目前广泛研究的新型光伏电池包括有机光伏电池、钙钛矿型光【guāng】伏电池、量子点【diǎn】光伏电池等，其中有【yǒu】机【jī】光伏电池【chí】在【zài】今年连续取得重大【dà】突破，有望率先【xiān】实现商业化应用。本文将基于专利数【shù】据分析，对有机光伏电【diàn】池技术发【fā】展趋势【shì】与【yǔ】现状进行【háng】梳理。
1、技术简介
有机光伏电【diàn】池由有机材料【liào】构成核心部分，是以有机半导【dǎo】体作为实现光电【diàn】转换【huàn】活性材【cái】料【liào】的光伏电池【chí】。其具有以下优点。
(1)原料廉价【jià】。与无机【jī】光伏电【diàn】池相【xiàng】比，有机半【bàn】导体原料【liào】来源更广泛和廉价，更易于大量【liàng】制造。
(2)工艺简单。有机物提【tí】纯加工简【jiǎn】便，易【yì】与油墨混合，可【kě】以通过蒸镀、涂覆、喷涂或印刷等多种方式【shì】生产【chǎn】。
(3)环境友【yǒu】好。生产过【guò】程中不涉及有毒物【wù】质，对环境污染远【yuǎn】低于无机光伏【fú】材料，生产中的能耗也更【gèng】低。
(4)柔性电池【chí】。有机【jī】材料可以设置于塑【sù】料、陶【táo】瓷【cí】等多种柔性或非柔【róu】性【xìng】衬底，可【kě】制造大面积、超薄的柔性光伏电池【chí】。
图1. 柔性有机光伏电池
(5)半透明【míng】电池。有机光伏电池可【kě】制【zhì】成具【jù】有较高透光度的半透明电【diàn】池，并可【kě】施加多种【zhǒng】颜色。
图2. 半透明有机光伏电池
虽然具有以上这些优点，但是有机【jī】光伏电池存在的【de】两大【dà】缺点严【yán】重限制了其【qí】商【shāng】业化应用【yòng】。
(1)转化效率低。由于有机材料【liào】载流子【zǐ】迁【qiān】移率低【dī】，且有机【jī】半【bàn】导体吸收光谱与【yǔ】太阳光谱不够匹配，使得其【qí】光电转化效【xiào】率较低。
(2)耐久【jiǔ】性不足。有机半导体材【cái】料在氧气【qì】和水存在条【tiáo】件【jiàn】下稳定性不足，难以实【shí】现较长【zhǎng】使用寿命。
2、专利数据分析
基于Incopat专利数据【jù】库，截止9-21共【gòng】检索到全球范【fàn】围内涉及【jí】有机【jī】光【guāng】伏电池的专利申【shēn】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【jī】光伏电池虽【suī】然是一【yī】种新型【xíng】电池，但其实它的历史与晶【jīng】体硅光伏电池差不【bú】多，晶体【tǐ】硅电池【chí】诞生于1954年，而有【yǒu】机光伏电池诞生于【yú】1958年。但初期的有机光伏电池光【guāng】电【diàn】转化效率太低【dī】，所以直到1969年【nián】才有【yǒu】相关的【de】专利申请出【chū】现，随【suí】后申请量【liàng】一直【zhí】极【jí】少【shǎo】。随着1980年新结构有机光伏电池的出现，相关专利【lì】申请量有了一定增加，但依然较低。1990年【nián】新受体材料与新【xīn】型结构的应用【yòng】使得有机光伏电池的转化效率取得突破【pò】性进展，相关【guān】专【zhuān】利申请量开【kāi】逐渐增加。
在2000年导【dǎo】电【diàn】高分子材料获【huò】得诺贝尔【ěr】奖后【hòu】，有机半导【dǎo】体材料也开始迅【xùn】速发展【zhǎn】，有机光【guāng】伏电池专利【lì】申请量开始呈现快速【sù】增长【zhǎng】趋势，至2013年专利申请量达到803项/年【nián】的峰值。随后几年，专利申请量出现一定下滑趋势(由【yóu】于【yú】专【zhuān】利申请【qǐng】公【gōng】开的【de】滞后，2017年数据尚不【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【jiā】/地【dì】区分布来看，中【zhōng】国、日本、韩国、德【dé】国和美国占【zhàn】据了全球相关专利【lì】申请【qǐng】的逾87%，是有【yǒu】机光伏电池技术的【de】主要研发地。其中日本、德国和美国【guó】早在20世【shì】纪9-21年代便已【yǐ】有专利申请【qǐng】，而中国【guó】和韩国起步较晚，2000年左【zuǒ】右才有相关【guān】专利【lì】申请，但发展势头【tóu】迅猛。
(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【quán】球专利申请量居前的11位【wèi】申请人【rén】中，包括了德国【guó】的默克、巴斯夫和欧【ōu】司朗，韩【hán】国的LG、三星和【hé】第一毛织，日本【běn】的【de】三菱、柯尼【ní】卡美能达和住友【yǒu】，以及中国的海洋王和中【zhōng】科院化【huà】学所。由此也可以看出德【dé】韩【hán】日【rì】中四国在专利【lì】申请数量上的【de】优势地【dì】位。美国虽然没有申请【qǐng】人进入【rù】前11，但【dàn】多位美国【guó】申请人的申请量都较【jiào】大，只是相对【duì】分散不够【gòu】集中。
图6. 有机光伏电池中国申请人专利申请量排名
通过统计申请量居前的申请人【rén】类型还可以发【fā】现，国外申请人包括有【yǒu】企业和高校/科研院所，但以企业为主【zhǔ】，且申请【qǐng】量居前的都【dōu】是企业【yè】;而中国【guó】申请人【rén】中【zhōng】，除【chú】海洋王【wáng】和彩虹【hóng】集团外，全部为【wéi】高校/科研院所，由此可【kě】见国内企业在此领域【yù】的研究投入以及专利保护亟待【dài】加【jiā】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【le】评【píng】价专利申请【qǐng】的重要程度，我们【men】选取了家【jiā】族被【bèi】引证次数超过100次【cì】的【de】专利【lì】申请，并统计了其来【lái】源国家/地区。通过上面表【biǎo】格可以看出，有机光伏电【diàn】池全球重【chóng】要【yào】专利申请中，源自于【yú】美国的申请【qǐng】数量遥遥领先，占据了全部重要专利申请的【de】近40%，可【kě】见【jiàn】美国在有机光伏电池专【zhuān】利【lì】技术上强大的优势地位。在重要【yào】专利申请中，源自【zì】德【dé】国【guó】和日本的申请也占据【jù】了较大比例，韩国、英国【guó】和欧洲专利局也各有【yǒu】近10项重要专利【lì】申请【qǐng】。
而【ér】在【zài】相关【guān】专利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【cì】。仅有【yǒu】三项【xiàng】中【zhōng】国专利申请的【de】家族【zú】被引证次数超过了50次【cì】，其中【zhōng】前两项【xiàng】来【lái】自中科【kē】院【yuàn】应化所(权利【lì】人为【wéi】应化所下设【shè】的【de】常州储能材料与器件研究院)，另一项来自于中国台【tái】湾企业长兴化学。这虽然有【yǒu】中国专利多数为近年申【shēn】请、且同族数量少等客观因素的【de】影响，但专利申请质量与国外的【de】差距才是中国【guó】申请人【rén】应当【dāng】正视的主要问题【tí】。
3、专利技术发展趋势分析
1958年制备的第一个有机光电【diàn】转化器件，光电转化效率低到制造者都不愿提【tí】及。低转化效率一【yī】直是阻【zǔ】碍有机【jī】光伏电【diàn】池应用【yòng】的【de】主要因素。由此，有【yǒu】机光伏电池技术【shù】演进的主【zhǔ】要【yào】目标就是有【yǒu】效提升光【guāng】电转化效率，其专【zhuān】利【lì】技术大【dà】概经历了【le】以下几【jǐ】个发展阶【jiē】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【qián】的有【yǒu】机光伏电池都是肖特基型机构【gòu】，即把有机【jī】半导【dǎo】体染料设置于【yú】两电极基板中间形成夹心式单层结构【gòu】。有机【jī】半【bàn】导体染【rǎn】料受光【guāng】激发形成激子实现正【zhèng】负电荷分离【lí】，激【jī】子向电极迁移形成【chéng】光电【diàn】流。
然而激子【zǐ】在有机半导体染料内的迁移距离通常小于10纳米，因此绝【jué】大多数激子【zǐ】尚未【wèi】迁移至电极即正负【fù】电荷复合而【ér】消失，导致此类【lèi】型光伏电【diàn】池的转化【huà】效率极低【dī】。US4164431A、US3844843A与US3900945A等都【dōu】属于肖特基型有【yǒu】机【jī】光【guāng】伏电【diàn】池专利【lì】申请。肖特基型【xíng】光伏电池的【de】光电转化效率通常不超过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年起，美籍华【huá】裔【yì】邓青云博士开【kāi】创了【le】双层异质结结【jié】构的有机光伏电池。其思路就是【shì】利用两种不【bú】同的有机半导体材【cái】料来【lái】模仿晶体硅【guī】异质结结构，即将两层【céng】不同的有机半【bàn】导体【tǐ】材料设置于两电极基【jī】板中间形成双层结【jié】构。
在受【shòu】到光【guāng】激发后，两层有机材【cái】料层分别成为给出电子【zǐ】的【de】给体和得【dé】到【dào】电子的受体，从【cóng】而实现正负电荷分离。由于【yú】正负电荷【hé】分【fèn】离于不同的层，复合消失几率【lǜ】大为减少，但是鉴于有机【jī】材料的电子传输效率【lǜ】太差，其转化效率【lǜ】依然【rán】较低，通常为9-21%。US4684761A与FR2583222B1等【děng】都属于双层异质【zhì】结型有机【jī】光伏【fú】电池专利申请。
(3)混合异质结型结构
1990年提出了【le】混【hún】合异【yì】质结(也称：体异质结【jié】)结构【gòu】。该结构是将原本分别平铺的两层半【bàn】导体材料【liào】混合起来，通过共蒸、旋涂等方法制成混合膜，使给体与【yǔ】受体同【tóng】处于【yú】该混合膜层内。由于正负电荷【hé】分【fèn】离是【shì】发生于【yú】给体与受体材【cái】料【liào】的界面上【shàng】，而混合异质【zhì】结结【jié】构【gòu】极大地增加【jiā】了该界面【miàn】数量，从而使【shǐ】得正【zhèng】负电荷分离的效【xiào】率大幅提升【shēng】。在1990年【nián】之后申请的相关专利，大都采用了混合【hé】异质结结构，例如【rú】CN102714277A、US20050061363A1与JP2006032636A，该结构使得有机光【guāng】伏【fú】电池的转化效【xiào】率进一【yī】步提高【gāo】。
(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【jī】半导体光激【jī】发后形成的正负电荷的复合问题【tí】，是导致转化效率【lǜ】无法有效提升的重要原因之【zhī】一。1992年【nián】研究【jiū】人员发现，激发态电子能极快【kuài】地【dì】从有机半【bàn】导体【tǐ】注入【rù】到富勒烯(C60)分【fèn】子中，脱离C60分【fèn】子却慢得多【duō】。也就是说，采用C60作为受体材料，激子可以【yǐ】实现高效的电荷【hé】分【fèn】离，且分离后【hòu】电荷【hé】不易【yì】重【chóng】新复合。该技术申请了专利(US5331183A)，专利族被引证次【cì】数高【gāo】达【dá】330次。
由此开【kāi】始【shǐ】，富【fù】勒烯与改【gǎi】性富勒烯广泛应用于有机光伏电池，光电转化【huà】效率也得以快速提高。采用富【fù】勒烯受【shòu】体的混【hún】合异质【zhì】结型有【yǒu】机光【guāng】伏电【diàn】池【chí】，光【guāng】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】体迅速提高【gāo】了有机光【guāng】伏电【diàn】池的转化【huà】效率，但是其【qí】也存【cún】在可见光区吸收弱、长期稳定性差等缺点。2010年【nián】之后，非富勒烯小分子【zǐ】受体材料开始【shǐ】逐步受到关注。非富【fù】勒烯受体材料具【jù】有带隙、能级、平面性【xìng】和结晶【jīng】性可【kě】调节性强等优点，可以拓宽【kuān】光吸收范围【wéi】并增强稳定性。
近三年【nián】非富【fù】勒烯受【shòu】体材料【liào】发展迅【xùn】速，有机光【guāng】伏电池的光电转化效率突破10%，可【kě】达【dá】13%。今年4月，美国密歇根大学将溶液加【jiā】工法制【zhì】备的基于非富勒烯受体的红外吸收电池与真空蒸【zhēng】镀法【fǎ】制备【bèi】的基于【yú】富勒烯受体的【de】可【kě】见光【guāng】吸收【shōu】电池叠在一【yī】起，实现了15%的能量转换效率。10月，南开大学【xué】陈永【yǒng】胜团队采用透过串联方式将【jiāng】两种不同【tóng】的有【yǒu】机【jī】材料层【céng】结合在一【yī】起【qǐ】，实现了转换效率高达17.3%的【de】有机光【guāng】伏电池【chí】，已达到甚至超过了【le】目前商业化应【yīng】用【yòng】的【de】多【duō】晶【jīng】硅光【guāng】伏电池。密歇根大学【xué】与南开大学团队均在非富勒烯有机光伏电池【chí】方面有【yǒu】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】电池是新型光伏电【diàn】池中受关注度【dù】最高【gāo】，研究最为广泛的类型【xíng】，其具有【yǒu】以下几方面的发【fā】展机遇。
(1)成本低廉、工【gōng】艺简单环保等【děng】方【fāng】面【miàn】优势明显，“性价比”突出【chū】，在市场对【duì】于生产过程环【huán】保以及【jí】低【dī】成本的要求【qiú】不断提升后，其【qí】市场潜力巨大。
(2)轻质【zhì】、柔【róu】性、半透明的有机光伏【fú】材料可广泛应用于建筑、汽【qì】车【chē】、服饰、移【yí】动设备等众多领【lǐng】域【yù】。
(3)在非富勒烯受体【tǐ】技【jì】术【shù】阶段，中【zhōng】国高校/科研院所近年【nián】获得了【le】较多的【de】研究成果并给予了专利保护，在最新技术上【shàng】中国【guó】处【chù】于较为领先的地位【wèi】。
但同【tóng】时，我【wǒ】们也应【yīng】当【dāng】看到未来的有【yǒu】机光伏【fú】电池产业在发展过【guò】程中仍然面临挑战。
(1)高效率【lǜ】的实验室产【chǎn】品转化为商业【yè】化产品仍需较长时间，其间【jiān】还【hái】存在许【xǔ】多不【bú】确定的变化。
(2)国外【wài】巨头【tóu】企业【yè】已经在相关领域布局了较多的专利【lì】，特【tè】别是【shì】在有机半【bàn】导体活性【xìng】材料、受体【tǐ】材料、有机导电材料等基【jī】础材料【liào】方面，后来【lái】者需要面对【duì】一定的专利技术【shù】壁垒。
(3)国内企业【yè】在相关技术的【de】研【yán】发和专利保护上力度不足【zú】，在未来的技术【shù】竞争和商【shāng】业【yè】竞争中可【kě】能会处于劣【liè】势。
对于尝【cháng】试进入【rù】有机【jī】光【guāng】伏电池产【chǎn】业的机构，根据专利数据与专利【lì】技术的分析结果给出如下两点建议：
(1)鉴【jiàn】于国【guó】内高校/科研院所在【zài】相关领域较强的研究能力以【yǐ】及【jí】数量较多的【de】专利申请，可以【yǐ】选【xuǎn】择与高校【xiào】/科研院所开【kāi】展合作。
(2)国内目前涉【shè】及有机光伏电池研发制【zhì】造的企业较多【duō】，但拥【yōng】有专利技术的企业【yè】较【jiào】少，在选取投资标【biāo】的时需特【tè】别【bié】关注【zhù】其技术能力。
