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【fú】电池、量子【zǐ】点光伏电池【chí】等，其中有机光伏【fú】电池在【zài】今年【nián】连续【xù】取得重大突破，有望率【lǜ】先实现商【shāng】业化【huà】应用。本文将基于【yú】专利【lì】数据分析，对有机光伏电池技术发展趋势与现状进行梳理【lǐ】。
1、技术简介
有机光【guāng】伏电池由有机材【cái】料【liào】构成核心部分【fèn】，是以有机半导体作为实现光电转换活性【xìng】材【cái】料【liào】的光【guāng】伏【fú】电池。其具有以【yǐ】下优点。
(1)原料廉价。与无机光伏电【diàn】池相比【bǐ】，有机半【bàn】导体原料来源【yuán】更广【guǎng】泛和廉【lián】价，更易于【yú】大量制造。
(2)工艺【yì】简单。有机物提【tí】纯加工简便，易与油【yóu】墨混合，可以通【tōng】过蒸镀、涂覆【fù】、喷涂【tú】或印刷等多种方式生产。
(3)环境【jìng】友好【hǎo】。生产【chǎn】过程中【zhōng】不涉及有毒物质【zhì】，对环境污染远低于无【wú】机光伏材料，生产中【zhōng】的能耗也更低。
(4)柔性电【diàn】池。有机【jī】材料可以设置于塑料【liào】、陶瓷等多种柔性或【huò】非柔性衬【chèn】底，可制造大面积【jī】、超薄【báo】的柔性【xìng】光伏【fú】电池。
图1. 柔性有机光伏电池
(5)半透明电池。有机【jī】光伏【fú】电【diàn】池可制成具有较高透光度【dù】的【de】半透【tòu】明【míng】电池，并可施加多种颜色。
图2. 半透明有机光伏电池
虽然具【jù】有以上【shàng】这些优点，但【dàn】是【shì】有【yǒu】机光伏电池存在的两大缺点【diǎn】严重限制了其商业化应用【yòng】。
(1)转化效【xiào】率低【dī】。由【yóu】于有机材【cái】料载流子迁移【yí】率低，且有机【jī】半导体吸收光谱与太阳光谱不够匹配【pèi】，使得其光电【diàn】转化效率较低。
(2)耐久性不足。有机【jī】半导【dǎo】体材料【liào】在氧气和【hé】水存在【zài】条件下【xià】稳定【dìng】性不足，难以实现较长使用寿【shòu】命。
2、专利数据分析
基于Incopat专利【lì】数据【jù】库，截止9-21共【gòng】检【jiǎn】索到【dào】全球范围内涉及有机光伏电池的专利【lì】申请【qǐng】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【rán】是一种新型电池，但其【qí】实它的历史【shǐ】与晶体硅光伏【fú】电池【chí】差不多，晶体硅【guī】电池诞生【shēng】于1954年，而有【yǒu】机光伏【fú】电池【chí】诞生【shēng】于1958年。但初期的【de】有机光伏【fú】电池光电转化效率太低，所以直【zhí】到1969年才有相关的专利申请【qǐng】出现，随后申请【qǐng】量【liàng】一【yī】直极少【shǎo】。随着1980年新结构有机光伏电池的出现，相【xiàng】关专利申请量有了一【yī】定增加，但依然较【jiào】低。1990年【nián】新【xīn】受体材料与新型结构的应用使得【dé】有机光伏电池【chí】的转【zhuǎn】化效率取得【dé】突破性进展，相关专【zhuān】利申请量开逐渐增加。
在2000年导【dǎo】电高分子材料获得诺贝尔【ěr】奖后，有机【jī】半【bàn】导体材【cái】料也开始迅【xùn】速发展，有【yǒu】机光伏电池专【zhuān】利申请量开始呈现快速增【zēng】长趋【qū】势，至【zhì】2013年【nián】专利申请量达到803项/年的【de】峰值。随后几【jǐ】年，专利申【shēn】请【qǐng】量出现一定【dìng】下滑趋【qū】势(由于专利申请【qǐng】公开的滞后，2017年数据尚不完【wán】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【yuán】国家/地区分布来【lái】看【kàn】，中国、日本【běn】、韩国、德国和美国占据了全球相关专利申请的逾87%，是有机光伏电池技术的主要研发地。其中日本、德【dé】国和美国早在20世纪9-21年【nián】代便已【yǐ】有专利申请，而中国和韩【hán】国起【qǐ】步较【jiào】晚【wǎn】，2000年左【zuǒ】右才【cái】有相【xiàng】关专利【lì】申请，但发【fā】展势头迅猛。
(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
在全球专利申【shēn】请【qǐng】量居前的11位申请【qǐng】人中，包括【kuò】了【le】德国【guó】的默【mò】克、巴斯夫和欧司朗，韩国的LG、三【sān】星和第一毛织，日本【běn】的三菱【líng】、柯尼卡【kǎ】美能达和住友，以【yǐ】及中【zhōng】国的海洋王【wáng】和中科【kē】院化【huà】学【xué】所。由此也可以看出德【dé】韩日中四国在专利申请【qǐng】数量上【shàng】的优势【shì】地位。美【měi】国虽然【rán】没有申请人进入【rù】前11，但【dàn】多位美国申请人的申请【qǐng】量都较大，只是相对分散不够集中。
图6. 有机光伏电池中国申请人专利申请量排名
通过统计【jì】申【shēn】请【qǐng】量【liàng】居前的申【shēn】请人类型还可以【yǐ】发现【xiàn】，国外【wài】申请人包【bāo】括有企【qǐ】业【yè】和高校/科研院所，但以企业为【wéi】主，且申请量居【jū】前的都是企业;而中国申请【qǐng】人中，除海【hǎi】洋王和【hé】彩虹集团外，全部为高校/科【kē】研院所【suǒ】，由此可见国内【nèi】企业在此领域的研究投入以【yǐ】及专利保护【hù】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【le】评价专利【lì】申【shēn】请的重要程度，我们选取了【le】家族被引证次数【shù】超过100次的专利申请，并【bìng】统计了其来【lái】源国家/地区【qū】。通过【guò】上面表【biǎo】格可以看出【chū】，有机光【guāng】伏【fú】电池全球重要专利申请【qǐng】中，源【yuán】自于美【měi】国的申请数量遥【yáo】遥领先【xiān】，占据【jù】了全部重要专【zhuān】利申请的【de】近【jìn】40%，可见美国在有机【jī】光伏【fú】电池专利技术上强【qiáng】大的优势【shì】地位【wèi】。在【zài】重要专利申请中，源自德国和日【rì】本【běn】的申请也占据【jù】了较大比例，韩国、英国和欧洲专利局也各【gè】有近【jìn】10项重要专利申请。
而在相【xiàng】关专利申请【qǐng】量排名首位的中国，却没有一项【xiàng】专利申【shēn】请的被引【yǐn】证【zhèng】次数超过100次。仅有三项中国专利申请的家族【zú】被引证次【cì】数超【chāo】过了【le】50次，其【qí】中前两【liǎng】项来自中科院应【yīng】化【huà】所(权利人为【wéi】应化所下设的【de】常州储能材料与器【qì】件研究院)，另一【yī】项来自于中【zhōng】国【guó】台湾企业长兴化学。这虽然有中国专利多数为近年申【shēn】请、且同【tóng】族数【shù】量少【shǎo】等客观【guān】因素的影响【xiǎng】，但【dàn】专利申请质量与国外的差【chà】距才是中国申请人应当正视的主要问【wèn】题。
3、专利技术发展趋势分析
1958年制备【bèi】的第一【yī】个有机光【guāng】电转化器件，光电转化效率【lǜ】低到制造【zào】者都不愿提及。低【dī】转化效率一【yī】直【zhí】是阻碍有【yǒu】机光伏电池应用的主要因素。由此，有【yǒu】机【jī】光伏【fú】电池技术演进的主要目标就是【shì】有效提【tí】升光电转化效【xiào】率，其专利技术大概经历【lì】了【le】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【yǐ】前的有机光【guāng】伏【fú】电池都【dōu】是肖特基型机构，即把【bǎ】有机半【bàn】导【dǎo】体染料设置【zhì】于两【liǎng】电极基板中【zhōng】间形成夹心【xīn】式单【dān】层结构【gòu】。有机半导体染料受光激发形成激子实现正负电荷分【fèn】离，激子向【xiàng】电极迁移形成光电流。
然而激子在有机半导体染料内的【de】迁移距【jù】离通常小于10纳米【mǐ】，因此绝大多数激子【zǐ】尚未【wèi】迁移【yí】至【zhì】电极【jí】即正负电【diàn】荷【hé】复合而消失，导致此【cǐ】类【lèi】型光伏电【diàn】池【chí】的转化效率极低。US4164431A、US3844843A与US3900945A等【děng】都【dōu】属于肖特基型【xíng】有机光伏【fú】电【diàn】池专利申请。肖特基型光伏【fú】电池的光电转化效率【lǜ】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】裔邓青云博【bó】士开创【chuàng】了双【shuāng】层异质结结构的有机光【guāng】伏电池【chí】。其思路就是【shì】利用两种不同的有【yǒu】机【jī】半导体材料来模仿晶体硅异质结结构，即【jí】将两层不同的有【yǒu】机半导【dǎo】体材料设置于【yú】两电极【jí】基板中间【jiān】形【xíng】成双层结构。
在【zài】受到光激发后，两【liǎng】层有机材【cái】料层分别成为给出电子的给体和【hé】得到电子的受体，从而实现【xiàn】正负电荷分【fèn】离。由于正负【fù】电荷分离于不同【tóng】的层，复【fù】合消失几【jǐ】率大【dà】为【wéi】减少，但是鉴于有机材【cái】料【liào】的电子传输效率【lǜ】太【tài】差，其转化效【xiào】率依然较【jiào】低，通常为9-21%。US4684761A与FR2583222B1等都【dōu】属于【yú】双【shuāng】层异质结型有机光伏电池专利申【shēn】请。
(3)混合异质结型结构
1990年提出了混合异质结(也称：体异【yì】质结)结构。该结构是将原本分别平铺的【de】两层半导【dǎo】体材【cái】料【liào】混合起【qǐ】来，通过共蒸、旋涂等方法制成混合膜【mó】，使给【gěi】体与受【shòu】体同【tóng】处于该混合膜层内。由于【yú】正【zhèng】负电【diàn】荷分离是发生于给体与受体材【cái】料【liào】的界【jiè】面上，而混【hún】合异质结结【jié】构极【jí】大地增【zēng】加了该界面数量，从【cóng】而使【shǐ】得正负电荷分离的效率【lǜ】大幅提【tí】升。在1990年之后申请的相关专利，大都采用了混合异【yì】质结结构【gòu】，例如CN102714277A、US20050061363A1与JP2006032636A，该结构使得【dé】有机光伏电池的转化效率进一步【bù】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【jī】半导体光激发后形【xíng】成的正负【fù】电荷的复【fù】合问题，是导【dǎo】致转化效【xiào】率【lǜ】无法有【yǒu】效提升的重要原因之一。1992年研究人员发现【xiàn】，激【jī】发态【tài】电子能极快地从有机半导体注入到富勒烯(C60)分子中，脱【tuō】离C60分子却慢得多【duō】。也就【jiù】是说，采【cǎi】用C60作【zuò】为受体材料，激【jī】子可【kě】以【yǐ】实现高效的电荷分【fèn】离，且分离后电荷不易重新复合。该技术申【shēn】请了专利【lì】(US5331183A)，专利族被引证次数【shù】高达【dá】330次。
由【yóu】此开始，富勒烯与改【gǎi】性富勒【lè】烯【xī】广泛应用于有【yǒu】机光【guāng】伏电池，光电转化效率也得以快速提高【gāo】。采用富勒烯受体的混合异质结型有【yǒu】机【jī】光伏电池，光【guāng】电【diàn】转化【huà】效率迅速提升至5%-10%。
(5)非富勒烯受体
尽管【guǎn】富勒烯受体迅【xùn】速提高了有机光【guāng】伏电池的转【zhuǎn】化【huà】效率，但是【shì】其【qí】也存在【zài】可见光区吸收【shōu】弱【ruò】、长期【qī】稳定性差等缺【quē】点。2010年之后，非富勒烯【xī】小分子受体材料开始逐步受到关注。非富勒烯受体材料具有带隙、能级、平面性和结晶性可【kě】调节【jiē】性强等优点，可以【yǐ】拓宽光吸收范围并增【zēng】强稳【wěn】定性。
近三年非【fēi】富勒烯【xī】受体材料发展迅速，有机光伏电【diàn】池【chí】的光电转【zhuǎn】化效率突破10%，可达13%。今年4月，美国密歇根大学【xué】将溶【róng】液加工法【fǎ】制备的基于非富勒烯受体的红外吸收电池【chí】与真空【kōng】蒸【zhēng】镀法制备的基于富勒烯受体的可见【jiàn】光【guāng】吸收电池叠在一起，实现了15%的能量转换效【xiào】率。10月，南【nán】开大【dà】学陈永胜【shèng】团队采【cǎi】用透过串联方式将两种不同的有【yǒu】机【jī】材料【liào】层结【jié】合在一起，实现了转【zhuǎn】换效【xiào】率高达17.3%的有机【jī】光伏【fú】电池，已达到甚至超过了【le】目前商业化应用【yòng】的多【duō】晶硅光【guāng】伏电池【chí】。密歇根大学与南开【kāi】大学团队【duì】均在非【fēi】富勒【lè】烯有机光伏电池方面有多项【xiàng】专【zhuān】利【lì】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】机光伏电池是新型【xíng】光伏电池【chí】中受关注度【dù】最【zuì】高【gāo】，研究最为广泛的类型，其具有以下【xià】几方面的发展机【jī】遇。
(1)成本低廉、工艺简单环保【bǎo】等方面【miàn】优【yōu】势明显【xiǎn】，“性价比【bǐ】”突出，在市场对于生产过【guò】程环保以及【jí】低成本的要求不断提升后，其【qí】市场【chǎng】潜力巨大。
(2)轻质、柔性、半透明的有机【jī】光伏材料【liào】可广泛【fàn】应用于【yú】建【jiàn】筑、汽车、服饰、移动设【shè】备【bèi】等众多领域。
(3)在【zài】非【fēi】富勒烯受体技术【shù】阶段，中国【guó】高校/科研院所近年获得【dé】了较多的【de】研究成【chéng】果并给【gěi】予了专利保护，在【zài】最新技术上中国处于较为领【lǐng】先的地【dì】位。
但同时，我们也应当看【kàn】到【dào】未【wèi】来的有机光伏电【diàn】池产业在发展过程中仍【réng】然面临挑【tiāo】战。
(1)高效【xiào】率的实【shí】验室产品转化【huà】为商【shāng】业化产品仍需【xū】较【jiào】长时间【jiān】，其间还存在许多不确定的变化。
(2)国外【wài】巨头【tóu】企业已经在【zài】相关【guān】领域布局了较多的专利，特【tè】别是在【zài】有机半导【dǎo】体活性材料、受体材料、有机导电材料【liào】等基础材【cái】料方【fāng】面，后来者需【xū】要面对一定【dìng】的专利技术【shù】壁垒。
(3)国内【nèi】企业在相关技术的研发和专利保护上力度【dù】不足，在未【wèi】来【lái】的技术竞【jìng】争和商业竞争中【zhōng】可【kě】能会【huì】处于劣势。
对于【yú】尝【cháng】试进入有机光【guāng】伏【fú】电池产【chǎn】业的机构【gòu】，根据专【zhuān】利数据与【yǔ】专利技术的分析结果给出如下两点建议：
(1)鉴于【yú】国内高校/科研院所在相关【guān】领域较【jiào】强的研究能力【lì】以及数量较多的专利申请，可【kě】以选择与高【gāo】校/科研院所【suǒ】开展合作【zuò】。
(2)国内目前涉及有【yǒu】机光伏电池研发【fā】制造的企业较多，但拥有专利技术的企【qǐ】业较【jiào】少，在选取投资标的时需【xū】特别【bié】关注其技术【shù】能【néng】力。
