發佈日期:2015-06-25

大紅太陽高高掛—運用專利技術地圖探討未來太陽能發展趨勢

作者:樊晉源

專利資訊太陽能電池替代性能源photovoltaic cellalternative energy

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文章圖片所有權:http://pixabay.com/zh/users/juliacasado1-544794/,Created by juliacasado1(Julia Casado)

前言

替代性能源議題在近幾年內逐漸成為重點思考議題,主要在於原本世界各國所依賴之火力及煤礦能源發展,在20世紀開始就不斷被質疑其汙染性及危險性。而原本被視之為最為重要替代能源「核能」更在20世紀末期及21世紀初期,連續發生包含蘇聯車諾比、美國三哩島、日本311事件後,被世人真正了解其所產生之風險。因此替代性能源議題中,如何有效拓展乾淨能源,並進一步加強其發展應用面向,期望從中取代現有能源,這部分可說是現階段研究人員最為重視之議題。而在眾多乾淨能源選項中,現階段整體發展最具有優勢,且最具有市場競爭力的,首推太陽能。

進一步檢視太陽能之各國發展能量,我國可說是獨樹一幟,不但整體產業鏈完善,更重要的是技術能量及學研發能量發展均非常優異,根據科技部(前國科會)國家型計畫能源辦公室之分析,台灣在太陽能產業整體排名世界第四,另外依據昱晶能源科技 之資料,更顯現出台灣太陽能電池產業製造排名佔世界第二,僅低於中國大陸。整體而言,台灣之太陽能技術發展可說相當成熟,此一產業也可說是台灣堅實之發展利基。而進一步依照本中心專利及學術文獻資料(參照圖1及圖2)針對太陽能產業分析,可發覺我國不論在學術表現及專利表現,都位居世界前10,整體表現堪稱亮眼 。

圖1 太陽能電池相關uspto專利-原始專利權人國籍分析(台灣佔整體6%,僅次於美國、日本、韓國,總量居於第四位)

此部分資料引用自國研院政策中心2014年之太陽能技術初探報告,資料範圍2000-2014

圖2 全球主要國家太陽能 SCI論文相關之發表比重(台灣佔整體4%,次於美國、中國、日本、德國、韓國、印度,總量居於第七位)

此部分資料引用自國研院政策中心2014年之太陽能技術初探報告,資料範圍2000-2014

但不同於其他國家能源產業發展主要以供應本國市場為主 ,我國太陽能產業發展以出口為主,這主要是因為台灣本土之能源運用仍以火力及核能為主,替代性能源僅佔整體比率4.5%。因此台灣太陽能產業整體受到國際市場景氣循環狀況息息相關,包含產品之上游供應、以及下游之產業需求,都受到景氣狀況之影響(台灣產業之上下游整體列表,煩請參考圖3)。雖然有完善之產業發展,但相對而言卻常受到上游矽晶圓供應量不足,及下游買家需求之問題。進一步而言,各國之政策補貼與懲罰性政策,也直接影響到我國太陽能市場之發展性。如何有效面對與改善太陽能產業,並進一步思考太陽能產業之狀況,可說是現今太陽能產業界最大之問題。

圖3 台灣與世界主要國家之太陽能產業鏈公司名單 (本研究自行整理)

研究方法

本研究進一步運用Thomson Innovation 專利地圖進行整合分析(參考圖4),發現現階段太陽能產業之關鍵字,去除掉與技術無關之surface、Conductive、material等,可發現主要相關技術關鍵字以(Semiconductor, Dye Solution , Solution Photoelectric ,Photoelectric Conversion及Thin Film 這五者為主,其中Dye Solution , Solution Photoelectric ,Photoelectric Conversion排行分別為第二名、第三名及第四名、整體出現次數均超過3000次,相對應此三關鍵字之技術,分別為現今之染料敏化太陽能電池及鈣碳礦太陽能電池,至於太陽能電池之另外兩種主流技術,分別為現今之矽晶圓太陽能電池與薄膜太陽能電池,在關鍵字所代表之技術分別為Semiconductor及Thin Film , Film,雖然其整體出現次數分居第一名及第五名,但其整體而言總數反較Dye Solution , Solution Photoelectric ,Photoelectric Conversion這三者總合為少,這部分間接顯示其專利數量似乎較少,技術累積較弱;為了進一步探索此一趨勢,本研究更進一步搭配圖5專利申請趨勢進行了解與分析(參考自美國專利局相關資料。),透過圖5可發現現階段有機化合物(也就是本文所稱之染料敏化電池)及鈣碳礦電池之專利申請趨勢均大幅超越矽晶圓太陽能電池與薄膜太陽能電池。由此兩證據,證明染料敏化電池及鈣碳礦電池似乎可說是未來太陽能電池技術發展之新星,此部分之發展也值得研究人員進一步注意。

圖4 太陽能電池之專利地圖 (本研究自行整理)

圖5 太陽能電池專利技術申請趨勢分析 (本研究自行整理)

展望未來,可發現階段太陽能產業無法替代主流之能源產業,但在替代能源產業中,仍是最具有發展之重點產業之一。進一步針對太陽能電池之整體狀況進行分析,可發現主流雖仍是矽晶圓之相對應產品。但染料敏化及鈣碳礦這一類型之替代性太陽能電池之發展卻由逐漸發展成長之趨勢,為此建議政府可以依照下列意見,進行思考。

1. 替代性電池主要均著眼於矽晶圓的提煉困難,浪費大幅資源提煉之單晶矽及多晶矽電池,似乎並不是未來之能源發展取向。

2. 現今替代性電池,仍建議以可撓性 ,攜帶性的輔助類型電池為主,這部分電池發展較不需考量繁複的使用效率,對於可靠度要求也較低。建議可以增加此部分電池之效能為主。

3. 政策支援部分,我國現階段之替代性電池發展,在染料敏化部分居於世界領先地位,有機及薄膜部分表現頗為亮眼,但面臨矽晶圓之搶市,僅能建議國家以政策性補助之觀點,協助廠商。

4. 詳細且完整定位現階段太陽能電池之能量狀況,並有效整合學界及產業界研發能量。

學界在新技術及新市場的投入,往往會較業界來的快速,這一部分在於業界比較注重市場與利潤,而學界注重的是新技術及突破性技術之提升,在一年來針對此一主題之研究中,發覺學術界與產業業界經常在資訊不對稱之狀況下,做同樣一件事,只是方向不同,營運規模不同。建議未來政府單位可以有效增加一平台,提升學界與業界之溝通,加強針對各種不同類型之新世代太陽能技術交流,不單單僅針對技術部分,也必須針對認證、市場、效率及績效部分,有效做出完整之情報交流與分析,此一平台才能發揮其功效。

現階段能源產業中,太陽能電池可說是最具有產業化之替代性能源,而耗能較低之能源電池類似於染料敏化這一類型電池具有降低汙染,低成本發電效率、可撓性等眾多優點,這類電池之前景看好,不但對於現今消費市場可以有所幫助,更可以有效提升市場。建議政府部門及國家單位對於此類科技發展,不但需要適時提供相關研究支柱,更需要針對發展之重點產業提供策略性補助,如此才能搶先先機,有效在外部環境不佳之狀況下,保有不敗之地,等待下一波市場之趨勢。

本文節錄自本中心「太陽能電池產業技術與標準初探。」 出版報告

參考文獻

  1. SEMI(2014)。上網日期:2014年5月30日,取自:SEMI(2014)。SEMI官方網頁。上網日期:2014年5月30日,取自:http://www.semi.org/
  2. 科技部 能源國家型科技計畫 第一期總成果摘要報告書
  3. 兩岸矽晶太陽能電池產業之營運策略分析 陳匡宇 2012 未出版之碩士論文
  4. DIGITIMES 台灣大學光電創新研究中心主任 林清富 之專訪
  5. 台灣電力公司 網頁介紹 http://www.taipower.com.tw/content/new_info/new_info-c40.aspx?LinkID=13
  6. 經濟部能源局 再生能源發展條例
  7. 2012年太陽光電市場與產業技術發展年鑑 太陽光電產業協會
  8. 王孟傑 “2012年全球前三大之產業/產品-矽晶太陽能電池” IT IS 評析
  9. 張佳文 “2014 太陽光電技術發展與產業概況” 新竹清華大學 2014染料敏化電池研討會
  10. 2013年太陽光電市場與產業技術年鑑 光電科技工業協進會
  11. IDTechEx之研究報告http://www.epdtonthenet.net/article/44693/Thin-film-PV-and-batteries-is-a-market-reaching--45-billion-by-2021.aspx
  12. SNE RESEARCH之研究報告http://www.sneresearch.com/eng/service/report_show.php?id=562&sub_cat=
  13. EPIA Global market outlook for photovoltaics 2014-2018
  14. 鄒小平 钙钛礦太陽電池技術研究領域前沿發展報告 北京市自然科學基金研究文章
  15. Amaresh Mishra, Markus K. R. Fischer, and Peter B_uerle., Metal-Free Organic Dyes for Dye-Sensitized Solar Cells:From Structure: Property Relationships to Design Rules, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 2474 – 2499.
  16. Arman sedghi, Hoda nourmohammadi miankushki, Effect of Multi Walled Carbon Nanotubes as Counter Electrode on Dye Sensitized Solar Cells, Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014) 2029 – 2037.
  17. 楊茹媛、翁敏航、陳皇宇、張育綺, 由專利分析看染料敏化太陽能電池趨勢, 光連雙月刊2008年5月.No.75.