钙钛矿光伏技术的全球专利布局分析

原标题：钙钛矿光伏技术的全球专利布局分析

本文介绍了钙钛矿光伏技术的基本情况和发展趋势，分析了钙钛矿光伏技术的全球知识产权保护情况，并以Oxford PV公司为例探讨了钙钛矿光伏领域的专利布局策略。本文可为相关企业和创新主体了解钙钛矿光伏技术的全球专利保护情况、了解主要竞争对手、制定专利布局策略等方面提供参考依据。

引言

2020年是《巴黎协定》签署的5周年。2020年12月12日，国家主席习近平在气候雄心峰会(Climate Ambition Summit 2020)上通过视频发表了题为《继往开来，开启全球应对气候转变新征程》的重要讲话，宣布中国国家自主贡献一系列新举措，即到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。【1】截至2020年9月底，中国风电、太阳能发电总装机容量为4.4亿千瓦。这代表着，要达到上述目标，中国每一年风电、太阳能的新增装机合计将不得低于75GW。

具体到光伏发电，当前主流的太阳能电池均采用晶硅资料作为光电转化资料。可是，从上世纪七十年代开始研发至今，晶硅资料的效率已逼近其理论效率极限29%，进1步提升效率难度较大。发电效率直接关系到发电成本，要想进1步降低光伏发电成本，提高光伏发电的市场竞争优势，还需开发效率更高的光伏资料。

在众多新一代光伏资料中，钙钛矿资料被认为最具应用前景。固态钙钛矿电池自2012年面世至今，其光电转化效率由10%提升至25.5%。若用宽带隙的钙钛矿顶电池与较窄带隙的晶硅电池组成叠层电池，其最高效率可达到29.1%【2】，超过了单晶硅资料的理论极限。【3】并且，除了具有更高的光电转化效率，钙钛矿资料还具有柔性、透明等独特优点。

鉴于钙钛矿光伏资料广泛的应用前景和巨大的商业价值，自其在实验室诞生以来，各国科研机构便对其进行全方位多角度的专利布局。笔者在本文中对钙钛矿光伏技术的全球专利布局情况进行了介绍和分析。

一、钙钛矿光伏技术简介

钙钛矿(perovkite)资料于1839年被Gustav Rose发现，后由俄罗斯矿物学家L. A. Perovski命名。钙钛矿资料结构式为ABX3.其具有与钛酸钙(CaTiO3)相同晶体结构，故中文命名为钙钛矿(图1[5]，式中A和B是两种阳离子，X是阴离子)。

图1

2009年，日本桐荫横滨大学(Toin University of Yokohama)的宫坂力教授(Tsutomu Miyasaka)首次将钙钛矿资料(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)应用于染料敏化太阳能电池，获得了最高3.8%的光电转化效率。【4】2012年，韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)的朴南圭(Nam-Gyu Park)团队与瑞士洛桑联邦理工大学(École Polytechnique Fédérale de Lausanne)的Michael Grätzel团队合作，首次制备了全固态钙钛矿电池，他们采用钙钛矿吸光资料(CH3NH3)PbI3作为敏化剂，spiro-OmetaD(一种有机小分子空穴传输资料)作为空穴收集层，获得了具有9.7%光电转化效率的太阳能电池，该成果发表于Scientific Reports。【5】同年，牛津大学(University of Oxford)的Henry Snaith团队以(CH3NH3)PbI3作为敏化剂，以介孔结构Al2O3为敏化剂的支架，以spiro-OmetaD作为空穴收集层制备了具有10.9%光电转化效率的太阳能电池，该成果发表于ScienCE。【6】自此，钙钛矿光伏技术吸引了全球各国研究人员的关注，与钙钛矿光伏技术的技术相关的各类研究日新月异，与钙钛矿光伏技术相关的专利申请数量也快速上升。

二、钙钛矿光伏技术的全球专利保护分析

2.1专利/期刊论文公开趋势

使用欧专局专利数据库(Espacenet)和棱镜数据库(Lens.com)对涉及钙钛矿光伏技术的专利申请和期刊论文进行了检索和分析，共检索到7800多件专利申请和13700多篇期刊论文(检索日期截止至2020-12-10)。图2示出了钙钛矿光伏技术的论文发表量和专利申请量随时间转变的曲线。基于该曲线，能够将钙钛矿光伏技术的发展分为3个阶段：

第一阶段，萌芽期：2009-2012年

专利申请和论文发表的两条曲线均始于2009年，这正是宫坂力研发团队首次将钙钛矿资料(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)应用于染料敏化太阳能电池的年份。在2009~2011年期间，专利申请量和论文发表量均处于较低的水平。这是由于尽管日本的宫坂力研发团队于2009年首次将钙钛矿资料用于染料敏化电池，但该电池仅取得3.8%的光电转化效率，有效面积仅为0.24 cm2.并且仅稳定了几分钟。宫坂力研发团队仅仅建立了钙钛矿资料在光伏领域应用的雏形，尚未充分展现钙钛矿资料作为光伏资料的卓越潜力。因此，在此阶段，钙钛矿光伏技术尚未引起科学界和产业界的关注，论文和专利申请的数量都很有限。

第二阶段，突破期：2012-2015年

从曲线中能够看到，在2012-2015年，钙钛矿光伏技术的论文和专利申请的数量迅速增长，达到了约250篇/年的增长率。在2015年，专利申请数量比前1年增加了500多件，论文数量比前1年增加了700多篇。这种快速增长主要归功于全固态钙钛矿光伏领域在2012年取得的重大技术突破。2012年，韩国(Nam-Gyu Park团队)、瑞士(Michael Grätzel团队)、英国(Henry Snaith团队)的研发团队在短短1年内将钙钛矿电池的光电转化效率由3.8%提高到10%以上。这一技术突破使得钙钛矿光伏技术成为学术界的新星。2013年，钙钛矿光伏技术被Science杂志评为十大科学突破之一;2014年，其又被Nature杂志评为最值得期待的科技突破之一。

第三阶段，成长期，2015年至今

2015年之后，随着越来越多的研发团队进入到钙钛矿领域，专利申请和论文的数量仍在持续攀升。(注：2019-2020年专利数量的下降是由于专利申请延迟公开(18个月)和PCT进入国家期限尚未到期(30个月)所致)。

图2

2.2PCT申请专利申请分析

在7800多件钙钛矿光伏技术专利申请中，含PCT申请共计896件，占比约11.5%。这在一定程度上反映了申请人对钙钛矿光伏技术的全球专利布局的重视。

2.2.1 主要申请人

图3示出了钙钛矿光伏技术PCT申请的申请人排名。排名前三的分别是德国默克专利公司(Merck Patent GMBH)、英国牛津大学和日本积水化学公司(Sekisui Chemical Co., Ltd)。来自德国、英国、日本、韩国、瑞士、美国、沙特的PCT申请人占据了榜单前十位。此外值得关注的是，图3中的牛津大学研发团队便是上文提到的Henry Snaith团队(Henry Snaith教授也是世界领先的钙钛矿光伏技术公司Oxford PV公司的创始人);瑞士洛桑联邦理工大学研发团队即为上文提到的Michael Grätzel团队(Michael Grätzel教授是染料敏化太阳电池的先驱)。这表明，上述几个钙钛矿光伏技术创始研发团队均极其注重其研究成果的知识产权保护。

图3

2.2.2 提交申请的主要国家

为了解各国申请人对于钙钛矿光伏技术的专利申请情况，下面以申请人国别为研究目标，分析各国申请人提出PCT申请及国家/地区申请的情况。

如图4所示，对于钙钛矿光伏技术的PCT专利申请而言，日本、美国、中国、韩国和德国分别以207件、169件、98件、91件和90件的PCT申请量占据前5位。这说明上述国家的申请人均具有较强的全球专利布局意识。

考虑到PCT申请仅有在进入指定国家/地区后才有可能在对应国家/地区获得专利保护，为了进1步分析各国申请人在全球布局专利情况，笔者扩展查询了上述896件PCT申请的同族申请，共检索到2242件国家/地区申请。

如图4所示，在2242件国家/地区申请中，来自日本、美国和德国的申请人分别提交了510件、438件和320件国家/地区申请，占据前三位(占比62%)。可见，来自日本、美国和德国的申请人对钙钛矿光伏技术的全球专利布局最为重视，提交的国家/地区申请最多。

中国申请人提交了98件PCT申请(排名第3)，但仅提交了153件国家/地区申请(排名第5)，平均1件PCT申请仅进入1.5个国家，排名靠后。与之相比，日本(2.46)，美国(2.59)、德国(3.60)、英国(3.68)、瑞士(2.42)的申请人平均1件PCT申请进入2~4个国家。这表明，中国申请人的全球专利布局意识仍有提升的空间。

图4

三、Oxford PV公司的专利布局分析

笔者还特别以Oxford PV公司(牛津大学Henry Snaith教授)为例，分析了该申请人围绕钙钛矿光伏技术在全球进行专利布局的情况。

Oxford PV公司成立于2010年，专门致力于钙钛矿型太阳能电池技术的开发和商业化。2017年，该公司成功生产了第一块商业尺寸的钙钛-硅叠片电池。2020年底，Oxford PV公司位于德国勃兰登堡的200MW钙钛矿-硅异质结串联太阳能电池生产线项目将完成建设。该公司目前已在牛津大学创新、牛津大学、金风科技、英国创新银行、欧洲投资银行、英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)以及挪威油气公司(Equinor)等机构的支持下，筹集了1.4亿美元的投资。【7】

3.1专利申请随时间转变趋势

Oxford PV公司于2012年申请了第一件钙钛矿光伏技术的专利。在2013~2016年，该公司围绕钙钛矿光伏技术持续进行专利申请(图5)。

图5

3.2专利申请的技术布局

图6示出了Oxford PV公司在钙钛矿技术领域的专利申请技术布局情况。如图所示，Oxford PV公司在钙钛矿光伏技术领域进行了全方位多层次的技术布局，涵盖了(1)钙钛矿光伏资料本身、(2)钙钛矿资料的制备工艺、(3)钙钛矿光伏电池的结构/构造、以及(4)钙钛矿电池的特殊性质及应用。该技术布局有效地构建了技术壁垒和专业门槛，阻碍新竞争对手进入钙钛矿光伏行业。

除此之外，对于钙钛矿光伏技术的核心—钙钛矿资料本身，Oxford PV公司投入了相当多的研发力量。如图7所示，在传统钙钛矿资料MAPBI3和FAPBI3的基础上，该公司在2012年申请了混合阴离子钙钛矿资料(对应国际申请WO2013171517A1)，该资料相比于传统资料具有出乎意料的稳定性、高功率转换效率和高光电流。2016年，该公司又申请了混合阳离子钙钛矿资料(对应国际申请WO2017037448A1)，该资料以(和()的组合取代，不含铅元素，对环境更为友好。2016年，该公司还申请了取代部分甲脒鎓阳离子的钙钛矿资料(对应国际申请WO2017089819A1)，该资料具有适用于串联应用的理想带隙，以及较高的稳定性。2019年该公司还申请了以硫族元素作阴离子的无铅钙钛矿资料(对应国际申请WO2020188252A1)，该资料具有合适尺寸的带隙、环境友好且容易合成。

图6

图7

3.3专利申请的全球布局

图8示出了Oxford PV公司的全球专利布局情况。如图所示，Oxford PV公司向WIPO提交的申请(PCT申请)的数量最多，这说明该公司特别注重研发成果的全球化保护，几乎每项发明创造都提交了PCT申请。在具体国家/地区排名方面，Oxford PV公司提交的申请主要集中在欧专局、美国、英国、中国、韩国、日本和澳大利亚等国家/地区。

图8

对于Oxford PV的全球专利布局策略，笔者认为，其可能受如下因素的影响：

（1）竞争对手所在地

专利权以排他的方式将竞争对手限制或排除在特定范围的市场之外。因此，竞争对手所在地通常是专利布局的考虑重点。根据Nature杂志2019年的报道【8】，全球领先的钙钛矿商业机构如下表1所示。

表1 全球领先的钙钛矿商业机构

国家

公司

中国

Microquanta Semiconductor

中国

WonderSolar

日本

Sekisui/Panasonic/Toshiba

韩国

Frontier Energy Solution

美国

Energy Materials Corp.

美国

Swift Solar

美国

Tandem PV

英国

Oxford PV

瑞士

Solaronix SA

荷兰

Solliance

波兰

Saule Technologies

由表1可知，全球领先的钙钛矿商业机构分布主要分布于中国、美国、日本、韩国和欧洲。换言之，美国、欧洲、中国、日本和韩国是钙钛矿商业化机构的主要所在地(即Oxford PV公司竞争对手的主要所在地)。因此，Oxford PV公司将中国、美国、日本、韩国和欧洲作为专利布局的重点地区，有利于限制竞争对手，争取竞争优势。

（2）产品生产地/销售地

在全球化生产的今日，竞争者的所在地、生产地和销售地都不再局限于单一国家，因此，在生产地和销售地取得专利保护对于企业的全球化竞争十分重要。

以晶硅光伏组件的主要生产地/销售地作为参考。表2显示了由PV Infolink数据库统计的2019光伏组件出货排名。2019年，中国晶科出货量约在14GW上下，远高于其他组件生产厂商，亦蝉联2019全球组件排名龙头。紧随其后的是，出货量超过10GW的中国晶澳和中国天合，再往后为中国隆基、中加合资阿特斯、韩国韩华Q-cells、中国东方日升、中国尚德、中国正泰、中国苏州腾晖。【9】此外，统计数据显示，2019年，中国硅资料产量34.2万吨，约占全球产量的60%;硅片产量135GW，全球排名前十的硅片厂家都在中国;电池片产量为129GW，同比增长26.8%，占全球产量的70%;光伏组件产量98.6GW，占全球产量超过70%。经过20余年的发展，中国光伏行业已掌握了从多晶硅、硅片、电池片到组件的整个产业链。因此，中国是当前全球晶硅光伏组件最主要的生产基地，中国也是最有潜力成为全球钙钛矿电池主要生产基地的国家。

表22019光伏组件出货排名

国家

公司

中国

JinkoSolar（晶科）

中国

JA Solar（晶澳）

中国

Trina Solar（天合）

中国

Longi Solar Technology（隆基）

加拿大/中国

Canadian Solar（阿特斯）

韩国

Hanwha Q Cells

中国

Risen Energy（东方日升）

中国

Suntech（尚德）

中国

Astronergy（正泰）

中国

Talesun（腾晖）

与此同时，中国、欧洲、美国、印度和日本还是太阳能电池组件最主要的销售地。图9显示了国际能源机构光伏电力系统项目(IEA-PVPS)统计的2019年累计和新增太阳能安装量的国家(地区)排名。【10】对于累计安装量，排名前5位的分别是中国、欧盟、美国、日本和德国。对于新增安装量，排名前5位的分别是中国、欧盟、美国、印度和日本。可见，中国、欧洲、美国、印度和日本最为重视太阳能的应用，是太阳能电池组件的最大市场。因此，Oxford PV公司将中国、欧洲、美国和日本作为专利布局的重点，有利于在主要生产地和主要销售市场建立知识产权壁垒，争取竞争优势。

图9

（3）知识产权保护环境

印度也是太阳能电池的重要销售地之一。根据图9所示排名，印度在2019年新增安装量排名第3.在太阳能电池累计安装量排名第5.排名相当靠前。然而，Oxford PV公司在印度几乎没有进行专利布局。笔者认为，这可能与印度当地的知识产权环境有关。

美国商务部发布的2020年国际IP指数报告对世界53个经济体的知识产权制度的保护效力进行排名。【11】根据该IP指数报告，在专利相关领域(Patents, Related Rights, and Limitations)，新加坡、日本、韩国、瑞士和美国排名前5位，中国排名第23.而印度仅排名第43.可见，尽管印度在太阳能电池新增和累积装机量都排名靠前，但由于该国较弱的知识产权保护力度，Oxford PV公司并没有将印度作为专利布局的重点国家。

3.4小结

Oxford PV公司对研发成果知识产权保护的重视程度从上面的简要分析中可见一斑。该公司不仅从资料、制备工艺、电池组件和应用全方位多角度地对钙钛矿专利技术进行了保护，并且结合了竞争对手所在地、产品生产基地、产品销售地、目标地区知识产权保护力度等因素，在全球进行了周密的专利布局。这将为该公司后续的商业化提供有力的知识产权保障，并构建强大的知识产权护城河。

四、总结

钙钛矿材光伏技术方兴未艾。从发展阶段看，该技术当前正处于技术和市场的成长期，本身仍有成本、环保、效率、稳定性等多方面的问题有待进1步解决和完善。因此，在当前阶段，开展钙钛矿技术研发，进行技术储备，仍存在着很大的空间。与此同时，鉴于该技术领域的前沿性和创新性，对研发成果进行及时、充分、有效的知识产权保护是重中之重。除此之外，随着全球化一体化的推进，申请人应当结合自身的具体情况，从时间维度，技术维度，空间维度等多个方面进行考量，制定合适的专利布局策略，以便在国际大舞台中参与竞争，并建立优势。

中国是全球光伏组件出货量最大的国家，也是全球光伏组件安装量最大的国家。中国企业掌握有光伏技术全产业链配套设施的技术，具有钙钛矿光伏技术研发和应用的天然优势。在当前新一轮的钙钛矿光伏技术革命中，假如中国企业能够抢占先机，尽早地开展钙钛矿光伏技术的研发储备，积极开展专利导航、挖掘、布局和培育工作，相信中国将会继续引领全球光伏产业，带领世界走向更加光明、更加清洁的未来。

摘要

本文介绍了钙钛矿光伏技术的基本情况和发展趋势，分析了钙钛矿光伏技术的全球知识产权保护情况，并以Oxford PV公司为例探讨了钙钛矿光伏领域的专利布局策略。本文可为相关企业和创新主体了解钙钛矿光伏技术的全球专利保护情况、了解主要竞争对手、制定专利布局策略等方面提供参考依据。

关键字：钙钛矿、光伏技术、专利布局

Abstract

This article introduces the current situation and development trend of Perovskite solar technology, analyzes the global intellectual property protection of said technology, and discusses the patent portfolio strategy of Perovskite solar technology bytaking Oxford PV company as an example. This article provides a reference for enterprises and innovators to understand the global patent landscape relating to Perovskite solar technology, locate maincompetitors anddesign global patent portfolio strategy.

Keyword: Perovskite, solar technology, patent portfolio

注：

【1】继往开来，开启全球应对气候转变新征程——在气候雄心峰会上的讲话, 人民日报, 2020.12.13. 第 02 版)

【2】Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction. Science , 2020; 370 (6522): 1300

【3】National Renewable Energy Laboratory, Best Research Cell Efficiencies Chart, 2020.09.22

【4】Kojima A, Teshima K, Shirai Y, et al. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells[J]. Journal of the Am

erican Chemical Society, 2009. 131(17):6050-6051.

【5】Kim H S, Lee C R, Im J H, et al. Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%[J]. Scientific Reports, 2012. 2:591.

【6】Joel, Teuscher, Tsutomu, et al. Efficient Hybrid Solar Cells based on Meso-Superstructured Organometal Halide Perovskites[J]. Science, 2012.

【7】https://www.oxfordpv.com/oxford-pv-story,2020年12月6日最后访问.

【8】Extance A, The reality behind solar power's next star material[J]. Nature, 2019. 570(7762):429-432.

【9】PV Infolink 2019组件出货排名,PV Infolink, 2020.1.20

【10】Snapshot of The Global PV Market,IEA-PVPS, 2019

【11】U.S. Chamber International IP Index, U.S. Chamber of Commerce, 2020