【深度】石墨烯太阳能电池前景分析

　　目前，能源消耗主要来自于化石燃料，由于化石燃料储量有限以及所带来的环境污染问题，人们开始把目光投向可再生能源。在诸如风能、生物能、潮汐能、水力电气和地热等环境友好、可再生的能源中，太阳能的应用前景最为广阔。伴随着1954年第一个实用性的半导体太阳能电池的问世，标志着太阳能电池的发展开始起步；而石墨烯是理想的太阳电池导电电极材料，通过在太阳能电池中引入石墨烯材料，有效地提高了太阳能电池的光电转换效率。

　　基于太阳能电池行业发展的需求以及石墨烯修饰太阳能电池技术的研究进展，国家知识产权局专利分析普及推广项目石墨烯电池课题组从石墨烯太阳能电池的专利布局、技术动向、研发团队三个视角出发，对石墨烯太阳能电池技术进行了深度剖析。

　　PART 1——专利布局

　　石墨烯太阳能电池技术的申请量在全球和中国增长迅速，专利布局以中国、美国、日本和韩国为主，美国、日本和韩国也在中国积极布局，江苏、北京等省市是国内申请的主要来源。

　　全球石墨烯太阳能电池的专利申请从2007年的3件，经过5年的发展，迅速增加到了2012年的169件，整体呈现出迅速上升的态势。中国石墨烯太阳能电池的年度专利申请量的增长态势与全球类似，也是逐年稳步上升。

　　石墨烯太阳能电池全球专利申请主要来自中国，其次是韩国、美国和日本，这表明石墨烯太阳能电池的主要市场国是中国、韩国、美国和日本。石墨烯太阳能电池中国专利申请中有37%是国外在华申请，主要来自美国、韩国、日本，这说明美、日、韩在中国积极进行了专利布局。中国石墨烯太阳能电池专利申请的国内申请人主要来自江苏、北京等地区，而江苏和北京正是相关企业和研究机构分布密集的地区关注，这说明石墨烯太阳能电池作为一项新兴技术受到了国内企业、研究机构和大专院校的广泛关注。

　　PART 2——技术动向

　　石墨烯在染料敏化电池和半导体薄膜电池等技术中的应用是全球研发热点，国内的另一研发热点——异质结光伏电池可视为是中国特色。

　　如图1所示，全球石墨烯太阳能电池专利技术主要集中在染料敏化电池、半导体薄膜电池、硅基电池技术，共有224项专利申请；其次是通用类太阳能电池，其包括可用于多类太阳能电池中的通用部件，共有197项专利申请；其余申请量比较大的还有有机聚合物类太阳能电池，共有57项。整体上来说，目前石墨烯太阳能电池的研究重点还是集中在染料敏化电池、半导体薄膜电池、硅基电池、以及可用于多类太阳能电池中的通用部件等方面。

　　中国石墨烯太阳能电池专利技术分布与全球专利技术分布基本类似，但还存在一个明显的差异，在国内，异质结光伏电池也具有较高的申请量，异质结光伏电池共有20项。

　　就中国石墨烯太阳能电池专利申请的技术功效而言，如图2所示，其中可以实现提高光电转换效率目的的专利申请最多，其次是提高导电性和提高光吸收率的专利申请，然后是降低生产成本的专利申请，用于提高功率密度和短路电流的专利申请最少。虽然有较多的专利申请中石墨烯仅是作为一种可选的碳材料，但是石墨烯由于其具有众多出色的性能，尤其是具有优异的导电性，在太阳能电池领域越来越受到研发人员的关注。

　　石墨烯修饰的染料敏化太阳能电池专利申请主要涉及光阳极的基底、光阳极的导电层/导电薄膜、对电极的基底、对电极的催化层、电解质;专利申请从2008年起步，在2010之后出现了爆发式的增长。相关专利申请的技术原创国主要来源于四个国家或地区，分别是韩国、中国、美国和日本，而专利布局的目标市场也主要是中国、韩国、美国和日本。授权比例较高，占已经结案的专利申请量的78%，这表明石墨烯修饰的染料敏化太阳能电池领域的专利申请具有较高的创新度。主要申请人是韩国的UNIV SEOUL IND COOP GROUP和KOREA INST SCI & TECHNOLOGY、中国的中科院，而最有影响力的申请人是三星集团，其拥有石墨烯修饰的染料敏化太阳能电池的基础专利US2009071533A1。

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　　PART 3——研发团体

　　全球主要研发团体集中在中国、韩国、美国、日本，中国国内申请人以大学等研发机构为主，国外来华申请人则以韩国为主。

　　如图3所示，中国科学院的专利申请位居首位，国外专利申请人主要是韩国的国际知名跨国公司和科研院所，中国有四位申请人入选，包括一家国家级科研机构、两所知名大学和一家企业。中国石墨烯太阳能电池专利技术的主要申请人是中国科学院、海洋王、电子科技大学和清华大学;国外来华主要申请人是韩国浦项工科大学校产学协团。中国的主要申请人包括大学、科研院所和企业，国外来华主要申请人是科研院所。

　　中国科学院石墨烯太阳能电池专利申请同时覆盖半导体薄膜类、染料敏化类、异质结类、通用类、硅电池类、量子点敏化类、和有机聚合物类，其中半导体薄膜类石墨烯太阳能电池专利申请量居于首位，染料敏化类占据第二，异质结类和通用类并列第三。

　　如图4所示，中国科学院物理研究所孟庆波团队的研发重点是钙钛矿基薄膜类和燃料敏化类石墨烯太阳能电池。

　　三星集团石墨烯太阳能电池专利申请包括通用类、半导体薄膜类、染料敏化类和有机聚合物类，其中研发重点是通用类石墨烯太阳能电池，集中在2010-2013年。

　　如图5所示，三星集团的合作申请占总量的42%，包括大学和个人，合作申请人前三位是韩国成均馆大学、韩国汉阳大学和韩国金乌国立科技学院，其中韩国成均馆大学占合作申请总量的63%。

　　如图6所示，三星集团在该领域最重要的研发团队是以CHOI J.为中心的研发团队，CHOI J. Y.和CHOI W.是该团队的骨干成员，该团队的研发重点是通用类石墨烯太阳能电池。

　　（国家知识产权局专利分析普及推广项目石墨烯电池课题组）

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　　小编以“石墨烯太阳能”为关键词搜索相关发明专利，其中中国发明专利40项，中国实用新型31项，现举例如下：

　　1.一种基于石墨烯太阳能发电系统的路灯 发明专利 在审

　　申请号：CN201410678504.9 申请日：2014.11.24

　　公开(公告)号：CN104390188A 公开(公告)日：2015.03.04

　　申请(专利权)人：张嵩

　　分类号：F21S9/03(2006.01)I;F21V23/00(2015.01)I;F21V3/00(2015.01)I;F21V21/108(2006.01)I;F21W131/103(2006.01)N

　　摘要：本发明公开了一种基于石墨烯太阳能发电系统的路灯，属于太阳能利用技术领域。本发明采用如下技术方案：一种基于石墨烯太阳能发电系统的路灯，包括基座、石墨烯太阳能电池组、灯泡、蓄电池、导线，其特征在于，所述的基座上设置有支架，所述支架与所述基座固定连接，所述基座与所述的石墨烯太阳能电池组固定连接，所述蓄电池上开有多个输入端和至少一个输出端。本发明所达到的有益效果：不需要借助输电线路，路灯通过自身的石墨烯太阳能电池组将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，然后蓄电池作为电源给灯泡供电，结构简单，使缺少输电线路的偏远地区或者沙漠地区的道路也可以照亮。

　　2. 一种基于石墨烯太阳能发电系统的照明灯塔 发明专利 在审

　　申请号：CN201410589721.0　 申请日：2014.10.29

　　公开(公告)号：CN104359069A 公开(公告)日：2015.02.18

　　申请(专利权)人：常盛杰

　　分类号：F21S9/03(2006.01)I;F21V33/00(2006.01)I;H02J7/00(2006.01)I;H02S10/20(2014.01)I

　　摘要：本发明公开了一种基于石墨烯太阳能发电系统的照明灯塔，属于新能源利用技术领域。本发明采用如下技术方案：一种基于石墨烯太阳能发电系统的照明灯塔，包括发电系统和照明系统，其特征在于，所述发电系统包括石墨烯太阳能电池板、传感器、充电控制器、深循环蓄电池组组成。本发明所达到的有益效果：一是采用石墨烯作为太阳能光电转换的半导体材料，提高了太阳能光电转换的效率;二是在发电系统中设置有充电控制器，在发电系统发生故障或根据需要切断发电系统的电路，从而保护整个发电系统;三是照明系统加装逆变器，将深循环蓄电池组输出的电能转换成符合要求的交流输出供给照明系统使用。

　　3. 一种基于石墨烯太阳能发电系统的低压电气柜 实用新型 有效

　　申请号：CN201520512474.4 申请日：2015.07.15

　　公开(公告)号：CN204809710U 公开(公告)日：2015.11.25

　　申请(专利权)人：南京华文电气有限公司

　　分类号：H02B1/56(2006.01)I;H02S40/38(2014.01)I

　　摘要：本实用新型公开了一种基于石墨烯太阳能发电系统的低压电气柜，其特征在于，包括柜体、石墨烯太阳能电池板、蓄电池、散热器，所述石墨烯太阳能电池板设置于所述柜体的顶端，所述柜体的底端内壁上设置有方形凹槽，所述蓄电池设置于所述方形凹槽内部，所述散热器设置于所述柜体的后端，所述柜体的后端上部设置有通风口，所述通风口与所述散热器相连通;所述石墨烯太阳能电池板与所述蓄电池通过电缆线相连接，所述蓄电池与所述散热器通过电缆线相连接。本实用新型利用太阳能作为散热器以及LED灯、照明灯、草坪灯的光源，实现了户外的低压电气柜平时维护时的散热以及检修过程中的照明需求。

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