了解高效率太阳能电池的发展现状与知识产权态势
来源：宝鄂实业
2019-03-13 09:18
点击量：次
北极星太阳能光伏网讯:近年来光伏产业发展迅速，中国的光伏产业出货量雄踞全球榜首多年。根据集邦咨询旗下新能源研究中心集邦新能源网EnergyTrend统计数据，2018年全球组件出货量达到95GW，较2017年下滑8%，五大整合厂(晶科、天合、晶澳、阿特斯、韩华)与两大硅片龙头厂(协鑫集成、隆基乐叶)组成的SMSL硅基组件联盟依旧占有举足轻重的地位。
中国的前十大厂的总出货量提升至65GW，占比接近全球总出货量的70%。2018年单晶组件总出货量占比约为48.5%;相当于46GW的出货量，同比2017年31.1%(32GW)有较大增幅。从EnergyTrend对于2019年全球需求量预估的110GW来看；单晶组件占比与出货量肯定会突破50%以上。
受2018年531新政以及PERC产品普及化与整体市场价格向下修正影响，性价比较高的单晶产品更受市场青睐，而且更多高效单晶电池新技术的开发也给光伏市场的技术更替打开了新的加速器。
为进一步提高单晶硅太阳电池的效率，近几年的研究工作主要集中于提高硅片质量来降低体缺陷，选择性钝化接触技术来降低表面和界面缺陷的影响，开发先进的减反技术或交叉指式背接触技术等以提高光的利用率，引入低电阻金属化技术降低串联电阻，以电池背面局部开孔较少栅线电极与c-Si的金属-半导体接触复合，优化PN结制备技术以及器件结构等。
自2014年至今，单晶硅太阳电池的转换效率得到连续突破。目前，最高效率是日本Kaneka公司创造的26.6%，其他效率达到或者超过25%的晶硅电池包括钝化发射极背面局部场接触(PERL)电池、交叉指式背接触(IBC)电池、硅异质结(SHJ)电池、交叉指式背接触异质结(HBC)电池、隧穿氧化层钝化接触(TOPCon)电池、多晶硅氧化物选择钝化接触(POLO)电池等。目前转换效率超过25%的单晶硅太阳电池主要包括以下六种，具体参见表1。
从上表中，我们可以看到转换效率超过25%的单晶硅太阳电池新技术原创国均来自于欧美日等发达国家和地区，国内大型公司在部分技术上亦有较多的研发投入，国内产业规模优势如此巨大的情况下，技术储备处于弱势方的中国企业能否在国际上无知识产权风险进行市场开发呢？笔者选取以下几种技术进行技术态势和知识产权趋势进行简单梳理，期望能够为国内光伏产业提供一些有用信息，以飨读者。
一、IBC电池
IBC电池（全背电极接触晶硅光伏电池）将PN结和金属接触都设于太阳电池的背部正负，而面朝太阳的电池片正面采用SiNx/SiOx双层减反钝化薄膜呈全黑色，完全看不到多数光伏电池正面呈现的金属线，能够最大限度地利用入射光，减少光学损失，更高的短路电流这为使用者带来更多有效发电面积，外观上也更加美观。
作为IBC电池产业化领导者的美国SunPower公司已经研发了三代IBC太阳电池。2014年在N型CZ硅片上制备的第三代IBC太阳电池的最高效率达到25．2%；而应用层选择性激光工艺来制造POLO-IBC电池，转换效率则可达到26.1%。天合光能公司一直致力于IBC单晶硅电池的研发，2018年2月自主研发的大面积6英寸(243．2cm2)N型单晶硅IBC电池效率被证实提高到25．04%。Sunpower的IBC量产平均效率可达23%。
在知识产权保护方面，Sunpower和三洋-松下一直是光伏公司的翘楚。以Sunpower的专利态势为例：
1、全球申请趋势
Sunpower在全球一直在保持着持续的大量上升趋势，在2012年前后申请量持续增加，且其专利申请技术门类以H01L分类号下的太阳电池申请量为主，约占50%，还有大量关于H02S分类号下与光伏电站后端应应用相关申请、 H02J分类号下与储能、并网相关的技术的专利申请，以及其他分类号有关产业链上下游配套技术的专利申请。
Sunpower公司分析了25%效率的IBC电池后发现，电池效率的主要损失在发射极复合和背部光学损失。针对IBC电池技术的发射极损失，Sunpower公司在背面制结和背部的图案化方面进行了大量的专利技术布局，且诸多的专利均在中美日欧等国家和地区进行同族申请，尽可能在大的市场范围内保护其技术。而国内光伏公司在新技术开发专利布局方面则有诸多畏首畏尾的情形出现，以致于新技术的开发保护在法律层面上来看并未有大的进展。
二、HIT电池
异质结(hetero-junction with intrinsic thin-layer, HIT)太阳能电池是日本三洋公司1997年推出的一种商业化的高效电池设计和制造方法。异质结电池具有能量转换效率高、简单的低温制造工艺、薄硅片应用、温度系数和CTM低、可双面发电等一系列优势。经过Sanyo-Panasonic公司对本征a-Si∶H钝化层、背部场结构、高电导高透ITO、陷光结构、金属化栅线等关键技术的不断优化，在2013年将SHJ太阳电池效率提高到24．7%，在2014年将IBC技术与HIT技术结合，研发出的HIT-IBC太阳电池最高效率达25.6%。在国内，杭州赛昂的SHJ电池转换效率达到23．1%,中科院上海微系统与信息技术研究所N-CZ硅片制备的SHJ电池取得23．5%的效率。
异质结电池实现低成本量产的关键在于设备国产化、提高良率和产能以及降低硅片、低温银浆、TCO靶材和清洗制绒化学品等成本。日本松下、上澎、晋能、福建金石和中智电力等已实现异质结电池量产。2018年，通威、爱康、彩虹等企业纷纷开建异质结电池产能，且均规划了GW级产能布局，热度可见一斑。国内厂商于2018年上马诸多HJT电池厂能，一个重要原因是Sanyo的HIT电池基础结构专利在2018年失去保护，他们将可以使用HIT电池结构和相应技术。1 所有可充电电池都是可消耗的组件，随着化学年龄的增长，它们的性能会降低。设备的使用也会影响电池寿命的性能
2 影响电池续航和寿命的元素很多，苹果在这拿出了“化学年龄”概念；
在这篇文章最开始，苹果在普及了电化学知识，希望让用户了解目前锂电池的状态；在这，他们没有说的是，电池行业在近十年都没有革命性突破了，目前手机厂商加强续航的办法基本有三种：1 加大电池（手机会变厚）；2 加快充电速度，间接减小充电时间成本；3 优化芯片和供电部分，降低手机功耗。
关于降频：
1 老化的电池无法提供大负载，特别是在低电量状态下，可能导致设备突然关闭。
2 苹果认为意外关机是不可接受的，所以设计了这种方案（即处理器降频）；
3 苹果承认iOS 10.2.1系统（发布于 2017 年 1 月）会针对老机型降频，并且列出了型号：iPhone 6/6 Plus、iPhone 6s/6s Plus和Phone SE；以及安装了iOS 11.2的iPhone 7 /7 Plus；但他们同时又强调“仅在需要时对瞬时性能高峰进行动态管理（就是降频）”。
处理器降频这事，大概可以理解为一个人年龄大了，不能再像年轻人那样剧烈运动。此前电脑行业有类似做法，主要是为了防止CPU过热。
苹果设计了一个机制，在iOS意识到电池开始老化的时候，限制其最高主频。他们说“因为不想让用户在关键时刻漏接电话等”，这就是去年闹的很严重的iPhone 6s自动关机事件。
从这可以看出苹果的心思，一旦降频了，他们先保的是打电话，上网，地图定位，支付，拍照（强调了质量）等功能，这些是苹果定义的”关键功能“；第三方App等和系统平滑度排在其次，所以用户会觉得，自己的老手机格外卡顿。而解决办法，则是换一块新电池。（晓光）
附录：了解iPhone性能及其与电池的关系 原文：
我们希望 iPhone 能带来简单易用的体验。要实现这一目标，需要进行大量的工程设计制造和投入许多先进技术。其中一个重要的技术领域就是电池和性能。电池是一项复杂的技术，很多变量都会影响电池性能以及相关的 iPhone 性能。所有可充电电池都是消耗品，寿命有限，这意味着这些电池的容量和性能最终都会下降，因而需要接受服务或循环利用。出现这种情况时，iPhone 性能可能会发生变化。希望了解更多相关信息的用户可以阅读本篇文章以作参考。
关于锂离子电池
iPhone 电池采用锂离子技术。与前几代的电池技术相比，锂离子电池充电更快，使用更持久，同时具有更高的功率密度，能够以更轻便的体积提供更长的电池续航能力。对于您的设备来说，可充电锂离子电池技术是目前最优秀的技术。进一步了解锂离子电池。
如何充分提升电池性能
“电池续航能力”是一台设备在需要重新充电之前可以使用的时间。“电池寿命”是一块电池在需要更换之前的全部使用时间。影响电池续航能力和电池寿命的一个因素在于您对设备的各种使用方式。无论您如何使用设备，总有一些方法能对您有所帮助。电池的寿命和它的“化学年龄”有关。这个年龄不仅仅是指时间的推移，还包括不同的因素，例如充电周期次数和电池保养的方式。请按照这些提示来充分提升电池性能并帮助延长电池寿命。例如，长期存放 iPhone 时，保持一半的电量。同时，避免在高温环境下存放 iPhone 或为 iPhone 充电，包括长时间直接在阳光下曝晒。
当电池化学年龄增长
所有可充电电池都是消耗型组件，随着电池化学年龄增长，电池性能会有所降低。
随着锂离子电池化学年龄增长，蓄电能力会逐渐下降。这可能会缩短设备的电池续航能力，还可能会削弱电池快速供电的能力。为了让手机正常工作，其中的电子组件必须能够依赖电池的瞬时功率，而影响瞬时功率输出的因素之一就是电池的阻抗。阻抗高的电池无法足够快地提供系统需要的电力。当电池的化学年龄偏高时，阻抗可能会增加。在低电量状态和低温环境下，电池的阻抗会暂时增大，再加上偏高的化学年龄，阻抗的增大会更加明显。这些都是电池的化学特性，适用于业内所有的锂离子电池。
从阻抗较高的电池中获取电力时，电池的电压会大幅下降。电子组件的运行需要达到最低电压的要求。这包括设备的内部储存、电源电路和电池本身。电源管理系统会决定电池的供电能力，同时也管理负载以维持设备的运行。如果电源管理系统满负荷运作也无法支持设备运行，系统将会关机以保护这些电子组件。虽然对于设备而言，关机是有意为之，但用户可能会对此感到意外。
防止意外关机
当电池处于低电量状态，或化学年龄偏高，亦或置于低温环境下时，用户遇到意外关机的可能性更大。在极端情况下，关机会出现得更加频繁，因而导致设备变得不稳定或无法使用。iOS 10.2.1（发布于 2017 年 1 月）包含了针对 iPhone 以往机型的更新，以防止这些设备意外关机。其中包括一项功能，针对 iPhone 6、iPhone 6 Plus、iPhone 6s、iPhone 6s Plus 和 iPhone SE 机型，（仅在需要时）能够对瞬时性能高峰进行动态管理，以防止设备意外关机。这一功能也延伸到了装有 iOS 11.2 的 iPhone 7 和 iPhone 7 Plus 上。今后，我们还将继续提升电源管理功能。推出这一功能的唯一目的在于防止 iPhone 意外关机，确保设备仍然可以使用。
电源管理功能综合考量设备的温度、电池的电量以及电池的阻抗。只有在这三个变量需要的情况下，iOS 才会动态管理 CPU 和 GPU 等系统组件的最高性能，以防止意外关机。因此，设备可以自行平衡负载，能够更加顺畅地分配各个系统任务，而不会同时出现较大幅度的性能飙升。在某些情况下，用户可能不会注意到设备的日常性能有什么不同。能感知到的变化大小取决于特定设备所需的电源管理强度。
