了解高效率太陽能電池的發(fā)展現(xiàn)狀與知識(shí)產(chǎn)權(quán)態(tài)勢(shì)
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-13 09:18
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北極星太陽能光伏網(wǎng)訊:近年來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，中國的光伏產(chǎn)業(yè)出貨量雄踞全球榜首多年。根據(jù)集邦咨詢旗下新能源研究中心集邦新能源網(wǎng)EnergyTrend統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年全球組件出貨量達(dá)到95GW，較2017年下滑8%，五大整合廠(晶科、天合、晶澳、阿特斯、韓華)與兩大硅片龍頭廠(協(xié)鑫集成、隆基樂葉)組成的SMSL硅基組件聯(lián)盟依舊占有舉足輕重的地位。
中國的前十大廠的總出貨量提升至65GW，占比接近全球總出貨量的70%。2018年單晶組件總出貨量占比約為48.5%;相當(dāng)于46GW的出貨量，同比2017年31.1%(32GW)有較大增幅。從EnergyTrend對(duì)于2019年全球需求量預(yù)估的110GW來看；單晶組件占比與出貨量肯定會(huì)突破50%以上。
受2018年531新政以及PERC產(chǎn)品普及化與整體市場(chǎng)價(jià)格向下修正影響，性價(jià)比較高的單晶產(chǎn)品更受市場(chǎng)青睞，而且更多高效單晶電池新技術(shù)的開發(fā)也給光伏市場(chǎng)的技術(shù)更替打開了新的加速器。
為進(jìn)一步提高單晶硅太陽電池的效率，近幾年的研究工作主要集中于提高硅片質(zhì)量來降低體缺陷，選擇性鈍化接觸技術(shù)來降低表面和界面缺陷的影響，開發(fā)先進(jìn)的減反技術(shù)或交叉指式背接觸技術(shù)等以提高光的利用率，引入低電阻金屬化技術(shù)降低串聯(lián)電阻，以電池背面局部開孔較少柵線電極與c-Si的金屬-半導(dǎo)體接觸復(fù)合，優(yōu)化PN結(jié)制備技術(shù)以及器件結(jié)構(gòu)等。
自2014年至今，單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率得到連續(xù)突破。目前，最高效率是日本Kaneka公司創(chuàng)造的26.6%，其他效率達(dá)到或者超過25%的晶硅電池包括鈍化發(fā)射極背面局部場(chǎng)接觸(PERL)電池、交叉指式背接觸(IBC)電池、硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)電池、交叉指式背接觸異質(zhì)結(jié)(HBC)電池、隧穿氧化層鈍化接觸(TOPCon)電池、多晶硅氧化物選擇鈍化接觸(POLO)電池等。目前轉(zhuǎn)換效率超過25%的單晶硅太陽電池主要包括以下六種，具體參見表1。
從上表中，我們可以看到轉(zhuǎn)換效率超過25%的單晶硅太陽電池新技術(shù)原創(chuàng)國均來自于歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，國內(nèi)大型公司在部分技術(shù)上亦有較多的研發(fā)投入，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢(shì)如此巨大的情況下，技術(shù)儲(chǔ)備處于弱勢(shì)方的中國企業(yè)能否在國際上無知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行市場(chǎng)開發(fā)呢？筆者選取以下幾種技術(shù)進(jìn)行技術(shù)態(tài)勢(shì)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)單梳理，期望能夠?yàn)閲鴥?nèi)光伏產(chǎn)業(yè)提供一些有用信息，以饗讀者。
一、IBC電池
IBC電池（全背電極接觸晶硅光伏電池）將PN結(jié)和金屬接觸都設(shè)于太陽電池的背部正負(fù)，而面朝太陽的電池片正面采用SiNx/SiOx雙層減反鈍化薄膜呈全黑色，完全看不到多數(shù)光伏電池正面呈現(xiàn)的金屬線，能夠最大限度地利用入射光，減少光學(xué)損失，更高的短路電流這為使用者帶來更多有效發(fā)電面積，外觀上也更加美觀。
作為IBC電池產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)導(dǎo)者的美國SunPower公司已經(jīng)研發(fā)了三代IBC太陽電池。2014年在N型CZ硅片上制備的第三代IBC太陽電池的最高效率達(dá)到25．2%；而應(yīng)用層選擇性激光工藝來制造POLO-IBC電池，轉(zhuǎn)換效率則可達(dá)到26.1%。天合光能公司一直致力于IBC單晶硅電池的研發(fā)，2018年2月自主研發(fā)的大面積6英寸(243．2cm2)N型單晶硅IBC電池效率被證實(shí)提高到25．04%。Sunpower的IBC量產(chǎn)平均效率可達(dá)23%。
在知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面，Sunpower和三洋-松下一直是光伏公司的翹楚。以Sunpower的專利態(tài)勢(shì)為例：
1、全球申請(qǐng)趨勢(shì)
Sunpower在全球一直在保持著持續(xù)的大量上升趨勢(shì)，在2012年前后申請(qǐng)量持續(xù)增加，且其專利申請(qǐng)技術(shù)門類以H01L分類號(hào)下的太陽電池申請(qǐng)量為主，約占50%，還有大量關(guān)于H02S分類號(hào)下與光伏電站后端應(yīng)應(yīng)用相關(guān)申請(qǐng)、 H02J分類號(hào)下與儲(chǔ)能、并網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)的專利申請(qǐng)，以及其他分類號(hào)有關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游配套技術(shù)的專利申請(qǐng)。
Sunpower公司分析了25%效率的IBC電池后發(fā)現(xiàn)，電池效率的主要損失在發(fā)射極復(fù)合和背部光學(xué)損失。針對(duì)IBC電池技術(shù)的發(fā)射極損失，Sunpower公司在背面制結(jié)和背部的圖案化方面進(jìn)行了大量的專利技術(shù)布局，且諸多的專利均在中美日歐等國家和地區(qū)進(jìn)行同族申請(qǐng)，盡可能在大的市場(chǎng)范圍內(nèi)保護(hù)其技術(shù)。而國內(nèi)光伏公司在新技術(shù)開發(fā)專利布局方面則有諸多畏首畏尾的情形出現(xiàn)，以致于新技術(shù)的開發(fā)保護(hù)在法律層面上來看并未有大的進(jìn)展。
二、HIT電池
異質(zhì)結(jié)(hetero-junction with intrinsic thin-layer, HIT)太陽能電池是日本三洋公司1997年推出的一種商業(yè)化的高效電池設(shè)計(jì)和制造方法。異質(zhì)結(jié)電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、簡(jiǎn)單的低溫制造工藝、薄硅片應(yīng)用、溫度系數(shù)和CTM低、可雙面發(fā)電等一系列優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過Sanyo-Panasonic公司對(duì)本征a-Si∶H鈍化層、背部場(chǎng)結(jié)構(gòu)、高電導(dǎo)高透ITO、陷光結(jié)構(gòu)、金屬化柵線等關(guān)鍵技術(shù)的不斷優(yōu)化，在2013年將SHJ太陽電池效率提高到24．7%，在2014年將IBC技術(shù)與HIT技術(shù)結(jié)合，研發(fā)出的HIT-IBC太陽電池最高效率達(dá)25.6%。在國內(nèi)，杭州賽昂的SHJ電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)到23．1%,中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所N-CZ硅片制備的SHJ電池取得23．5%的效率。
異質(zhì)結(jié)電池實(shí)現(xiàn)低成本量產(chǎn)的關(guān)鍵在于設(shè)備國產(chǎn)化、提高良率和產(chǎn)能以及降低硅片、低溫銀漿、TCO靶材和清洗制絨化學(xué)品等成本。日本松下、上澎、晉能、福建金石和中智電力等已實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)電池量產(chǎn)。2018年，通威、愛康、彩虹等企業(yè)紛紛開建異質(zhì)結(jié)電池產(chǎn)能，且均規(guī)劃了GW級(jí)產(chǎn)能布局，熱度可見一斑。國內(nèi)廠商于2018年上馬諸多HJT電池廠能，一個(gè)重要原因是Sanyo的HIT電池基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)專利在2018年失去保護(hù)，他們將可以使用HIT電池結(jié)構(gòu)和相應(yīng)技術(shù)。1 所有可充電電池都是可消耗的組件，隨著化學(xué)年齡的增長(zhǎng)，它們的性能會(huì)降低。設(shè)備的使用也會(huì)影響電池壽命的性能
2 影響電池續(xù)航和壽命的元素很多，蘋果在這拿出了“化學(xué)年齡”概念；
在這篇文章最開始，蘋果在普及了電化學(xué)知識(shí)，希望讓用戶了解目前鋰電池的狀態(tài)；在這，他們沒有說的是，電池行業(yè)在近十年都沒有革命性突破了，目前手機(jī)廠商加強(qiáng)續(xù)航的辦法基本有三種：1 加大電池（手機(jī)會(huì)變厚）；2 加快充電速度，間接減小充電時(shí)間成本；3 優(yōu)化芯片和供電部分，降低手機(jī)功耗。
關(guān)于降頻：
1 老化的電池?zé)o法提供大負(fù)載，特別是在低電量狀態(tài)下，可能導(dǎo)致設(shè)備突然關(guān)閉。
2 蘋果認(rèn)為意外關(guān)機(jī)是不可接受的，所以設(shè)計(jì)了這種方案（即處理器降頻）；
3 蘋果承認(rèn)iOS 10.2.1系統(tǒng)（發(fā)布于 2017 年 1 月）會(huì)針對(duì)老機(jī)型降頻，并且列出了型號(hào)：iPhone 6/6 Plus、iPhone 6s/6s Plus和Phone SE；以及安裝了iOS 11.2的iPhone 7 /7 Plus；但他們同時(shí)又強(qiáng)調(diào)“僅在需要時(shí)對(duì)瞬時(shí)性能高峰進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理（就是降頻）”。
處理器降頻這事，大概可以理解為一個(gè)人年齡大了，不能再像年輕人那樣劇烈運(yùn)動(dòng)。此前電腦行業(yè)有類似做法，主要是為了防止CPU過熱。
蘋果設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)制，在iOS意識(shí)到電池開始老化的時(shí)候，限制其最高主頻。他們說“因?yàn)椴幌胱層脩粼陉P(guān)鍵時(shí)刻漏接電話等”，這就是去年鬧的很嚴(yán)重的iPhone 6s自動(dòng)關(guān)機(jī)事件。
從這可以看出蘋果的心思，一旦降頻了，他們先保的是打電話，上網(wǎng)，地圖定位，支付，拍照（強(qiáng)調(diào)了質(zhì)量）等功能，這些是蘋果定義的”關(guān)鍵功能“；第三方App等和系統(tǒng)平滑度排在其次，所以用戶會(huì)覺得，自己的老手機(jī)格外卡頓。而解決辦法，則是換一塊新電池。（曉光）
附錄：了解iPhone性能及其與電池的關(guān)系 原文：
我們希望 iPhone 能帶來簡(jiǎn)單易用的體驗(yàn)。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要進(jìn)行大量的工程設(shè)計(jì)制造和投入許多先進(jìn)技術(shù)。其中一個(gè)重要的技術(shù)領(lǐng)域就是電池和性能。電池是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，很多變量都會(huì)影響電池性能以及相關(guān)的 iPhone 性能。所有可充電電池都是消耗品，壽命有限，這意味著這些電池的容量和性能最終都會(huì)下降，因而需要接受服務(wù)或循環(huán)利用。出現(xiàn)這種情況時(shí)，iPhone 性能可能會(huì)發(fā)生變化。希望了解更多相關(guān)信息的用戶可以閱讀本篇文章以作參考。
關(guān)于鋰離子電池
iPhone 電池采用鋰離子技術(shù)。與前幾代的電池技術(shù)相比，鋰離子電池充電更快，使用更持久，同時(shí)具有更高的功率密度，能夠以更輕便的體積提供更長(zhǎng)的電池續(xù)航能力。對(duì)于您的設(shè)備來說，可充電鋰離子電池技術(shù)是目前最優(yōu)秀的技術(shù)。進(jìn)一步了解鋰離子電池。
如何充分提升電池性能
“電池續(xù)航能力”是一臺(tái)設(shè)備在需要重新充電之前可以使用的時(shí)間。“電池壽命”是一塊電池在需要更換之前的全部使用時(shí)間。影響電池續(xù)航能力和電池壽命的一個(gè)因素在于您對(duì)設(shè)備的各種使用方式。無論您如何使用設(shè)備，總有一些方法能對(duì)您有所幫助。電池的壽命和它的“化學(xué)年齡”有關(guān)。這個(gè)年齡不僅僅是指時(shí)間的推移，還包括不同的因素，例如充電周期次數(shù)和電池保養(yǎng)的方式。請(qǐng)按照這些提示來充分提升電池性能并幫助延長(zhǎng)電池壽命。例如，長(zhǎng)期存放 iPhone 時(shí)，保持一半的電量。同時(shí)，避免在高溫環(huán)境下存放 iPhone 或?yàn)?iPhone 充電，包括長(zhǎng)時(shí)間直接在陽光下曝曬。
當(dāng)電池化學(xué)年齡增長(zhǎng)
所有可充電電池都是消耗型組件，隨著電池化學(xué)年齡增長(zhǎng)，電池性能會(huì)有所降低。
隨著鋰離子電池化學(xué)年齡增長(zhǎng)，蓄電能力會(huì)逐漸下降。這可能會(huì)縮短設(shè)備的電池續(xù)航能力，還可能會(huì)削弱電池快速供電的能力。為了讓手機(jī)正常工作，其中的電子組件必須能夠依賴電池的瞬時(shí)功率，而影響瞬時(shí)功率輸出的因素之一就是電池的阻抗。阻抗高的電池?zé)o法足夠快地提供系統(tǒng)需要的電力。當(dāng)電池的化學(xué)年齡偏高時(shí)，阻抗可能會(huì)增加。在低電量狀態(tài)和低溫環(huán)境下，電池的阻抗會(huì)暫時(shí)增大，再加上偏高的化學(xué)年齡，阻抗的增大會(huì)更加明顯。這些都是電池的化學(xué)特性，適用于業(yè)內(nèi)所有的鋰離子電池。
從阻抗較高的電池中獲取電力時(shí)，電池的電壓會(huì)大幅下降。電子組件的運(yùn)行需要達(dá)到最低電壓的要求。這包括設(shè)備的內(nèi)部?jī)?chǔ)存、電源電路和電池本身。電源管理系統(tǒng)會(huì)決定電池的供電能力，同時(shí)也管理負(fù)載以維持設(shè)備的運(yùn)行。如果電源管理系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)作也無法支持設(shè)備運(yùn)行，系統(tǒng)將會(huì)關(guān)機(jī)以保護(hù)這些電子組件。雖然對(duì)于設(shè)備而言，關(guān)機(jī)是有意為之，但用戶可能會(huì)對(duì)此感到意外。
防止意外關(guān)機(jī)
當(dāng)電池處于低電量狀態(tài)，或化學(xué)年齡偏高，亦或置于低溫環(huán)境下時(shí)，用戶遇到意外關(guān)機(jī)的可能性更大。在極端情況下，關(guān)機(jī)會(huì)出現(xiàn)得更加頻繁，因而導(dǎo)致設(shè)備變得不穩(wěn)定或無法使用。iOS 10.2.1（發(fā)布于 2017 年 1 月）包含了針對(duì) iPhone 以往機(jī)型的更新，以防止這些設(shè)備意外關(guān)機(jī)。其中包括一項(xiàng)功能，針對(duì) iPhone 6、iPhone 6 Plus、iPhone 6s、iPhone 6s Plus 和 iPhone SE 機(jī)型，（僅在需要時(shí)）能夠?qū)λ矔r(shí)性能高峰進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以防止設(shè)備意外關(guān)機(jī)。這一功能也延伸到了裝有 iOS 11.2 的 iPhone 7 和 iPhone 7 Plus 上。今后，我們還將繼續(xù)提升電源管理功能。推出這一功能的唯一目的在于防止 iPhone 意外關(guān)機(jī)，確保設(shè)備仍然可以使用。
電源管理功能綜合考量設(shè)備的溫度、電池的電量以及電池的阻抗。只有在這三個(gè)變量需要的情況下，iOS 才會(huì)動(dòng)態(tài)管理 CPU 和 GPU 等系統(tǒng)組件的最高性能，以防止意外關(guān)機(jī)。因此，設(shè)備可以自行平衡負(fù)載，能夠更加順暢地分配各個(gè)系統(tǒng)任務(wù)，而不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)較大幅度的性能飆升。在某些情況下，用戶可能不會(huì)注意到設(shè)備的日常性能有什么不同。能感知到的變化大小取決于特定設(shè)備所需的電源管理強(qiáng)度。
