优势如此巨大的情况下,技术储备处于弱势方的中国企业能否在国际上无知识产权风险进行市场开发呢?笔者选取以下几种技术进行技术态势和知识产权趋势进行简单梳理,期望能够为国内光伏产业提供一些有用信息,以飨读者。

一、IBC电池

IBC电池(全背电极接触晶硅光伏电池)将PN结和金属接触都设于太阳电池的背部正负,而面朝太阳的电池片正面采用SiNx/SiOx双层减反钝化薄膜呈全黑色,完全看不到多数光伏电池正面呈现的金属线,能够最大限度地利用入射光,减少光学损失,更高的短路电流这为使用者带来更多有效发电面积,外观上也更加美观。

作为IBC电池产业化领导者的美国SunPower公司已经研发了三代IBC太阳电池。2014年在N型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池的最高效率达到25.2%;而应用层选择性激光工艺来制造POLO-IBC电池,转换效率则可达到26.1%。天合光能公司一直致力于IBC单晶硅电池的研发,2018年2月自主研发的大面积6英寸(243.2cm2)N型单晶硅IBC电池效率被证实提高到25.04%。Sunpower的IBC量产平均效率可达23%。

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图1 IBC 太阳电池结构示意图

在知识产权保护方面,Sunpower和三洋-松下一直是光伏公司的翘楚。以Sunpower的专利态势为例:

1、全球申请趋势

Sunpower在全球一直在保持着持续的大量上升趋势,在2012年前后申请量持续增加,且其专利申请技术门类以H01L分类号下的太阳电池申请量为主,约占50%,还有大量关于H02S分类号下与光伏电站后端应应用相关申请、 H02J分类号下与储能、并网相关的技术的专利申请,以及其他分类号有关产业链上下游配套技术的专利申请。

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图2 全球申请技术趋势图

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图3 全球申请技术分布

Sunpower公司专利申请以美国为主,但是其专利申请在日本、韩国、中国、中国台湾、澳大利亚、欧专局国家等均有较大量的同族申请,其全球布局态势极其明显,涵盖了电池之后所有产业链条中下游的技术节点。

2、专利申请技术分布

Sunpower按照聚类主题的申请量来看,各主要主题下数量较大,电池、组件、阵列、并网系统,关键技术节点的发射极制作、新技术电池、光活性材料等大的细分技术布局较多。收购COGENRA 公司后叠瓦电池的基础专利申请和后续配套专利申请均大量展开,且以高达47个同族数的方式进行各个国家布局,其对新技术的专利扩张力度极强,对重点原创技术的保护力度极其强大。

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图4 Sunpower公开专利聚类主题专利数

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图5 Sunpower专利不同技术点分布图(包括关联单位)

紫色标注为合享高价值专利标记(大量)

3、IBC电池方面的专利

Sunpower公司分析了25%效率的IBC电池后发现,电池效率的主要损失在发射极复合和背部光学损失。针对IBC电池技术的发射极损失,Sunpower公司在背面制结和背部的图案化方面进行了大量的专利技术布局,且诸多的专利均在中美日欧等国家和地区进行同族申请,尽可能在大的市场范围内保护其技术。而国内光伏公司在新技术开发专利布局方面则有诸多畏首畏尾的情形出现,以致于新技术的开发保护在法律层面上来看并未有大的进展。

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图6 Sunpower公司IBC电池专利的重点技术点

二、HIT电池

异质结(hetero-junction with intrinsic thin-layer, HIT)太阳能电池是日本三洋公司1997年推出的一种商业化的高效电池设计和制造方法。异质结电池具有能量转换效率高、简单的低温制造工艺、薄硅片应用、温度系数和CTM低、可双面发电等一系列优势。经过Sanyo-Panasonic公司对本征a-Si∶H钝化层、背部场结构、高电导高透ITO、陷光结构、金属化栅线等关键技术的不断优化,在2013年将SHJ太阳电池效率提高到24.7%,在2014年将IBC技术与HIT技术结合,研发出的HIT-IBC太阳电池最高效率达25.6%。在国内,杭州赛昂的SHJ电池转换效率达到23.1%,中科院上海微系统与信息技术研究所N-CZ硅片制备的SHJ电池取得23.5%的效率。

异质结电池实现低成本量产的关键在于设备国产化、提高良率和产能以及降低硅片、低温银浆、TCO靶材和清洗制绒化学品等成本。日本松下、上澎、晋能、福建金石和中智电力等已实现异质结电池量产。2018年,通威、爱康、彩虹等企业纷纷开建异质结电池产能,且均规划了GW级产能布局,热度可见一斑。国内厂商于2018年上马诸多HJT电池厂能,一个重要原因是Sanyo的HIT电池基础结构专利在2018年失去保护,他们将可以使用HIT电池结构和相应技术。

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1.Sanyo-Panasonic的HIT专利态势

技术原创者会因为基础结构专利过期而让自身在该项产品的知识产权掌控力丧失么,答案无疑是否定的。相比Sunpower的知识产权大而全的布局方式,Sanyo-Panasonic的产品线单一,集中主要力量着力于核心的HIT产品结构的各功能结构层的质量提升和整体性能的提高。Sanyo-Panasonic在HIT电池技术上累计布局超过1000件专利,在2007-2012是其技术开发、专利保护的爆发时期,在本征a-Si∶H钝化层、背部场结构、高电导高透ITO、陷光结构、金属化栅线等关键技术的持续技术开发和大量的专利布局,使其在2013年转化效有极大的提升,并加强了在HIT电池专利组合上的绝对技术优势,国内厂商在进行HIT产品推广时,在技术爆发期和后续改进时期的相关技术专利将构成不可回避的高知识产权风险雷区。

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图 8 全球申请技术趋势图

2.专利申请的技术分布

Sanyo-Panasonic按照聚类主题的申请量来看,各主要主题下数量较大,除固有的技术开发外,低温金属化、沉积工艺优化,改善钝化层、光透过率高及导电性好的发射层材料、与其他高效电池技术结合的新技术等等都是其技术开发的新热点。

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图9 Sanyo-Panasonic专利不同技术点分布图

三、交叉指式背接触异质结(HBC)太阳电池

为了进一步提高单晶硅太阳电池转化效率,利用IBC电池高短路电流与SHJ电池高开路电压的优势,可结合成交叉指式背接触异质结(HBC)太阳电池,其结构示意图如图12所示。与IBC结构太阳电池相比,HBC太阳电池采用a-Si∶H作为双面钝化层取得更高的开路电压;与SHJ结构的太阳电池相比,采用SiN减反层取代TCO,减少光学损失能够取得更高的短路电流。

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图10 HBC 太阳电池结构示意图

日本Kaneka公司致力于单晶硅异质结太阳电池的研究,并与日本新能源技产业技术综合开发机构NEDO合作,2017年,将论文提交给《自然-能源》(NatureEnergy)杂志之后,他们又对研发的HBC太阳能电池进行了优化,达到了26.6%的转化效率电池,这一结果已经得到美国国家可再生能源实验室(NationalRenewable Energy Lab,NREL)的认可。该公司的HBC电(SHJ+IBC)前表面无金属电极,背部P、N层呈现有序规则的交错排列,大大降低了串联电阻Rs,且与P、N层接触相间的金属电极能够形成很好的欧姆接触,增大了短路电流。另外,优异的本征钝化层能够获取高的开路电压。这两大优势也决定了Kaneka公司能够相继取得世界晶硅电池的最高效率。

1.Kaneka的专利态势

相比于Sunpower公司和Sanyo-Panasonic公司,Kaneka公司是太阳电池行业的后起之秀,进入2009年之后其专利申请量较之前更进一个台阶,且其技术申请除日本之外,在欧美、中国等主要太阳电池技术、产业集中的国家和地区自始以来均有大量的专利布局,在技术开发的同时,也在进行着全面的知识产权布局。

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图11全球申请技术趋势图

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图12 全球申请技术分布

2.专利申请的技术分布

Kaneka公司在TCO光学膜和电极优化(如Ag电极上电镀Cu)降低了成本提高导电性,优质背面发射p-n区域注入制结、背面钝化方面有大量的技术专利,而背面有序规则的p-n区域交错排列技术,大大降低了串联电阻Rs,并通过优化接触性能和高质量成膜方面有大量的技术开发,在关键技术上布置了大量高价值专利。后发的竞争对手想要有效冲破技术重围,有大量的技术研究、专利布局工作亟待解决。

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图13 全球申请技术分布

小结

从实现高效电池产品的角度来说,SHJ电池及其与叉指背接触(IBC)技术结合的HBC电池,IBC背部与SHJ和TOPCon技术全钝化接触结合,能够在晶体硅太阳电池中取得更高的效率。在这些种类的太阳电池结构中,日、美公司牢牢占据着知识产权的制高点,从数量到质量,再到有针对性的专利组合布局,都是国内公司开展技术开发、新品上市绕不开的知识产权潜在风险,特别是在强知识产权保护时代来临的大背景下,技术后发企业更应学习技术先发企业的专利布局方式,在多种优势技术结合方面做更多的技术探索使新的技术能够得到有效的保护,才能在技术更迭、市场波诡云谲时杀出重围无风险抢占市场优势。

 

 
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