晶硅太阳能电池可根据衬底硅片的差异分为掺硼的P型晶硅电池和掺磷的N型晶硅电池，本文聚焦高效N型晶硅太阳能电池技术，对国内专利进行分析。
太阳能电池技术起源于美国，欧美及日韩等国起步较早，在技术和资源方面具有较大的先发优势。
1954年，美国贝尔实验室研制了第一块晶体硅太阳能电池，开启了太阳能发电新纪元。此后，太阳能电池发展大致经历了三个阶段。
第一代太阳能电池，主要为晶硅太阳能电池，其工艺技术成熟，转换效率高，是目前已经商业化应用的一类电池。随着工艺技术水平进步，目前实验室效率可达26%以上；
第二代太阳能电池，主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池，如碲化镉、砷化镓及铜铟镓硒薄膜电池等，此类太阳能电池所需材料较少，且容易大面积生产，因此在成本方面具有优势，目前效率提升也卓有成效；
第三代太阳能电池，是一种基于高效、绿色环保和先进纳米技术（包括染料敏化、钙钛矿、量子点等）的新型太阳能电池，具有更高的应用前景和发展潜力，但是由于其涉及微观领域，制作工艺和要求都比较复杂，界面电荷传输机理还需深入探讨。
目前在全球范围内，太阳能光伏电池中晶体硅电池转换效率较好，而且技术成熟，2020年晶体硅电池所占市场份额已达95.9%，薄膜电池约占4.0%，第三代电池仅占0.1%。
晶硅光伏电池可分为掺硼的P型电池和掺磷的N型电池，随着市场对电池效率的要求越来越高，P型电池的效率瓶颈已越发明显，降本速度也有所放缓，而光电转换的高效率、低成本是太阳能发电技术发展的不懈追求。
N型晶硅光伏电池具有高少子寿命、无光致衰减等优势，稳定性更高，电池工艺和效率提升明显加快，未来转换效率提升空间更大，因此成为行业关注和研究的热点。
目前N型晶硅电池的研究热点主要有PERT电池、TOPCon电池、IBC电池、HJT电池、HBC电池等，图1所示为N型晶硅太阳能电池技术发展路线。
图 1 N 型晶硅太阳能电池技术发展路线
PERT，即发射结钝化全背场扩散电池，是一种典型的双面电池，最早由澳大利亚新南威尔士大学研发，兼容了P型太阳能电池的制备工艺。N-PERT双面电池采用N型硅作衬底，其双面率较高普遍可以达到90%左右，同时具备低成本、高寿命、无光致衰减等优点；
TOPCon（隧穿氧化层钝化接触电池）是在N型电池工艺的基础上研发出的隧穿氧化层钝化接触技术，于2013年由德国Fraunhofer研究所首次提出，其融合了N型PERT电池的优势，具有更高的理论效率极限，且较PERC仅增加了硼扩、隧穿氧化层沉积等步骤，可在原电池设备制程基础上进行改造，是现有PERC产能后续转型第一选择；
IBC（叉指状背接触电池）最早在1975年由美国SUNPOWER提出，是最早研究的背结电池，其作为商品化晶体硅电池中工艺较复杂、结构设计难度较大的电池，是晶体硅研发制造的高水平代表。
IBC电池正面无栅线，而将PN结、基底及发射区的接触电极以叉指状排列在背面，因此串联电阻可以更小、电池正面入射光效率更高，具有很大的优化空间和潜力，其主要通过结构的改变来提高转换效率，还可以与PERC、TOPCon、HJT等其他技术叠加，有望成为新一代的平台型技术；
HJT（异质结电池）最早于1992年由三洋公司第一次成功制备，通过增加一层非晶硅异质结来提高VOC开路电压，从而提高电池片的转换效率，HJT电池具有双面发电、高开路电压、无PID现象、高效率、高光照稳定性以及低温制造工艺等优势受到行业关注。
随着HJT设备国产化、硅片减薄、低温银浆用量等成本的逐渐降低，未来异质结电池有望成为下一代主流光伏电池技术；2014年，受夏普研究成果启发，松下在其HJT电池基础上，结合了IBC电池结构，研发出了转换效率25.6%的HBC电池，刷新了世界纪录。
HBC（异质结背接触晶硅电池）具有较高的转换效率，主要原因在于充分吸收了HJT电池非晶硅钝化技术的优点，并采用了IBC电池结构，前表面无遮光损失和减少了电阻损失，因此迅速吸引了大批研发机构和企业的研究，成为最热门的技术路线之一。
据中国光伏行业协会CPIA统计，截至2020年底，全球转换效率超过25%的单晶硅电池的记录有12条，其中8项是使用了N型硅衬底材料，4项使用了P型硅衬底材料，而8项N型电池记录均为HBC、
TOPCon、HJT或IBC电池，如表1所示。因此本文聚焦N型晶硅太阳能电池技术，对国内专利进行分析。
表1 2020年全球单晶硅太阳电池效率实验室发展水平
专利申请态势将研究领域的申请总量沿时间展开，可以分析出增长速度的快慢、判断现阶段与既往申请量的高低，从而判断出专利技术所处的发展阶段是萌芽期还是低速或高速增长、低速或高速下跌亦或是平稳发展等不同时期，预期该技术领域的未来走向；分析中国申请人类型构成可以明晰创新主体的类型，并通过主体性质、创新能力以及研发用途，定位技术在产业链中的位置和运营模式，了解行业内影响力大的各类创新主体。
图2所示为2002—2021年中国申请人公开的涉及N型晶硅太阳能电池的专利申请-公开态势（考虑到专利一般从申请到公开需要长达18个月的时间，专利年度申请数量在2021年出现失真），从图2中可以看出，N型晶硅太阳能电池专利申请整体呈现增长趋势。
图2 N型晶硅太阳能电池中国专利申请 - 公开态势
21世纪初，我国尚无N型晶硅太阳能电池专利，这一阶段，主要技术来源于美国、德国、日本、澳大利亚等发达国家，而经历了21世纪初的萌芽期后，2016年起我国才开始加强N型晶硅太阳能电池相关技术的研究，专利进入平缓发展期，并于2018年后快速发展，至今呈现持续增长态势。
此外，在申请人类型构成中，企业申请人占据主要地位（84.35%），其次是大专院校和科研单位。可见晶硅太阳能电池领域最主要的创新主体是企业，企业拥有较强的研发实力和明确的研发目的，而高效N型晶硅太阳能电池的商业应用性质和价值也决定了企业是主要的创新主体，院校和科研单位应该协同企业进行研发，帮助企业更好地发展技术。
主要申请人排名列举了专利申请较多的申请人，可据此进一步分析申请人的创新成果和竞争实力。
图3所示为N型晶硅太阳能电池中国专利的主要标准申请人排名前十，包括国家电投集团、天合光能、爱旭、晶科能源、中来、爱康、时创能源、隆基乐叶、中国航天、晋能光伏。
图3 N型晶硅太阳能电池中国专利主要申请人排名
其中，各申请人主要研究的技术分支如图4所示，国家电投的N型晶硅太阳能电池专利申请主要涉及IBC技术分支，天合光能主要涉及TOPCon和IBC技术分支，爱旭主要涉及IBC和HJT技术分支，晶科能源主要涉及IBC和TOPCon技术分支，爱康主要涉及HJT技术分支，时创能源主要涉及TOPCon技术分支，隆基乐叶主要涉及IBC技术分支，中国航天主要涉及IBC和TOPCon技术分支，晋能光伏主要涉及HJT技术分支。
图4 N型晶硅太阳能电池中国专利主要申请人研究热点
龙头企业引领光伏技术的创新发展，其中，国家电投集团在IBC电池技术研究方面投入了大量的精力，其拥有高水平研发团队，并与华为、清华大学、杜邦等著名企业、高校科研院所建立了20余个联合创新实验室，建有世界规模最大、最为先进的太阳能发电实证基地。
2021年，由国家电投黄河上游水电开发有限责任公司建设的中国首条量产规模IBC电池及组件生产线电池量产平均效率突破24%，跻身国际先进行列；天合光能在TOPCon和IBC电池领域始终走在技术前沿，多次刷新电池效率世界纪录。
2021年，天合光能宣布其自主研发的210mm×210mm高效i-TOPCon电池，经中国计量科学院第三方测试认证，最高电池效率达到25.5%，创造了大面积产业化N型单晶硅i-TOPCon电池效率新的世界纪录，这是天合光能第23次创造和刷新世界纪录。
通过地域分布分析可以得到分析对象在不同国家或地区技术创新的活跃情况，从而了解主要的技术创新来源国和目标市场，并可在此基础上考虑专利布局。
图5所示为N型晶硅太阳能电池中国专利全球地域分布以及国内省市排名前十。
图5 N型晶硅太阳能电池中国专利地域分布
由图5可知，中国申请人申请的N型晶硅太阳能电池相关专利主要布局在中国，仅有少数为国外专利，一方面说明我国N型电池技术的国际专利还很少，全球专利布局不够完善，海外专利市场有待开发；另一方面说明，我国N型电池技术高质量专利申请还比较匮乏，需要从根本上提高专利申请的质量，并扩大保护范围。
由中国省市排名前十可知，江苏、浙江、陕西等在国内N型晶硅太阳能电池技术方面具有领先优势，其中江苏因拥有日托、天合光能、阿特斯、隆基乐叶等行业龙头企业，领先优势较为明显，可见江苏省申请人在晶硅太阳能电池技术领域的创新活跃程度较高。
专利的法律状态一方面可以代表专利的技术创新水平，另一方面可以代表专利权人对该专利的重视程度，二者均可在很大程度上反映出专利的质量。
通过专利法律状态分析，可了解专利的当前权利状态以及失效原因，为专利价值或管理能力评估、技术引进或专利运营等决策行动、风险分析等提供依据。
图6所示为N型晶硅太阳能电池中国专利当前法律状态，其中授权专利为324件，进入实质审查的专利为249件，公开未授权专利11件，被驳回专利82件，撤回专利53件，未缴年费专利29件，期限届满专利4件，避重放弃以及放弃专利共5件。
图6 N型晶硅太阳能电池中国专利当前法律状态
授权专利占比较高，说明专利申请质量较高。另外，被驳回和撤回专利占比略高，约为17.8%。
针对这一问题，我国专利申请人在专利申请前首先应该做好专利检索工作，对自身技术的新颖性和创造性作出判断并针对现存或者可能出现的问题进行积极改进，提高专利申请的质量，避免重复性的技术研发投入；其次还应注重专利撰写规范，避免影响到专利的保护范围和授权。
N型晶硅太阳能电池中国专利分类占比情况如图7所示。
图7 N型晶硅太阳能电池中国专利分类占比
同全球研究热点趋势相同，我国目前研究热点主要为HJT、IBC和TOPCon电池，这三种电池技术也是目前比较成熟、量产平均转化效率大于23%的N型电池技术。
PERT可以认为是最早的N型电池，但是与TOPCon等相比，从量产效率和成本上已不具备显著优势；HBC在继承了IBC和HJT两者优点的同时，也保留了两者各自生产工艺的难点如设备昂贵、工序长、投资成本高、制程复杂、对工艺和设备精度要求高等，产业量产仍然面临一定的难题，因此这两类电池专利申请占比较小。
专利技术生命周期是根据专利统计数据规制出的S曲线，通过对专利申请数量或获得专利权的数量与时间序列关系、专利申请人数量与时间序列关系等，反映专利技术所处的阶段周期性变化。
技术生命周期可以帮助申请人了解技术所处的具体发展阶段，并预测发展趋势或发展极限，从而进行技术管理或专利布局。
N型晶硅太阳能电池中国专利2012—2021年生命周期如图8所示（考虑到专利一般从申请到公开需要长达18个月的时间，生命周期在2021年出现失真）。
对应申请-公开态势，2015年以前，我国N型晶硅太阳能电池专利较少，基本处于萌芽期或技术引进阶段；2016年开始我国在N型晶硅太阳能电池方面技术有所增长但较为平稳；2018年至今，产业投入了较大的研发力度，专利申请及申请人数量持续增长，总体可认为仍处于成长期，反映了我国在N型晶硅太阳能电池技术方面有所突破，但由于N型技术面临着结构、产业化、高复杂性和高成本等方面的难题，与国外专利技术相比，仍然存在较大的上升空间。
图9所示为N型晶硅太阳能电池中国专利技术构成，主要分布在H01L（半导体器件）领域，其次是C23C、H01B等大类，而在光伏技术全球专利申请的技术领域分布中，IPC大组分类主要集中在H01L大类，是光伏领域的核心技术。
图9 N型晶硅太阳能电池中国专利技术构成
技术功效矩阵分析能够发掘专利技术所满足的市场需求，推动技术研发和竞争主体所关注的行业或市场的“痛点”和“痒点”，从而作为市场调研的补充信息，为后续技术研发提供方向。
对技术功效进行交叉分析，还能够摸清针对不同的市场需求目前已有的解决方案，辨明“热点”和“空白点”，从而为后续技术研发提供思路。
另外，专利技术功效价值度，主要对专利的技术领先程度等方面进行评估与分析，评价指标主要包括先进性、行业发展趋势、适用范围、配套技术依存度、可替代性、成熟度等，专利技术功效价值度随着时间的推移或法律状态的变化而变化，有助于宏观地了解各类技术的应用价值，从而调整研发路线。
图10 N型晶硅太阳能电池中国专利技术功效矩阵
图10所示为N型晶硅太阳能电池中国专利的技术功效矩阵，可以看出其功效主要集中在提高N型晶硅太阳能电池的效率、降低生产成本和复杂性等方面，对应地，N型晶硅太阳能电池中国专利技术功效价值度分析中，价值度较高的专利同样集中在这三个方面，如表2所示。
表2 N型晶硅太阳能电池中国专利技术功效价值度及专利数量
此外，依照专利技术功效价值度，从我国专利文献中筛选出重要文献10项（表3），对应表3我国N型晶硅太阳能电池专利现状及发展对策研究中重要专利的技术功效，N型晶硅太阳能电池的研究热点和未来发展趋势显而易见，即提高效率、降低成本、降低复杂性。
表3 重要专利文献
而降低损失以及提高电流的专利技术在H01B、H02S等大类中仍为空白点。
我国N型晶硅太阳能电池技术专利申请整体呈现增长趋势；
国家电投、天合光能、爱旭、晶科等知名企业占据了优势地位，未来的技术提升空间以及市场空间会很大，但由于核心技术主要来源于美国、德国、日本、澳大利亚等发达国家，我国N型晶硅太阳能电池相关专利主要是针对国外研发技术或工艺进行的各种改进，核心技术含金量不高，对原创技术和原创材料的研发、技术发展路线的监控需求迫切；
授权专利占比较高，说明专利申请质量较高；此外，国内存在明显的省市区域发展不平衡，且与发达国家相比，目前我国核心技术仍由国外引进，且公开的专利技术还处于国内专利布局阶段，尚未很好地进行国际专利布局，存在专利预警意识缺乏、专利布局不合理等问题。
从我国N型电池技术现状分析来看：我国目前研究热点主要为HJT、IBC和TOPCon电池；IPC大组分类主要集中在H01L大类；从技术生命周期来看，N型太阳能电池技术正处于生长期，技术创新潜力巨大；但N型太阳能电池发展目前的主要问题是技术限制；从技术功效来看，我国申请人致力于提高N型电池的效率、降低生产成本和复杂性等方面的技术问题。
来源：我国N型晶硅太阳能电池专利现状及发展对策研究
原文始发于微信公众号（光伏产业通）：从专利看中国N型晶硅太阳能电池现状及发展
