原標題：鈣鈦礦光伏技術的全球專利布局分析
本文介紹了鈣鈦礦光伏技術的基本情況和發展趨勢，分析了鈣鈦礦光伏技術的全球知識產權保護情況，并以Oxford PV公司為例探討了鈣鈦礦光伏領域的專利布局策略。本文可為相關企業和創新主體了解鈣鈦礦光伏技術的全球專利保護情況、了解主要競爭對手、制定專利布局策略等方面提供參考依據。
引言
2023年是《巴黎協定》簽署的5周年。2023年12月12日，國家主席習近平在氣候雄心峰會(Climate Ambition Summit 2020)上通過視頻發表了題為《繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程》的重要講話，宣布中國國家自主貢獻一系列新舉措，即到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。【1】截至2023年9月底，中國風電、太陽能發電總裝機容量為4.4億千瓦。這意味著，要達到上述目標，中國每年風電、太陽能的新增裝機合計將不得低于75GW。
具體到光伏發電，當前主流的太陽能電池均采用晶硅材料作為光電轉化材料。但是，從上世紀七十年代開始研發至今，晶硅材料的效率已逼近其理論效率極限29%，進一步提升效率難度較大。發電效率直接關系到發電成本，要想進一步降低光伏發電成本，提高光伏發電的市場競爭優勢，還需開發效率更高的光伏材料。
在眾多新一代光伏材料中，鈣鈦礦材料被認為最具應用前景。固態鈣鈦礦電池自2012年面世至今，其光電轉化效率由10%提升至25.5%。若用寬帶隙的鈣鈦礦頂電池與較窄帶隙的晶硅電池組成疊層電池，其最高效率可達到29.1%【2】，超過了單晶硅材料的理論極限?！?】而且，除了具有更高的光電轉化效率，鈣鈦礦材料還具有柔性、透明等獨特優點。
鑒于鈣鈦礦光伏材料廣泛的應用前景和巨大的商業價值，自其在實驗室誕生以來，各國科研機構便對其進行全方位多角度的專利布局。筆者在本文中對鈣鈦礦光伏技術的全球專利布局情況進行了介紹和分析。
一、鈣鈦礦光伏技術簡介
鈣鈦礦(perovkite)材料于1839年被Gustav Rose發現，后由俄羅斯礦物學家L. A. Perovski命名。鈣鈦礦材料結構式為ABX3.其具有與鈦酸鈣(CaTiO3)相同晶體結構，故中文命名為鈣鈦礦(圖1[5]，式中A和B是兩種陽離子，X是陰離子)。
圖1
2009年，日本桐蔭橫濱大學(Toin University of Yokohama)的宮坂力教授(Tsutomu Miyasaka)首次將鈣鈦礦材料(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)應用于染料敏化太陽能電池，獲得了最高3.8%的光電轉化效率?！?】2012年，韓國成均館大學(Sungkyunkwan University)的樸南圭(Nam-Gyu Park)團隊與瑞士洛桑聯邦理工大學(École Polytechnique Fédérale de Lausanne)的Michael Grätzel團隊合作，首次制備了全固態鈣鈦礦電池，他們采用鈣鈦礦吸光材料(CH3NH3)PbI3作為敏化劑，spiro-OmetaD(一種有機小分子空穴傳輸材料)作為空穴收集層，獲得了具有9.7%光電轉化效率的太陽能電池，該成果發表于Scientific Reports?！?】同年，牛津大學(University of Oxford)的Henry Snaith團隊以(CH3NH3)PbI3作為敏化劑，以介孔結構Al2O3為敏化劑的支架，以spiro-OmetaD作為空穴收集層制備了具有10.9%光電轉化效率的太陽能電池，該成果發表于Science。【6】自此，鈣鈦礦光伏技術吸引了全球各國研究人員的關注，與鈣鈦礦光伏技術的技術相關的各類研究日新月異，與鈣鈦礦光伏技術相關的專利申請數量也快速上升。
二、鈣鈦礦光伏技術的全球專利保護分析
2.1專利/期刊論文公開趨勢
使用歐專局專利數據庫(Espacenet)和棱鏡數據庫(Lens.com)對涉及鈣鈦礦光伏技術的專利申請和期刊論文進行了檢索和分析，共檢索到7800多件專利申請和13700多篇期刊論文(檢索日期截止至2020-12-10)。圖2示出了鈣鈦礦光伏技術的論文發表量和專利申請量隨時間變化的曲線。基于該曲線，可以將鈣鈦礦光伏技術的發展分為三個階段：
第一階段，萌芽期：2009-2012年
專利申請和論文發表的兩條曲線均始于2009年，這正是宮坂力研發團隊首次將鈣鈦礦材料(CH3NH3PbI3和CH3NH3PbBr3)應用于染料敏化太陽能電池的年份。在2009~2011年期間，專利申請量和論文發表量均處于較低的水平。這是由于盡管日本的宮坂力研發團隊于2009年首次將鈣鈦礦材料用于染料敏化電池，但該電池僅取得3.8%的光電轉化效率，有效面積僅為0.24 cm2.并且僅穩定了幾分鐘。宮坂力研發團隊僅僅建立了鈣鈦礦材料在光伏領域應用的雛形，尚未充分展現鈣鈦礦材料作為光伏材料的卓越潛力。因此，在此階段，鈣鈦礦光伏技術尚未引起科學界和產業界的關注，論文和專利申請的數量都很有限。
第二階段，突破期：2012-2015年
從曲線中可以看到，在2012-2015年，鈣鈦礦光伏技術的論文和專利申請的數量迅速增長，達到了約250篇/年的增長率。在2015年，專利申請數量比前一年增加了500多件，論文數量比前一年增加了700多篇。這種快速增長主要歸功于全固態鈣鈦礦光伏領域在2012年取得的重大技術突破。2012年，韓國(Nam-Gyu Park團隊)、瑞士(Michael Grätzel團隊)、英國(Henry Snaith團隊)的研發團隊在短短一年內將鈣鈦礦電池的光電轉化效率由3.8%提高到10%以上。這一技術突破使得鈣鈦礦光伏技術成為學術界的新星。2013年，鈣鈦礦光伏技術被Science雜志評為十大科學突破之一;2014年，其又被Nature雜志評為最值得期待的科技突破之一。
第三階段，成長期，2015年至今
2015年之后，隨著越來越多的研發團隊進入到鈣鈦礦領域，專利申請和論文的數量仍在持續攀升。(注：2019-2023年專利數量的下降是由于專利申請延遲公開(18個月)和PCT進入國家期限尚未到期(30個月)所致)。
圖2
2.2PCT申請專利申請分析
在7800多件鈣鈦礦光伏技術專利申請中，含PCT申請共計896件，占比約11.5%。這在一定程度上反映了申請人對鈣鈦礦光伏技術的全球專利布局的重視。
2.2.1 主要申請人
圖3示出了鈣鈦礦光伏技術PCT申請的申請人排名。排名前三的分別是德國默克專利公司(Merck Patent GMBH)、英國牛津大學和日本積水化學公司(Sekisui Chemical Co., Ltd)。來自德國、英國、日本、韓國、瑞士、美國、沙特的PCT申請人占據了榜單前十位。另外值得關注的是，圖3中的牛津大學研發團隊便是上文提到的Henry Snaith團隊(Henry Snaith教授也是世界領先的鈣鈦礦光伏技術公司Oxford PV公司的創始人);瑞士洛桑聯邦理工大學研發團隊即為上文提到的Michael Grätzel團隊(Michael Grätzel教授是染料敏化太陽電池的先驅)。這表明，上述幾個鈣鈦礦光伏技術創始研發團隊均極其注重其研究成果的知識產權保護。
圖3
2.2.2 提交申請的主要國家
為了解各國申請人對于鈣鈦礦光伏技術的專利申請情況，下面以申請人國別為研究目標，分析各國申請人提出PCT申請及國家/地區申請的情況。
如圖4所示，對于鈣鈦礦光伏技術的PCT專利申請而言，日本、美國、中國、韓國和德國分別以207件、169件、98件、91件和90件的PCT申請量占據前5位。這說明上述國家的申請人均具有較強的全球專利布局意識。
考慮到PCT申請只有在進入指定國家/地區后才有可能在對應國家/地區獲得專利保護，為了進一步分析各國申請人在全球布局專利情況，筆者擴展查詢了上述896件PCT申請的同族申請，共檢索到2242件國家/地區申請。
如圖4所示，在2242件國家/地區申請中，來自日本、美國和德國的申請人分別提交了510件、438件和320件國家/地區申請，占據前三位(占比62%)?？梢姡瑏碜匀毡?、美國和德國的申請人對鈣鈦礦光伏技術的全球專利布局最為重視，提交的國家/地區申請最多。
中國申請人提交了98件PCT申請(排名第3)，但僅提交了153件國家/地區申請(排名第5)，平均1件PCT申請僅進入1.5個國家，排名靠后。與之相比，日本(2.46)，美國(2.59)、德國(3.60)、英國(3.68)、瑞士(2.42)的申請人平均1件PCT申請進入2~4個國家。這表明，中國申請人的全球專利布局意識仍有提升的空間。
圖4
三、Oxford PV公司的專利布局分析
筆者還特別以Oxford PV公司(牛津大學Henry Snaith教授)為例，分析了該申請人圍繞鈣鈦礦光伏技術在全球進行專利布局的情況。
Oxford PV公司成立于2010年，專門致力于鈣鈦礦型太陽能電池技術的開發和商業化。2017年，該公司成功生產了第一塊商業尺寸的鈣鈦-硅疊片電池。2023年底，Oxford PV公司位于德國勃蘭登堡的200MW鈣鈦礦-硅異質結串聯太陽能電池生產線項目將完成建設。該公司目前已在牛津大學創新、牛津大學、金風科技、英國創新銀行、歐洲投資銀行、英國工程和自然科學研究委員會(EPSRC)以及挪威油氣公司(Equinor)等機構的支持下，籌集了1.4億美元的投資?！?】
3.1專利申請隨時間變化趨勢
Oxford PV公司于2012年申請了第一件鈣鈦礦光伏技術的專利。在2013~2016年，該公司圍繞鈣鈦礦光伏技術持續進行專利申請(圖5)。
圖5
3.2專利申請的技術布局
圖6示出了Oxford PV公司在鈣鈦礦技術領域的專利申請技術布局情況。如圖所示，Oxford PV公司在鈣鈦礦光伏技術領域進行了全方位多層次的技術布局，涵蓋了(1)鈣鈦礦光伏材料本身、(2)鈣鈦礦材料的制備工藝、(3)鈣鈦礦光伏電池的結構/構造、以及(4)鈣鈦礦電池的特殊性質及應用。該技術布局有效地構建了技術壁壘和專業門檻，阻礙新競爭對手進入鈣鈦礦光伏行業。
此外，對于鈣鈦礦光伏技術的核心—鈣鈦礦材料本身，Oxford PV公司投入了相當多的研發力量。如圖7所示，在傳統鈣鈦礦材料MAPBI3和FAPBI3的基礎上，該公司在2012年申請了混合陰離子鈣鈦礦材料(對應國際申請WO2013171517A1)，該材料相比于傳統材料具有出乎意料的穩定性、高功率轉換效率和高光電流。2016年，該公司又申請了混合陽離子鈣鈦礦材料(對應國際申請WO2017037448A1)，該材料以(和()的組合取代，不含鉛元素，對環境更為友好。2016年，該公司還申請了取代部分甲脒鎓陽離子的鈣鈦礦材料(對應國際申請WO2017089819A1)，該材料具有適用于串聯應用的理想帶隙，以及較高的穩定性。2023年該公司還申請了以硫族元素作陰離子的無鉛鈣鈦礦材料(對應國際申請WO2020188252A1)，該材料具有合適尺寸的帶隙、環境友好且容易合成。
圖6
圖7
3.3專利申請的全球布局
圖8示出了Oxford PV公司的全球專利布局情況。如圖所示，Oxford PV公司向WIPO提交的申請(PCT申請)的數量最多，這說明該公司特別注重研發成果的全球化保護，幾乎每項發明創造都提交了PCT申請。在具體國家/地區排名方面，Oxford PV公司提交的申請主要集中在歐專局、美國、英國、中國、韓國、日本和澳大利亞等國家/地區。
圖8
對于Oxford PV的全球專利布局策略，筆者認為，其可能受如下因素的影響：
（1）競爭對手所在地
專利權以排他的方式將競爭對手限制或排除在特定范圍的市場之外。因此，競爭對手所在地通常是專利布局的考慮重點。根據Nature雜志2023年的報道【8】，全球領先的鈣鈦礦商業機構如下表1所示。
表1 全球領先的鈣鈦礦商業機構
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國家 |
公司 |
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中國 |
Microquanta Semiconductor |
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中國 |
WonderSolar |
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日本 |
Sekisui/Panasonic/Toshiba |
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韓國 |
Frontier Energy Solution |
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美國 |
Energy Materials Corp. |
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美國 |
Swift Solar |
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美國 |
Tandem PV |
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英國 |
Oxford PV |
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瑞士 |
Solaronix SA |
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荷蘭 |
Solliance |
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波蘭 |
Saule Technologies |
由表1可知，全球領先的鈣鈦礦商業機構分布主要分布于中國、美國、日本、韓國和歐洲。換言之，美國、歐洲、中國、日本和韓國是鈣鈦礦商業化機構的主要所在地(即Oxford PV公司競爭對手的主要所在地)。因此，Oxford PV公司將中國、美國、日本、韓國和歐洲作為專利布局的重點地區，有利于限制競爭對手，爭取競爭優勢。
（2）產品生產地/銷售地
在全球化生產的今天，競爭者的所在地、生產地和銷售地都不再局限于單一國家，因此，在生產地和銷售地取得專利保護對于企業的全球化競爭十分重要。
以晶硅光伏組件的主要生產地/銷售地作為參考。表2顯示了由PV Infolink數據庫統計的2019光伏組件出貨排名。2023年，中國晶科出貨量約在14GW上下，遠高于其他組件生產廠商，亦蟬聯2019全球組件排名龍頭。緊隨其后的是，出貨量超過10GW的中國晶澳和中國天合，再往后為中國隆基、中加合資阿特斯、韓國韓華Q-cells、中國東方日升、中國尚德、中國正泰、中國蘇州騰暉。【9】另外，統計數據顯示，2023年，中國硅材料產量34.2萬噸，約占全球產量的60%;硅片產量135GW，全球排名前十的硅片廠家都在中國;電池片產量為129GW，同比增長26.8%，占全球產量的70%;光伏組件產量98.6GW，占全球產量超過70%。經過20余年的發展，中國光伏行業已掌握了從多晶硅、硅片、電池片到組件的整個產業鏈。因此，中國是當前全球晶硅光伏組件最主要的生產基地，中國也是最有潛力成為全球鈣鈦礦電池主要生產基地的國家。
表2 2019光伏組件出貨排名
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國家 |
公司 |
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中國 |
JinkoSolar（晶科） |
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中國 |
JA Solar（晶澳） |
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中國 |
Trina Solar（天合） |
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中國 |
Longi Solar Technology（隆基） |
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加拿大/中國 |
Canadian Solar（阿特斯） |
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韓國 |
Hanwha Q Cells |
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中國 |
Risen Energy（東方日升） |
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中國 |
Suntech（尚德） |
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中國 |
Astronergy（正泰） |
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中國 |
Talesun（騰暉） |
與此同時，中國、歐洲、美國、印度和日本還是太陽能電池組件最主要的銷售地。圖9顯示了國際能源機構光伏電力系統項目(IEA-PVPS)統計的2023年累計和新增太陽能安裝量的國家(地區)排名?！?0】對于累計安裝量，排名前5位的分別是中國、歐盟、美國、日本和德國。對于新增安裝量，排名前5位的分別是中國、歐盟、美國、印度和日本?？梢?，中國、歐洲、美國、印度和日本最為重視太陽能的應用，是太陽能電池組件的最大市場。因此，Oxford PV公司將中國、歐洲、美國和日本作為專利布局的重點，有利于在主要生產地和主要銷售市場建立知識產權壁壘，爭取競爭優勢。
圖9
（3）知識產權保護環境
印度也是太陽能電池的重要銷售地之一。根據圖9所示排名，印度在2023年新增安裝量排名第3.在太陽能電池累計安裝量排名第5.排名相當靠前。然而，Oxford PV公司在印度幾乎沒有進行專利布局。筆者認為，這可能與印度當地的知識產權環境有關。
美國商務部發布的2023年國際IP指數報告對世界53個經濟體的知識產權制度的保護效力進行排名?！?1】根據該IP指數報告，在專利相關領域(Patents, Related Rights, and Limitations)，新加坡、日本、韓國、瑞士和美國排名前5位，中國排名第23.而印度僅排名第43.可見，盡管印度在太陽能電池新增和累積裝機量都排名靠前，但由于該國較弱的知識產權保護力度，Oxford PV公司并沒有將印度作為專利布局的重點國家。
3.4小結
Oxford PV公司對研發成果知識產權保護的重視程度從上面的簡要分析中可見一斑。該公司不僅從材料、制備工藝、電池組件和應用全方位多角度地對鈣鈦礦專利技術進行了保護，而且結合了競爭對手所在地、產品生產基地、產品銷售地、目標地區知識產權保護力度等因素，在全球進行了周密的專利布局。這將為該公司后續的商業化提供有力的知識產權保障，并構建強大的知識產權護城河。
四、總結
鈣鈦礦材光伏技術方興未艾。從發展階段看，該技術當前正處于技術和市場的成長期，本身仍有成本、環保、效率、穩定性等多方面的問題有待進一步解決和完善。因此，在當前階段，開展鈣鈦礦技術研發，進行技術儲備，仍存在著很大的空間。與此同時，鑒于該技術領域的前沿性和創新性，對研發成果進行及時、充分、有效的知識產權保護是重中之重。此外，隨著全球化一體化的推進，申請人應當結合自身的實際情況，從時間維度，技術維度，空間維度等多個方面進行考量，制定合適的專利布局策略，以便在國際大舞臺中參與競爭，并建立優勢。
中國是全球光伏組件出貨量最大的國家，也是全球光伏組件安裝量最大的國家。中國企業掌握有光伏技術全產業鏈配套設施的技術，具有鈣鈦礦光伏技術研發和應用的天然優勢。在當前新一輪的鈣鈦礦光伏技術革命中，如果中國企業能夠搶占先機，盡早地開展鈣鈦礦光伏技術的研發儲備，積極開展專利導航、挖掘、布局和培育工作，相信中國將會繼續引領全球光伏產業，帶領世界走向更加光明、更加清潔的未來。
摘要
本文介紹了鈣鈦礦光伏技術的基本情況和發展趨勢，分析了鈣鈦礦光伏技術的全球知識產權保護情況，并以Oxford PV公司為例探討了鈣鈦礦光伏領域的專利布局策略。本文可為相關企業和創新主體了解鈣鈦礦光伏技術的全球專利保護情況、了解主要競爭對手、制定專利布局策略等方面提供參考依據。
關鍵詞：鈣鈦礦、光伏技術、專利布局
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 by taking 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 main competitors and design global patent portfolio strategy.
Keyword: Perovskite, solar technology, patent portfolio
注：
【1】 繼往開來，開啟全球應對氣候變化新征程——在氣候雄心峰會上的講話, 人民日報, 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, 2023年12月6日最后訪問.
【8】 Extance A, The reality behind solar power's next star material[J]. Nature, 2019. 570(7762):429-432.
【9】 PV Infolink 2019組件出貨排名, 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
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