太阳能电池硅片
专利情报分析报告
#01
太阳能电池硅片简介
太阳能电池硅片是硅太阳电池的核心部件，硅太阳电池是指以硅为基体材料的太阳能电池。按硅材料的结晶形态，可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
#02
太阳能电池硅片原理
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：硅是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要是利用这种半导体的光电效应。当硅晶体中掺入了其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点为2300℃，沸点为3658℃，密度为2.34g/cm3，硬度仅次于金刚石，在室温下较为稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高电导率和化学惰性的物质）、磷等，当掺入硼时，硼元素能够俘获电子，硅晶体中就会存在一个空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，它就成了空穴型半导体，称为P型半导体（在半导体材料硅或锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的P型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的N型半导体）。同样，掺入磷原子以后，因为磷有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成电子型半导体，称为N型半导体。P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时。在两种半导体的交界面区域里就会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。
由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的阳光，不能被电池利用。为此，科学家给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（减反射膜），实际工业生产基本都是用化学气象沉积一层氮化硅膜，厚度在1000A左右。将反射损失减少到5%甚至更少。或者采用制备绒面的方法，即用碱溶液（一般为NaOH溶液）对硅片进行各向异性腐蚀在硅表面制备绒面。入射光在这种表面经过多次反射和折射，降低了光的反射，增加了光的吸收，提高了太阳能电池的短路电流和转换效率。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
#03
太阳能电池硅片研究方向
硅太阳电池是以硅为集体材料的太阳能电池。按硅片厚度的不同，可以分为晶体硅太阳能电池和薄膜硅太阳能电池。按照材料的结晶形态，晶体硅太阳能电池有单晶硅（c-Si）和多晶硅（p-Si）太阳能电池两类；薄膜硅太阳能电池分为非晶硅（a-Si）薄膜太阳能电池、微晶硅（μc-Si）太阳能电池和多晶硅（p-Si）薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转化效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高转化效率为24.7%（理论最高光电转化效率为25%），规模生产时的效率为18%（截止2011年）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低成本其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代品。
多晶硅太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产铸造的多晶硅等材料。与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳池相比只是略低，它是太阳能电池的主要产品之一。多晶硅太阳能电池硅片制造成本低，组件效率高，规模生产时的效率已经到达18%左右。多晶硅太阳能电池占据主流，除了取决于此类电池的优异性能外，还在于其充足、廉价、无毒、无污染的硅原料来源，而近年来多晶硅成本的降低更将使多晶硅太阳能电池大行其道。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低、重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。非晶态硅，其原子结构不像晶体硅那样排列有序，而是一种不定形晶体结构的半导体。非晶硅属于直接带隙材料，对阳光的吸收系数高，只需要1μm厚的薄膜就可以吸收80%的阳光。非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，由于硅原料的不足和价格上涨，促进了高效使用硅的技术和非晶硅薄膜系太阳能电池的开发。非晶硅薄膜太阳能电池低廉的成本弥补了其在光电转化效率上的不足，但是由于非晶硅的缺陷较多，制备的太阳能电池效率偏低，而且受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了其实际应用。
微晶硅（μc-Si）薄膜太阳能电池同样由于光电效率衰退效应使其性能不稳定，发展受到一定的限制。
多晶硅薄膜太阳能电池是近年来太阳能电池研究的热点。虽然多晶硅属于间接带隙材料，不是理想的薄膜太阳能电池材料，但随着陷光技术、钝化技术以及载流子束缚技术的不断发展，人们完全有可能制备出高效、廉价的多晶硅薄膜太阳能电池。
#04
太阳能电池硅片制造工艺
太阳能电池硅片的生产工艺流程分为硅片检测—表面制绒及酸洗—扩散制结—去磷硅玻璃—等离子蚀刻及酸洗—镀减反射膜—丝网印刷—快速烧结等，具体步骤如下：
（1）硅片检测
硅片是太阳能电池片的载体，硅片质量的好坏直接决定了太阳能电池片转换效率的而高低，因此需要对来料硅片进行检测。该工序主要用来对硅片的一些技术参数进行在线测量，这些参数主要包括硅片表面不平整度、少子寿命、电阻率、P/N型和微裂纹等。该组设备分自动上下料、硅片传输、系统整合部分和四个检测模组，其中一个在线测试模组主要测试硅片体电阻率和硅片类型，另一个模块用于检测硅片的少子寿命。在进行少子寿命检测和电阻率检测之前，需要先对硅片的对角线、微裂纹进行检测，并自动剔除破损硅片。硅片检测设备能够自动装片和卸片，并且能够将不合格品放到固定位置，从而提高检测精度和效率。
（2）表面制绒
单晶硅绒面的制备是利用硅的各向异性腐蚀，在每平方厘米硅表面形成几百万个四面方锥体即金字塔结构。由于入射光在表面的多次反射和折射，增加了光的吸收，提高了电池的短路电流和转换效率。硅的各向异性腐蚀液通常用热的碱性溶液，可用的碱有氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钾和乙二胺等。大多使用廉价的浓度为1%的氢氧化钠稀溶液来制备绒面硅，腐蚀温度为70~85℃。为了获得均匀的绒面，还应在溶液中酌量添加醇类如乙醇和异丙醇等作为络合剂，以加快硅的腐蚀。制备绒面前，硅片必须先进行初步表面腐蚀，用碱性或酸性腐蚀液蚀去约20~25μm，在腐蚀绒面后，进行一般的化学清洗。经过表面准备的硅片都不宜在水中久存，以防沾污，应尽快扩散制结。
（3）扩散制结
太阳能电池需要一个大面积的PN结以实现光能到电能的转换，而扩散炉即为制造太阳能电池PN结的专用设备。管式扩散炉主要由石英舟的上下载部分、废气室、炉体部分和气柜部分等四大部分组成。扩散一般用三氯氧磷液态源作为扩散源。把P型硅片放在管式扩散炉的石英容器内，在850—900℃高温下使用氮气将三氯氧磷带入石英容器，通过三氯氧磷和硅片进行反应，得到磷原子。经过一定时间，磷原子从四周进入硅片的表面层，并且通过硅原子之间的空隙向硅片内部渗透扩散，形成了N型半导体和P型半导体的交界面，也就是PN结。这种方法制出的PN结均匀性好,方块电阻的不均匀性小于10%,少子寿命可大于10ms。制造PN结是太阳电池生产最基本也是最关键的工序。因为正是PN结的形成，才使电子和空穴在流动后不再回到原处，这样就形成了电流，用导线将电流引出，就是直流电。
（4）去磷硅玻璃
该工艺用于太阳能电池片生产制造过程中，通过化学腐蚀法即把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，使其产生化学反应生成可溶性的络合物六氟硅酸，以去除扩散制结后在硅片表面形成的一层磷硅玻璃。在扩散过程中，POCL3与O2反应生成P2O5淀积在硅片表面。P2O5与Si反应又生成SiO2和磷原子，这样就在硅片表面形成一层含有磷元素的SiO2，称之为磷硅玻璃。去磷硅玻璃的设备一般由本体、清洗槽、伺服驱动系统、机械臂、电气控制系统和自动配酸系统等部分组成，主要动力源有氢氟酸、氮气、压缩空气、纯水、热排风和废水。氢氟酸能够溶解二氧化硅是因为氢氟酸与二氧化硅反应生成易挥发的四氟化硅气体。若氢氟酸过量，反应生成的四氟化硅会进一步与氢氟酸反应生成可溶性的络合物六氟硅酸。
（5）等离子蚀刻
由于在扩散过程中，即使采用背靠背扩散，硅片的所有表面包括边缘都将不可避免地扩散上磷。PN结的正面所收集到的光生电子会沿着边缘扩散有磷的区域流到PN结的背面，而造成短路。因此，必须对太阳能电池周边的掺杂硅进行刻蚀，以去除电池边缘的PN结通常采用等离子刻蚀技术完成这一工艺。等离子刻蚀是在低压状态下，反应气体CF4的母体分子在射频功率的激发下，产生电离并形成等离子体。等离子体是由带电的电子和离子组成，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还能吸收能量并形成大量的活性基团。活性反应基团由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，在那里与被刻蚀材料表面发生化学反应，并形成挥发性的反应生成物脱离被刻蚀物质表面，被真空系统抽出腔体。
（6）镀减反射膜
抛光硅表面的反射率为35%，为了减少表面反射,提高电池的转换效率，需要沉积一层氮化硅减反射膜。工业生产中常采用PECVD设备制备减反射膜。PECVD即等离子增强型化学气相沉积。它的技术原理是利用低温等离子体作能量源，样品置于低气压下辉光放电的阴极上，利用辉光放电使样品升温到预定的温度，然后通入适量的反应气体SiH4和NH3，气体经一系列化学反应和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜即氮化硅薄膜。一般情况下，使用这种等离子增强型化学气相沉积的方法沉积的薄膜厚度在70nm左右。这样厚度的薄膜具有光学的功能性。利用薄膜干涉原理，可以使光的反射大为减少，电池的短路电流和输出就有很大增加，效率也有相当的提高。
（7）丝网印刷
太阳能电池经过制绒、扩散及PECVD等工序后，已经制成PN结，可以在光照下产生电流，为了将产生的电流导出，需要在电池表面上制作正、负两个电极。制造电极的方法很多，而丝网印刷是制作太阳能电池电极最普遍的一种生产工艺。丝网印刷是采用压印的方式将预定的图形印刷在基板上，该设备由电池背面银铝浆印刷、电池背面铝浆印刷和电池正面银浆印刷三部分组成。其工作原理为：利用丝网图形部分网孔透过浆料，用刮刀在丝网的浆料部位施加一定压力，同时朝丝网的另一端移动。油墨在移动过程中被刮刀从图形部分的网孔挤压到基片上。由于浆料的粘性作用使印记固着在一定范围内，印刷中刮板始终与丝网印版和基片呈线性接触，接触线随刮刀移动而移动，从而完成印刷行程。
（8）快速烧结
经过丝网印刷后的硅片，不能够直接使用，需经烧结炉快速烧结，将有机树脂粘合剂燃烧掉，剩下几乎纯粹的、由于玻璃作用而密合在硅片上的银电极。当银电极和晶体硅在温度达到共晶温度时，晶体硅原子以一定的比例融入到熔融的银电极材料中去，从而形成上下电极的欧姆接触，提高电池片的开路电压和填充因子两个关键参数，使其具有电阻特性，以提高电池片的转换效率。
烧结炉分为预烧结、烧结和冷却降温三个阶段。预烧结阶段的目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；冷却降温阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。
（9）外围设备
在电池片生产过程中，还需要供电、动力、给水、排水、暖通、真空、特汽等外围设施。消防和环保设备对于保证安全和持续发展也显得尤为重要。一条年产50MW能力的太阳能电池片生产线，仅工艺和动力设备用电功率就在1800KW左右。工艺纯水的用量在每小时15吨左右，水质要求达到中国电子级水GB/T11446.1-1997中EW-1级技术标准。工艺冷却水用量也在每小时15吨左右，水质中微粒粒径不宜大于10微米，供水温度宜在15-20℃。真空排气量在300M3/H左右。同时，还需要大约氮气储罐20立方米，氧气储罐10立方米。考虑到特殊气体如硅烷的安全因素，还需要单独设置一个特气间，以绝对保证生产安全。另外，硅烷燃烧塔、污水处理站等也是电池片生产的必备设施。
#05
项目检索
1、检索需求描述
检索与太阳能电池硅片相关的研究热点、应用领域及相关企业信息
2、检索数据库及检索年限
Himmpat中外数据库，从2003年-2023年
3、检索结果
共检索相关专利出15175件，其中国内专利8487件，国外专利6688件，后续将分别对国内和国外专利情况进行分析。
4、筛选重点专利文献
二次检索，筛选重点制作工艺方向专利，供企业进行参考。
#06
国内专利客观分析
6.1.1 年度申请量分析
▲ 图1
专利的申请量分析主要研究的是一个研发趋势分析，2023年的申请量数据不完整，主要以2022年及以前的申请量作为分析数据。
从每年专利的申请量来看，我国太阳能电池硅片的发展主要可以分为以下几个阶段：
（1）萌芽阶段（2003年~2004年）：这段时间我国的太阳能电池硅片的发展还处于发展初期阶段，所以相关专利的年申请量十分稀少，大概在每年10件左右。
（2）快速发展阶段（2005年~2012年）：随着2005年无锡尚德在纽交所上市，标志着国内太阳能电池的生产和研发开始驶入快车道。同时2005年也是我国多晶硅大发展的元年，因此这段时间内，我国相关专利申请量呈逐年递增的趋势。
（3）双反受挫阶段（2013年~2014年）：经历了第一个快速发展后，美国挑起“双反”，后来欧洲也加入贸易战阵营，我国光伏产业发展遭遇重创，大批企业倒闭，因此2013年和2014年这两年我国的年专利申请量呈下降趋势。
（4）二次发展阶段（2015年~2018年）：2014年9月2日，国家能源局发布《进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知》，给予用户光伏全额上网补贴；2015年光伏扶贫被国务院扶贫办确定为“十大精准扶贫工程”之一，且在同年国家能源局提出“光伏领跑者计划”，之后每年都实行的光伏扶持专项计划，在“领跑者”计划中所采用技术和使用的组件都是行业技术绝对领先的技术和产品，来建设拥有先进技术的光伏发电示范基地、新技术应用示范工程等方式实施。随着这一系列国家政策的颁布和2016年我国签署《巴黎协定》并成为批准协定的缔约方之一，我国的光伏产业进入了第二次高速发展的时期，在2015年至2018年我国相关专利的申请量明显快速增长。
（5）市场化阶段（2019年~2022年）：2018年5月31日国家能源局发布的《关于2018年光伏发电有关事项的通知》，要求控制普通光伏电站建设规模、补贴指标，并且将进一步下调光伏标杆上网电价、降低补贴强度。国家对光伏产业支持的决心没有变，但国家更倾向于平价上网和无补贴项目，因此我国光伏产业引来了一次“退烧”，从2019年至2021年我国相关专利申请数量较之前有些许降低，这也标志着我国光伏产业从国家补贴向市场化转型的开始。因此，这段时间虽然相关专利的申请量没有迎来较大增幅，但始终维持在一个较高的水准。
6.1.2 专利类型分析
▲ 图2
见图2，在已公开的专利中，发明专利有6323件，占比74.50%，实用新型专利有2096件，占比24.90%。从专利的申请类型来看，目前太阳能硅片相关的专利还是以研发型的发明专利为主，说明该行业目前还是处于创新研发的上升期阶段；但对于现有技术改进的实用新型专利也占据了总申请量的四分之一，说明该行业正在逐渐向成熟方向发展。
6.2.1 申请人排行分析
▲ 图3
通过申请人排行榜分析，可以明确哪些企业或科研院所或个人在该方向的研究更为深入。如图3所示，在申请人排行榜前10位中，都是企业公司无个人申请人、高校和科研院所。处于专利申请数量排名第一的是苏州阿特斯阳光电力科技有限公司，所申请的专利数量为222件，其中发明专利139件、实用新型专利83件；排名第二位的是浙江晶科能源有限公司，所申请的专利数量为174件，其中发明专利150件、实用新型24件；位于第三名的是浙江爱旭太阳能科技有限公司，所申请的专利数量为158件，其中发明专利116件、实用新型专利42件。
就目前太阳能硅片相关专利申请数量排名前十的公司来看，太阳能硅片行业已经有向深度研究发展的趋势，但还未形成垄断趋势，处于有一到两家公司领跑，但其他公司跟处于龙头的企业相差并不大。因此如果未进行投入研发的公司从现在开始开启自身的太阳能电池硅片技术领域的研究，或者已进行投入研发的公司加大对太阳能电池硅片技术领域的研发投入，积极进行相关的太阳能电池硅片专利技术布局，则有望成为太阳能电池硅片技术领域的领军企业，主导未来太阳能电池硅片市场。
6.2.2 申请人研发力分析
▲ 图4
图4为发明申请期间，申请人研发力分析图。
由图4可知，申请量靠前的几位申请人的主要技术领域均集中在H部电学，间或涉及一些B部作业运输和C部化学冶金等。其中，H部进一步主要集中在H01L小类。
B部：运输、作业；
C部：化学、冶金；
G部：物理；
H部：电学
H01L：半导体器件；其他类目中不包括的电固体器件
C30B：单晶生长；共晶材料的定向凝固或共析材料的定向分层；材料的区熔精炼；具有一定结构的均匀多晶材料的制备；单晶或具有一定结构的均匀多晶材料；单晶或具有一定结构的均匀多晶材料之后处理；其所用的装置
C23C：对金属材料的镀覆；用金属材料对材料的镀覆；表面扩散法，化学转化或置换法的金属材料表面处理；真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆
B08B：一般清洁；一般污垢的防除
B41F：印刷机械或印刷机
B41F：印刷机械或印刷机
G01N：借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料
B23K：钎焊或脱焊；焊接；用钎焊或焊接方法包覆或镀敷；局部加热切割，如火焰切割；用激光束加工
C23F：非机械方法去除表面上的金属材料；金属材料的缓蚀；一般防积垢；至少一种在C23大类中所列的方法及至少一种在C21D、C22F小类或者C25大类中所列的方法之多步法金属材料表面处理
C11D：洗涤剂组合物；用单一物质作为洗涤剂；皂或制皂；树脂皂；甘油的回收
6.2.3 申请人年度申请量分析
▲ 图5
由申请人年度申请量分析中我们可以看出专利申请人的专利申请趋势，进而分析其研发趋势，如图5所示，其中申请量最多的苏州阿特斯阳光电力科技有限公司在2016年有一较大突破，申请量达33件。常州天合光能有限公司和广东爱康太阳能科技有限公司在2018年以前每年都有不错的专利申请量，但在2018年之后就再也没有相关专利的申请来了，可能是因为2018年国家开始减少对太阳能行业的政策补贴，也有可能是因为在深入研究时遇到了技术瓶颈或者是该企业转换了研究方向，减少了在太阳能电池硅片领域的投入力度。
浙江爱旭太阳能科技有限公司、天津爱旭太阳能科技有限公司和常州时创能源股份有限公司都是在2017年之间没有任何相关专利的申请，在2017年之后开始了太阳能电池硅片方向的研究并开始申请相关专利，说明也有人看好太阳能电池硅片行业市场化的前景，并开始投资。
而除此之外的几家公司都是每年都有相关专利的申请，属于在太阳能电池硅片领域深耕已久，如果有意向进军该行业可着重关注这几家公司的研究方向和企业动态。
6.3.1 法律状态分析
▲ 图6
专利法律状态可以大致分为有效、失效和审中三种状态。
由图6可以发现在6391件发明中有1973件处于有效状态、2767件处于失效状态、1651件还在审中；在2096件实用新型专利中有1337件处于有效状态、759件处于失效状态。
从专利的法律状态来看，代表发明创新的发明专利虽然数量很多，但有几乎一半已经失效，而对现有技术改变的实用新型专利虽然在数量上不如发明专利多，但大部分都处于有效状态，因此可以看出该领域相关技术已经发展到了一定程度，已经开始对现有技术进行改进了；但发明专利中处于有效状态的发明专利和在审中的发明专利数量相差不多，说明该行业已经从起步阶段的多方面发展转变为向某一个方向的深入研究，因此该领域还未到固化的阶段，仍具有创新、发展的空间。
6.4.1 IPC技术构成分析
▲ 图7
分析专利技术分布情况，可辅助企业掌握该技术的主要研发方向或者选择技术空白、薄弱的点进行技术攻关。由图7可以看出，太阳能电池硅片的主要研究方向集中在H01L小类，具体涉及到半导体领域，太阳能电池硅片可以将光能转化为电能。未来太阳能电池硅片的发展更趋向于更高的光电转换效率的硅材料。并通过切割、制绒和镀反射膜等工序从制造工艺上高硅片的性能。
6.4.2 IPC技术申报趋势分析
▲ 图8
从图8以看出，近几年的技术研发主要集中在H01L小类上，且随着技术的不断深入，在这小类上的研发有一定突破，从2009年至2017年专利申请量有很大幅度的提升；C30B和C23C在2010-2023年也有一定的增长。
6.4.3 IPC技术申请人分析
▲ 图9
专利申请量靠前的几家企业的研究方向大多集中在H01L这一小类上，其中苏州阿特斯阳光电力科技有限公司和浙江爱旭太阳能科技有限公司在C23C小类上有所突破，常州亿晶光电科技有限公司在C30B小类上有所突破（见图9）。
6.5.1 年度申请量分析
▲ 图10
如图10所示，广东、河北、江苏、浙江等省市为该方向的研究大省，且总体来看，对太阳能电池硅片的研究主要集中在经济发展较快及沿海的省市。
#07
国外专利客观分析
7.1.1 年度申请量分析
▲ 图11
通过国外专利的年度申请量情况我们可以分析国际上对太阳能电池硅片的研发趋势。如图11所示，从2005年~2010年这段时间是发展阶段，这几年间专利申请量逐年增加，在2010年出现峰值。接着从2010年~2023年，相关专利申请量逐年下降。2015年和2021年时，相关专利申请量经过两次小幅上涨，但总体还是处于缓慢地逐年下降状态。
7.2.1 申请国家申请量分析
▲ 图12
申请国家申请量分析可知，美国专利申请量为1472件，占比22.01%，占据较大比重；日本申请量为865件，占比12.93%；韩国的申请量为844件，占比12.62%，凸显了美、日、韩三国在太阳能电池硅片领域的研究力度。
7.2.2 申请国家分析
▲ 图13
通过申请国家申请量及申请人分析可以看出，如图13所示，专利申请量排在前三名的国家包括日本、韩国、美国等发达国家，且都集中在H01L、G01N和C30B，说明目前发达国家对太阳能硅片本身材料的研究非常重视，并积极进行布局应对未来的激烈竞争。
7.3.1 申请人排行分析
▲ 图14
通过申请人排行榜分析，如图14所示，可以明确哪些国家的企业、科研院所或个人在太阳能电池硅片领域的研究更加深入。可以看出，美国的太阳能公司申请量领先，说明美国的太阳能公司研究较为深入，其次是美国的应用材料公司、法国原子能和代替能源委员会和韩国的LG电子股份公司。
7.3.2 申请人研发力分析
▲ 图15
此图为发明申请期间，申请人研发力分析图。由图15可知，申请量靠前的几位申请人的主要技术领域均集中在H部电学，间或涉及一些C部化学冶金等。其中，H部进一步主要集中在H01L小类。
B部：运输、作业；
H部：电学；
C部：化学、冶金；
G：物理
H01L：半导体器件；其他类目中不包括的电固体器件
C30B：单晶生长；共晶材料的定向凝固或共析材料的定向分层；材料的区熔精炼；具有一定结构的均匀多晶材料的制备；单晶或具有一定结构的均匀多晶材料；单晶或具有一定结构的均匀多晶材料之后处理；其所用的装置
C23C：对金属材料的镀覆；用金属材料对材料的镀覆；表面扩散法，化学转化或置换法的金属材料表面处理；真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆
G02B：光学元件、系统或仪器
G01B：长度、厚度或类似线性尺寸的计量；角度的计量；面积的计量；不规则的表面或轮廓的计量
H01B：电缆；导体；绝缘体；导电、绝缘或介电材料的选择
B23K：钎焊或脱焊；焊接；用钎焊或焊接方法包覆或镀敷；局部加热切割，如火焰切割；用激光束加工
C09D：涂料组合物，例如色漆、清漆或天然漆；填充浆料；化学涂料或油墨的去除剂；油墨；改正液；木材着色剂；用于着色或印刷的浆料或固体；原料为此的应用
C03B：玻璃、矿物或渣棉的制造、成型；玻璃、矿物或渣棉的制造或成型的辅助工艺
B05C：一般对表面涂布液体或其他流体的装置
C09K：不包含在其他类目中的各种应用材料；不包含在其他类目中的材料的各种应用
H04N：图像通信
H02N：在电机中的元件装置
7.3.3 申请人年度申请量分析
▲ 图16
由申请人年度申请量分析中我们可以看出专利申请人的专利申请趋势，进而分析其研发趋势。申请量最多的美国太阳能公司申请量主要集中在2010-2015年，2015年之后专利申请量开始逐年减少，一方面可能是遇到了研发瓶颈，攻关困难；另一方面也可能该实验室转换了研究方向，对太阳能电池硅片减小科研力度。总的来看，各公司和科研机构的研究成果申请量变化趋势相近，说明此时想要有新的突破较困难，各国研究人员均处于攻坚战时期，相信这一难关克服后，该领域会有一个较大的进展。
7.4.1 IPC技术构成分析
▲ 图17
分析专利技术分布情况，可辅助企业掌握该技术的主要研发方向或者选择技术空白、薄弱的点进行技术攻关。由图17可以看出国外专利技术构成结果和国内专利技术构成结果类似，太阳能电池硅片的主要研究方向是关于太阳能电池硅片的制备。
7.4.2 IPC技术申报趋势分析
▲ 图18
从图18可以看出，H01L小类一直是研发的主要方向，其相关申请量也明显高于其它小类，C23C小类也有一定的增长。
7.4.3 IPC技术申请人分析
▲ 图19
如图19所示，美国的太阳能公司在H01L小类研究比较深入，韩国的东友精细化工有限公司在C09K小类研究较深入，另外美国的纳幕尔杜邦公司在H01B小类的研究上比较深入。
#08
专利主观分析
8.1.1 苏州阿特斯阳光
电力科技有限公司
苏州阿特斯阳光电力科技位于江苏苏州市，于2006年6月由加拿大太阳能公司(Canadian Solar Inc.简称CSI)全资设立。加拿大太阳能公司，注册于加拿大多伦多，在纳斯达克上市。中国总部在江苏苏州高新区。该企业是一家集太阳能光伏组件制造和为全球客户提供太阳能应用产品研发、设计、制造、销售的专业公司。公司由清华毕业生、加拿大籍华人瞿晓铧博士于2001年11月创建，并于当月投入运营。CSI为全球客户生产在住宅、商用、工业等领域有着广泛应用的太阳能光伏产品及太阳能发电应用产品，还以公司的专业品牌为汽车行业、通讯行业等特殊市场提供太阳能光伏产品的解决方案，同时也为世界领先的太阳能光伏厂商进行 OEM 加工。
8.1.1.1
申请趋势
▲ 图20
从该公司的年度申请趋势来看，和这段时间内国内太阳能电池硅片领域整体的申请趋势相吻合，从2008年开始专利申请数量逐年增加，公司处于发展上升阶段，2013年和2018年有所跌落，前者是因为欧美与中国在光伏行业的贸易战，后者是因为国家政策方向转移。
8.1.1.2
专利类型分析
▲ 图21
该公司一共有146件发明专利占据该公司总专利数量的54.4%，其中有效状态77件、失效状态43件、审中状态16件；其余114均为实用新型专利，其中63件为有效状态、51件已经失效。从该公司的专利申请类型来看，该公司还是具有较强的研发创新能力的。
8.1.1.3
IPC分析
▲ 图22
该公司专利主要的申请集中在H01L31/18、H01L31/0224、H01L21/673、H01L31/0216、H01L31/0236这几个小组中，具体涉及专门适用于制造或处理这些器件或其部件的方法或设备、电极、图层、特殊表面结构等方向，表明了该公司到目前为止所有的研究成果和未来进一步的研发方向。
苏州阿特斯阳光电力科技有限公司在硅片加工制作中的在表面制绒工段成果显著，例如在专利“CN106449808A—一种晶体硅太阳能电池绒面结构的制备方法”中提供了一种晶体硅太阳能电池绒面结构的制备方法，包括如下步骤：（1）在硅片表面形成多孔质层结构；（2）用混合溶液处理上述步骤（1）的多空质层结构；（3）采用清洗液去除残留金属颗粒；（4）然后用第一化学腐蚀液进行表面刻蚀，即可得到晶体硅太阳能电池绒面结构。本发明大幅度延长了氢氟酸和硝酸混合溶液的使用寿命，并确保了绒面结构的稳定性和均匀性。
在扩散制结也有不错的成果，如“CN101499501A—一种制造掺镓单晶硅太阳能电池的磷扩散方法”公开了一种制造掺镓单晶硅太阳能电池的磷扩散方法，包括：热处理、第一次磷扩散、第一次驱入处理、第二次磷扩散、第二次驱入处理、保温，从而完成掺镓单晶硅片的表面复合，提高了光电转换效率，降低了转化效率的衰减。
8.1.2 浙江爱旭
太阳能科技有限公司
浙江爱旭太阳能科技有限公司位于浙江省义乌市苏溪开发区。是广东爱康太阳能在义乌建立的年产8GWPERC双面太阳能电池基地。主要从事晶硅太阳电池的研究、制造、销售和售后服务。公司计划5年内投资60亿元，分三期建设，每期投资20亿元。公司是中国前三位的专业光伏电池制造商。 公司建立了一支技术实力雄厚的研发团队，所有研发骨干人员的学历都在硕士以上，并且具有近百名丰富工艺经验和设备经验的学士工程技术人才，依靠自开发，逐步掌握光伏产业具有国际领先水平的核心技术，并获取了多项国家授权的实用新型和发明专利，公司技术的先进性和产品的创新性均走在业界发展的前沿。 公司专注于制造高品质、高效率的太阳能电池片，并已顺利通过TUV的ISO三体系认证。公司以电池片稳定、转换率高、碎片率低和衰减低的优势在同行业中获得了良好的口碑。 浙江爱旭将继续秉持精益求精的追求，本着“让太阳能成为经济的清洁能源”的使命，努力开拓创新，打造全产业链的光伏企业，成为全球有竞争力的光伏航母，以求供给全人类更可靠、更安全、更高效的清洁能源产品。
8.1.2.1
申请趋势
▲ 图23
浙江爱旭太阳能科技有限公司在17年之前没有任何相关的专利申请，从2017年开始有相关专利的申请记录，但2018年遇上国内政策方向转变，对光伏行业造成打击，因此一直到19年相关专利的申请数量都是出于一个下降的趋势，但该公司马上适应了过来，于是从2020年起相关专利申请数量开始逐年增加。
8.1.2.2
专利类型分析
▲ 图24
该公司发明专利一共有99件，其中29件有效、12件失效、50件在审中；实用新型专利有72件，其中70件有效、2件失效。该公司大部分专利都保持在有效状态，说明该公司对专利保护这方面比较重视。
8.1.2.3
IPC分析
▲ 图25
该公司申请的相关专利主要集中在H01L31/18、H01L31/0216、H01L31/0224这几个小组中，具体涉及专门适用于制造或处理这些器件或其部件的方法或设备、电极、图层等方向。
如在硅片清洗领域，该公司在“CN106972079B—PERC太阳能电池硅片背面的清洗方法”中公开了一种清洗太阳能电池硅片的方法，包括：（1）将硅片放入KOH和H2O2的混合溶液中；（2）将硅片放入去离子水中进行漂洗；（3）将硅片放入KOH溶液中；（4）将硅片放入KOH和H2O2的混合溶液中；（5）将硅片放入去离子水中进行漂洗；（6）将硅片放入HF溶液或HCL溶液或HF和HCL的混合溶液中；（7）将硅片放入去离子水中进行漂洗，漂洗完将硅片提出水面；（8）将硅片烘干。该清洗方法能有效提升电池的光电转换效率。
在P型背接触式晶硅太阳能电池领域也有不错的建树，如“CN113363354B—一种P型背接触式晶硅太阳能电池的制备方法”中公开了一种P型背接触式晶硅太阳能电池的制备发方法，包括P型硅片抛光及生长氧化硅层、硅片背面沉积非晶硅层、硅片背面沉积掩膜、硅片背面局部激光消融、制绒、退火、硅片背面沉积背面钝化膜、激光开槽、正负极印刷烧结等。该制备方法简化了生产工艺、降低了生产成本且提升了电池性能和转换效率。
8.2.1 太阳能公司
太阳能公司（SunPower）成立于1985年，公司总部位于加州的San Jose，于2005年在NASDAQ上市，拥有5千多名员工，在中国、瑞士、德国、意大利、西班牙、韩国、美国、澳大利亚、英国、希腊、以色列和菲律宾均有办事机构，2010年的销售额超过22亿美金，在光伏行业名列第三。
SunPower是一家集开发、设计、生产和销售高效、高可靠性太阳能电池片、组件和系统为一体的光伏公司。依托公司超过25年的经验，所设计的太阳能光伏系统给民用、商用、政府及电力公司客户带来了很好的回报率。该公司给大型电站提供设计、施工和维护工作，对于民用和小型商业客户，该公司通过该公司的全球销售网络提供服务。从公司成立之初该公司就在不断创造和打破着世界纪录，该公司提供的组件效率比常规组件高50%，是某些薄膜技术的5倍。
电站建设方面，在欧美SunPower通过从土地获取、项目许可、项目工程设计、项目施工及试运行、系统运行和维护，直至电站销售的垂直整合，从而有效地控制项目开发的各个阶段。拥有自我知识产权的大型光伏系统在全球11个国家已经建设和安装了超过500个大型电站，总装机容量达到1.5GW，目前正在参与开发的电站总规模达到5GW。
8.2.1.1
申请量分析
▲ 图26
从该公司相关专利申请量的趋势图可以知晓，该公司在2004年至2015年这段时间内每年的相关专利申请数量呈逐年上升的趋势，中间在2008年经历了一次下跌，在2015年专利年申请量达到峰值。但从2015年以后年专利申请量快速下跌，一直持续到现在，可能与2015年中国开始大力支持光伏产业有关，收到了中国相关公司的冲击。
8.2.1.2
专利类型分析
▲ 图27
该公司所有的与太阳能电池硅片有关的专利均为发明专利，其中147件有效、38件失效、20件在审，结合该公司的年度申请量变化趋势来看，虽然太阳能公司在2015年之后的专利申请数量较少，但其有效专利数量占比较大，说明该公司在该行业较早时期就取得了非常突出的研究成果，掌握了许多具有高价值的发明专利，且对这些专利的保护较为注重，也从侧面说明了太阳能公司在光伏领域的重要地位。
8.2.1.3
IPC分析
▲ 图28
该公司所申请的专利类型主要集中在H01L31/18、H01L31/04、H01L31/0224和H01L31/0216这几个小组上，具体涉及到在制造或处理过程中的测试或测量、用作光伏〔PV〕转换器件、图层和电极这几个方向。
该公司所有的公开号为KR20140027172A的发明专利中公开了一种薄硅太阳能电池及其制造方法，具体步骤包括：在硅衬底上形成牺牲层；以及在所述硅衬底上形成牺牲层。在牺牲衬底上形成掺杂硅层；在掺杂的硅层上形成硅膜；在硅膜上形成多个相互交叉的触点；使多个交叉触点中的每一个与金属触点接触；并去除牺牲层。
该发明公开了另一种制造太阳能电池的方法。该方法包括在硅衬底的上表面上形成牺牲层；以及 处理牺牲层的暴露表面以形成纹理化表面；在牺牲衬底的带纹理的表面上形成重掺杂的硅层；在重掺杂硅层上形成较低浓度的掺杂硅层；在较低浓度掺杂的硅层上外延生长硅膜；在硅膜上形成相交的接触结构；将硅膜粘结到载体上；通过去除牺牲层将重掺杂的硅层与硅衬底分离；从载体上剥离硅膜；并在重掺杂硅层上形成抗反射涂层。
该发明还公开了另一种制造太阳能电池的方法。该方法包括在硅衬底上形成牺牲层；以及 在牺牲衬底上形成掺杂硅层；在掺杂的硅层上形成硅膜；在硅膜上形成多个相交的触点；并将掺杂的硅层与硅衬底分离。
该项发明专利提供了一种新颖的太阳能电池制造工艺和结构并大大减少了太阳能电池的制造成本。
又如公开号为JP2009545158A的发明专利中涉及到了一种基本扩散面积较小的太阳能电池，其特征在于太阳能电池具有形成在背面上的基极扩散区和发射极扩散区。发射极扩散区配置为收集太阳能电池中的少量电荷载流子，而基极扩散区配置为收集大量的电荷载流子。发射极扩散区域可以是分隔基极扩散区域的连续区域。每个基极扩散区的面积可能很小，从而减少了部分电荷载流子，并且由于大多数电荷载流子的横向流动而基本上不增加串联的电阻损耗。每个基础扩散区域可以具有例如点的形状。
该发明还公开了一种太阳能电池的制造方法 ，其中在衬底的第一表面上形成第一掺杂层，并且该第一掺杂层包括用于暴露衬底的多个开口，在衬底 的多个开口中形成第二掺杂层。在第一掺杂层中，第一掺杂剂从第一掺杂层扩散，在太阳能电池的背面形成连续的发射极扩散区，然后，该发射极扩散区用于收集少量的载流子。所述 第二掺杂剂从形成在所述多个开口中的掺杂层扩散，以在所述太阳能电池中扩散所述第二掺杂剂；在所述太阳能电池的背面上形成多个基极扩散区，并且多个基极扩散区被配置为收集 太阳能电池中的大量电荷载流子，并且在太阳能电池的背面上提供第一金属栅格，形成第一金属栅格并将第一金属栅格电耦合至发射极扩散区 ，以形成所述太阳能电池的背面上的第二金属栅格，并且所述第二金属网格由多个金属格栅形成的。阿 那涉及方法被电耦合到所述基极扩散区的基极扩散区。
该发明公开了一种改进的背电极太阳能电池结构及其制作方法，与常规太阳灯电池相比具有更高的效率。
8.2.2 法国原子能和
替代能源委员会
法国原子能和替代能源委员会（French Alternative Energies and Atomic Energy Commission）是由法国政府资助的机构，成立于1945年10月，总部在巴黎。
主要有四大研究领域：国防和安全、低碳能源（核能及可再生能源）、工业技术研究、物理和生命科学领域的基础研究。在协同基础研究和技术研究的基础上，致力于推动法国国家的技术研究和尖端技术向工业化转化。
研究工作包括核反应堆设计、集成电路制造、使用放射性核素治疗疾病、地震学和海啸传播、计算机系统安全等。
法国原子能和替代能源委员会分为5个部门：核能部（DEN）、技术研究部（DRT）、生命科学部（DSV）、物质科学部（DSM）、军事应用部（DAM）。
截止2019年底、有9个研究中心、20181名员工。自1972年起成立了216家公司、拥有50亿欧元预算。在2016年被路透社评为“全球最具创新研究机构”的第一名。
8.2.2.1
申请趋势
▲ 图29
从申请趋势图我们可以看法国原子能和替代能源委员会在2003和-2021年这段时间内除了2007年和2018年两年没有相关专利申请以外，其余时间均有相关研究成果产出。其中在2011年-2016年这段时间内有一个较高的专利申请量，说明该机构在这段时间内在太阳能电池硅片的研究上取得了重大突破。
8.2.2.2
专利类型分析
▲ 图30
从饼状图我们不难发现法国原子能和替代能源委员会所有申请专利均为发明专利，其中63.37%处于失效状态、26.73%处于有效状态、9.9%还在审中。
该机构所持有的专利处于有效状态的只有总专利数的四分之一，可能与科研机构的性质与企业不同，科研机构更倾向于该领域最前端的研发与创新，因此可能产生了大量无法应用到实际生产中的技术，因此这些相关专利被遗弃。
8.2.2.3
IPC分析
▲ 图31
法国原子能和替代能源委员会所申请的专利主要集中在H01L31/18、H01L31/20和H01L31/0747这几个小类，具体涉及到专门适用于制造或处理这些器件或其部件的方法或设备、包含非晶半导体材料的器件及器件的部件和包括结晶材料和非晶材料的异质结这几个研究方向上。
其在公开号为DE602006001741D1的发明专利中公开了一种基于薄膜硅制造光伏电池的方法，具体包括通过在支架上沉积至少一个第一P（或N）掺杂非晶硅层和一个第二N（或P）掺杂非晶硅层来提供一个异质结，利用脉冲电子束硅结晶技术使至少一个第一层至少部分结晶。该方法可以减少薄膜硅电池的生产成本的同时提升了生产质量，还减少了生产过程中有毒气体的产生。
又如在公开号为KR20140054017A的专利中公开了一种光伏电池的丝网印刷系统及相关方法，其特征在于丝网印刷系统包括金属模版和固定在金属模版的整个周边上以形成蹦床组件的布，布固定在金属模版上，具有至少一个自由端，从而减少或防止了在刮墨刀的影响下变形。该方法克服了现有技术中金属模版边缘易变形、油墨摊开不均导致光伏电池性能降低和印刷较大框架的硅片时成本较贵的问题，提供了一种更优良、成本更低的光伏电池印刷方法。
#09
总结
在“双碳”的目标下，可循环利用的新能源取代传统能源已经是不可逆转的大趋势。太阳能作为能源相比化石能源具有取之不尽、可以再生、永续利用等优势。太阳能的有效利用，可以避免石油、天然气、核能开发上的激烈竞争，有助于解决全球变暖、温室效应、环境污染等一系列问题。其中硅太阳能电池是整个光伏领域中发展最早、技术最成熟和商业化最高的板块。而硅片又是硅太阳能电池的核心部件。
从1958年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池以来，到现在已经走过半个多世纪。当前我国作为全球最大的太阳能发电市场，对于太阳能电池硅片行业有着良好的发展空间；从技术创新前景来看，太阳能电池硅片的创新研发似乎已经到了一定瓶颈，现有更多的是对硅片实际生产中各个阶段工艺的优化；从国家政策来看，目前国家对光伏行业支持的决心没有变，不过从最开始的政策哺育已经转为支持其自负盈亏市场化。
随着全球温室气体排放的持续增加，国家对清洁能源的需求越来越迫切，政府投入越来越多的资金用于支持太阳能发电的发展。此外，多个国家已经出台了各种支持措施，以促进硅太阳能市场的发展。例如，印度政府推出了“太阳能能力建设计划”，印度将到2022年建设20GW的太阳能发电能力，并在2023年达到100GW的发电能力。欧盟也有“欧洲太阳能能源政策联盟”，推动低碳技术的发展，实现发展可持续性。这些政策将有助于推动硅太阳能电池行业的发展。硅太阳能电池作为一种新型的可再生能源利用技术，已经被越来越多的国家所重视和开发。给硅太阳能电池持续发展创造了巨大的市场需求。目前，环境保护意识的普及以及能源消费的增加，都使得太阳能发电的市场需求剧增。此外，随着技术的不断改进，硅太阳能电池的成本也在不断下降，使得更多消费者考虑使用太阳能发电。因此，硅太阳能电池行业面临巨大的发展机遇。
从国内外专利申请的内容来看，关于太阳能电池硅片的研究热点集中在对于硅片自身材料性质的研发以及对现有生产技术的改进。因此，企业可以重点以硅片材料自身的改进为突破口。且从专利申请的类型来分析，该领域相关技术已经有了一定的成熟度及一定的应用规模。因此，企业也可以选择产业链中处于制造加工的方向发展。
从国内外专利申请的数量角度，国内相关产业在经历了初始的混沌期后，已经完成了从国家哺乳到独立市场化的转型，且在近些年相关专利申请量迎来了第三次增长浪潮，象征着光伏行业的第三次发展来临；反观国外相关专利申请量呈逐年下降的趋势，但这并不意味着国外相关研究热度降低，分析国内的几家太阳能电池硅片的龙头企业会发现，这几家较大体量的公司都是国外在中国开设的分公司，因此国外相关研究的竞争地点变为中国。企业想要在此领域发展需在研发中投入大量的金钱和精力。