在全球?qū)＠暾埩烤忧暗?1位申請人中，包括了德國的默克、巴斯夫和歐司朗，韓國的LG、三星和第一毛織，日本的三菱、柯尼卡美能達(dá)和住友，以及中國的海洋王和中科院化學(xué)所。由此也可以看出德韓日中四國在專利申請數(shù)量上的優(yōu)勢地位。美國雖然沒有申請人進(jìn)入前11，但多位美國申請人的申請量都較大，只是相對分散不夠集中。

　　圖6. 有機(jī)光伏電池中國申請人專利申請量排名

 

　　通過統(tǒng)計申請量居前的申請人類型還可以發(fā)現(xiàn)，國外申請人包括有企業(yè)和高校/科研院所，但以企業(yè)為主，且申請量居前的都是企業(yè);而中國申請人中，除海洋王和彩虹集團(tuán)外，全部為高校/科研院所，由此可見國內(nèi)企業(yè)在此領(lǐng)域的研究投入以及專利保護(hù)亟待加強(qiáng)。

 

　　(4)重要申請來源地分析

 

　　表1. 有機(jī)光伏電池全球重要專利申請來源地排名

　　為了評價專利申請的重要程度，我們選取了家族被引證次數(shù)超過100次的專利申請，并統(tǒng)計了其來源國家/地區(qū)。通過上面表格可以看出，有機(jī)光伏電池全球重要專利申請中，源自于美國的申請數(shù)量遙遙領(lǐng)先，占據(jù)了全部重要專利申請的近40%，可見美國在有機(jī)光伏電池專利技術(shù)上強(qiáng)大的優(yōu)勢地位。在重要專利申請中，源自德國和日本的申請也占據(jù)了較大比例，韓國、英國和歐洲專利局也各有近10項重要專利申請。

 

　　而在相關(guān)專利申請量排名首位的中國，卻沒有一項專利申請的被引證次數(shù)超過100次。僅有三項中國專利申請的家族被引證次數(shù)超過了50次，其中前兩項來自中科院應(yīng)化所(權(quán)利人為應(yīng)化所下設(shè)的常州儲能材料與器件研究院)，另一項來自于中國臺灣企業(yè)長興化學(xué)。這雖然有中國專利多數(shù)為近年申請、且同族數(shù)量少等客觀因素的影響，但專利申請質(zhì)量與國外的差距才是中國申請人應(yīng)當(dāng)正視的主要問題。

 

　　3、專利技術(shù)發(fā)展趨勢分析

 

　　1958年制備的第一個有機(jī)光電轉(zhuǎn)化器件，光電轉(zhuǎn)化效率低到制造者都不愿提及。低轉(zhuǎn)化效率一直是阻礙有機(jī)光伏電池應(yīng)用的主要因素。由此，有機(jī)光伏電池技術(shù)演進(jìn)的主要目標(biāo)就是有效提升光電轉(zhuǎn)化效率，其專利技術(shù)大概經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段。

 

　　(1)肖特基型結(jié)構(gòu)

 

　　1980年以前的有機(jī)光伏電池都是肖特基型機(jī)構(gòu)，即把有機(jī)半導(dǎo)體染料設(shè)置于兩電極基板中間形成夾心式單層結(jié)構(gòu)。有機(jī)半導(dǎo)體染料受光激發(fā)形成激子實現(xiàn)正負(fù)電荷分離，激子向電極遷移形成光電流。

 

　　然而激子在有機(jī)半導(dǎo)體染料內(nèi)的遷移距離通常小于10納米，因此絕大多數(shù)激子尚未遷移至電極即正負(fù)電荷復(fù)合而消失，導(dǎo)致此類型光伏電池的轉(zhuǎn)化效率極低。US4164431A、US3844843A與US3900945A等都屬于肖特基型有機(jī)光伏電池專利申請。肖特基型光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率通常不超過1%。

 

　　(2)雙層異質(zhì)結(jié)型結(jié)構(gòu)

 

　　1980年起，美籍華裔鄧青云博士開創(chuàng)了雙層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏電池。其思路就是利用兩種不同的有機(jī)半導(dǎo)體材料來模仿晶體硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，即將兩層不同的有機(jī)半導(dǎo)體材料設(shè)置于兩電極基板中間形成雙層結(jié)構(gòu)。

 

　　在受到光激發(fā)后，兩層有機(jī)材料層分別成為給出電子的給體和得到電子的受體，從而實現(xiàn)正負(fù)電荷分離。由于正負(fù)電荷分離于不同的層，復(fù)合消失幾率大為減少，但是鑒于有機(jī)材料的電子傳輸效率太差，其轉(zhuǎn)化效率依然較低，通常為1-3%。US4684761A與FR2583222B1等都屬于雙層異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏電池專利申請。

 

　　(3)混合異質(zhì)結(jié)型結(jié)構(gòu)

 

　　1990年提出了混合異質(zhì)結(jié)(也稱：體異質(zhì)結(jié))結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是將原本分別平鋪的兩層半導(dǎo)體材料混合起來，通過共蒸、旋涂等方法制成混合膜，使給體與受體同處于該混合膜層內(nèi)。由于正負(fù)電荷分離是發(fā)生于給體與受體材料的界面上，而混合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)極大地增加了該界面數(shù)量，從而使得正負(fù)電荷分離的效率大幅提升。在1990年之后申請的相關(guān)專利，大都采用了混合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，例如CN102714277A、US20050061363A1與JP2006032636A，該結(jié)構(gòu)使得有機(jī)光伏電池的轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高。

 

　　(4)富勒烯受體

 

　　有機(jī)半導(dǎo)體光激發(fā)后形成的正負(fù)電荷的復(fù)合問題，是導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率無法有效提升的重要原因之一。1992年研究人員發(fā)現(xiàn)，激發(fā)態(tài)電子能極快地從有機(jī)半導(dǎo)體注入到富勒烯(C60)分子中，脫離C60分子卻慢得多。也就是說，采用C60作為受體材料，激子可以實現(xiàn)高效的電荷分離，且分離后電荷不易重新復(fù)合。該技術(shù)申請了專利(US5331183A)，專利族被引證次數(shù)高達(dá)330次。

 

　　由此開始，富勒烯與改性富勒烯廣泛應(yīng)用于有機(jī)光伏電池，光電轉(zhuǎn)化效率也得以快速提高。采用富勒烯受體的混合異質(zhì)結(jié)型有機(jī)光伏電池，光電轉(zhuǎn)化效率迅速提升至5%-10%。

 

　　(5)非富勒烯受體

 

　　盡管富勒烯受體迅速提高了有機(jī)光伏電池的轉(zhuǎn)化效率，但是其也存在可見光區(qū)吸收弱、長期穩(wěn)定性差等缺點。2010年之后，非富勒烯小分子受體材料開始逐步受到關(guān)注。非富勒烯受體材料具有帶隙、能級、平面性和結(jié)晶性可調(diào)節(jié)性強(qiáng)等優(yōu)點，可以拓寬光吸收范圍并增強(qiáng)穩(wěn)定性。

 

　　近三年非富勒烯受體材料發(fā)展迅速，有機(jī)光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率突破10%，可達(dá)13%。今年4月，美國密歇根大學(xué)將溶液加工法制備的基于非富勒烯受體的紅外吸收電池與真空蒸鍍法制備的基于富勒烯受體的可見光吸收電池疊在一起，實現(xiàn)了15%的能量轉(zhuǎn)換效率。10月，南開大學(xué)陳永勝團(tuán)隊采用透過串聯(lián)方式將兩種不同的有機(jī)材料層結(jié)合在一起，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率高達(dá)17.3%的有機(jī)光伏電池，已達(dá)到甚至超過了目前商業(yè)化應(yīng)用的多晶硅光伏電池。密歇根大學(xué)與南開大學(xué)團(tuán)隊均在非富勒烯有機(jī)光伏電池方面有多項專利申請。

 

　　4、機(jī)遇、挑戰(zhàn)與建議

 

　　有機(jī)光伏電池是新型光伏電池中受關(guān)注度最高，研究最為廣泛的類型，其具有以下幾方面的發(fā)展機(jī)遇。

 

　　(1)成本低廉、工藝簡單環(huán)保等方面優(yōu)勢明顯，“性價比”突出，在市場對于生產(chǎn)過程環(huán)保以及低成本的要求不斷提升后，其市場潛力巨大。

 

　　(2)輕質(zhì)、柔性、半透明的有機(jī)光伏材料可廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、服飾、移動設(shè)備等眾多領(lǐng)域。

 

　　(3)在非富勒烯受體技術(shù)階段，中國高校/科研院所近年獲得了較多的研究成果并給予了專利保護(hù)，在最新技術(shù)上中國處于較為領(lǐng)先的地位。

 

　　但同時，我們也應(yīng)當(dāng)看到未來的有機(jī)光伏電池產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中仍然面臨挑戰(zhàn)。

 

　　(1)高效率的實驗室產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為商業(yè)化產(chǎn)品仍需較長時間，其間還存在許多不確定的變化。

 

　　(2)國外巨頭企業(yè)已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域布局了較多的專利，特別是在有機(jī)半導(dǎo)體活性材料、受體材料、有機(jī)導(dǎo)電材料等基礎(chǔ)材料方面，后來者需要面對一定的專利技術(shù)壁壘。

 

　　(3)國內(nèi)企業(yè)在相關(guān)技術(shù)的研發(fā)和專利保護(hù)上力度不足，在未來的技術(shù)競爭和商業(yè)競爭中可能會處于劣勢。

 

　　對于嘗試進(jìn)入有機(jī)光伏電池產(chǎn)業(yè)的機(jī)構(gòu)，根據(jù)專利數(shù)據(jù)與專利技術(shù)的分析結(jié)果給出如下兩點建議：

 

　　(1)鑒于國內(nèi)高校/科研院所在相關(guān)領(lǐng)域較強(qiáng)的研究能力以及數(shù)量較多的專利申請，可以選擇與高校/科研院所開展合作。

 

　　(2)國內(nèi)目前涉及有機(jī)光伏電池研發(fā)制造的企業(yè)較多，但擁有專利技術(shù)的企業(yè)較少，在選取投資標(biāo)的時需特別關(guān)注其技術(shù)能力。