發佈日期:2016-01-15

我國染料敏化光驅動電池(DSC)研發策略及產業發展之建議

作者:洪長春

專利資訊染料敏化光驅動電池專利佈局研究前沿研發策略Dye-Sensitized Solar CellPorphyrinResearch FrontPatent Analysis

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一、產業發展現況

染料敏化光驅動電池(Dye-sensitized solar cell, DSC) 發展至今已超過二十餘年,對台灣而言,DSC的設備、材料可全部由國內廠商提供,加上製程簡易與製造成本低,且產品又無毒性,本身具有良好的透光性及光電轉換效率。因此屬於有機光驅動電池的DSC極有可能是下世代光驅動電池的主流,以目前國際的預測來看,NanoMarkets預估2015年有機太陽能電池的市場可望達180億~270億新台幣。

台灣的DSC整體產業鏈發展已有初步雛形,但談到模組發展,與世界大廠面臨之問題大體相同,即在實驗室測試時,整體效能均可達到標準,但放大至一般生產(大多要100 cm2)時,效能就可能不如預期。因此,若以產業化為出發點,如何放大製程,使模組仍有高的效率,未來開發能夠延長使用壽命的關鍵材料,有效應用至DSC產業,此部分是至為關鍵之所在。

二、文獻及專利分析

本研究從文獻及專利分析角度,探討目前DSC的發展。從學術能量表現來看,全球論文發表在2009年後大幅地成長,2013年相關的論文發表已近2000篇(附件圖一)。其中,中國大陸有最高的論文成長率,其發表量亦為全球最高。台灣目前的發表量佔全球約7 %,全球排名第5(附件圖二),可說是DSC電池研究的主要國家之一,尤其在2009年之後論文發表量有大幅地上升,目前每年的論文發表量(約180篇)已經超越了日本,並且論文發表比重(從6 %至9.4 %)以及影響力(從0.82至1.2)在10年間(2005-2014)有顯著地成長,已達世界平均。另外,從研究前沿(Research Front) 分析來看,台灣在DSC的關鍵元件染料方面,也都有舉足輕重的地位,如中央大學為主傳統Ru(釕)-錯合物染料研究、中興大學為主開發紫質(Porphyrin) 類有機染料及交通大學在此類染料的元件製程優化,以及中研院產學合作為主所開發之其他有機分子染料,這些論文研究主題是當今受世人關注的議題。

專利分析方面,目前專利數以日本所佔比重最高(48%),其次為美國(27%)、韓國(9%),台灣也佔有5%之比重(附件圖三)。以機構來看,擁有最多專利的是美國的Konarka科技公司,其為薄膜太陽能電池板的重要開發者,不過,2012年已申請破產保護,相關專利皆轉讓給默克專利股份有限公司。

專利技術分類統計,若以光驅動元件來看,以電極方面之專利數最多,其中又以工作電極(光陽極)有關之專利為主;其次是光驅動電池組合元件之專利。電解質分類方面以固態高分子/gel類之專利為多數;染料分類方面,無金屬有機染料及過渡/金屬錯合物染料之專利數相當。其次,從專利之功效分類來看,電解質元件專利的功效大部份在於離子/導電性之增加;電極元件專利的功效大部份在於降低成本、奈米/多孔性的半導體結構,以增加光吸收的表面積,低界面阻抗且電(子)荷傳輸效率要高,能夠抑制光電子再組合及降低光電子擴散途徑等,並保持電池穩定/持久性及抗氧化;染料元件專利的功效大部份在於光吸收/係數增加及範圍擴大,藉由新穎的合成染料或天然之光敏化物質來增加光吸收之效率,或者經由染料分子的設計擴大光的吸收範圍,同時成本要低且製造簡單,並能夠維持良好之穩定/持久性,尤其是具備抗腐蝕/耐溫/抗退化之功效。整體來看,DSC發展,至2008 年之基礎專利到期後,可看出DSC技術的發展朝向更高的光電轉換效率,同時仍具備先前提到的產品優勢,同時發展軟性基材之電池。要達到以上功效,電池元件本身特性,包括:電荷傳送物質(電解質)及光敏化之活性物質(半導體材料及染料)及相互間之搭配,都會影響到光電轉換效率。

從專利數最多之專利權人所擁有之技術分布來看, Konarka公司擁有之專利是屬於光驅動電池組合元件之製造方法;Rice William M大學專利都是屬於奈米碳基功能性結構(含合成)電極;Samsung之專利分佈則在電極及染料方面較多;Nippon與Sony corp之專利技術較明顯不同,Nippon之專利技術以無金屬有機染料為主,而Sony corp之專利技術則以工作電極(光陽極)較多。

三、專利佈局分析

從專利佈局角度來看,以製作工作電極(光陽極)或奈米碳基/有機聚合物結構電極之技術降低DSC成本,是目前DSC電池專利的主要熱點所在。以工作電極方面的專利分布來看,主要有Fuji 、Itri、Sharp 、Showa 、Sony 、Sumitomo 及南加大等為主要專利權人。值得一提的是,布局奈米碳管應用於DSC來降低製造成本之熱點區域,Rice William M大學應是具有相當的主導地位。從平均家族數(註一)來看技術功效之熱點區域,以碳基為主的材料(如SWNT) 取代透明導電氧化物(TCO) 之可能性是目前專利最有經濟價值的布局方向;從自引證數分析來看,平均自引證數最大的熱點區域只有1件專利,此專利是使用特殊新的methine-group顏料(無金屬有機染料),不但價格便宜,同時提升DSC之轉換效率,專利權人為Nippon公司,家族數有15個,因此可看出Nippon在開發新的methine-group有機染料方面,將有別於其他所有權人,建立屬於自身有經濟價值且具領導地位的企圖。另外,透過企業專利轉讓進行合縱連橫之策略聯盟僅有Samsung轉讓給目前專利權人Alternative Energy Resources Inc(US)(1件專利),因此可知目前DSC電池較具專利數量的所有權人並未有策略聯盟。以產品功效的角度分析,無論何種產品分類,具有高轉換效率之特性,如電子傳輸或離子導電性等功效之專利相當少,代表目前DSC模組或系統裝置,具有高轉換效率之專利並不多。

(註一:本研究採用Derment家族數(即除基礎專利外,各專利成員所主張的優先權需完全相同)。家族數可反映出專利的經濟價值,同時品質指數也會很高 。)

DSC是多種組合元件相互搭配才能具備最佳效能,包括光電轉換效率、穩定性及持久性等特性,目前此種型態太陽能電池有電流-電壓特性量測之專利(US6946858B2)是遵循國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC) IEC 60904-2 或 IEC 60904-6之規範而來。2014年12月22日,臺灣工業技術研究院召開「台灣建立新世代太陽能電池國際標準」的記者會,公告全球第一件新世代太陽能電池之電流-電壓性能測試標準(SEMI PV 57-1214)。因此,從專利佈局角度來看,台灣如何加速光驅動電池組合元件進行卡位,將是未來研發策略之重點。

四、台灣發展DSC研發策略之建議

DSC所涉及的技術包括:製備高比表面積之多孔性奈米顆粒電極、染料的合成、電解質的選用、相對電極層的製備、導線的設計、元件的封裝等。另外,為擴大應用及降低製造成本,開發大尺寸及軟性基材、電極材料開發等也是重點。台灣在DSC方面,從專利數量來看以光敏化染料之專利最多,同時也朝向無金屬有機染料之分子設計方向發展。電解質、電極方面專利數不多,尤其是光驅動電池組合元件之專利數相當少。以下針對目前台灣現有專利技術,建議未來的研發方向如下:

(一)光敏化染料之開發:台灣目前有16件光敏化染料專利,其中有8件是過渡金屬(Ru)錯合物染料,其中家族數最多(14個)有2件專利(US8278447B2及US8247689B2),專利權人是永光化學(美國分公司),其次是永光化學與中研院所共有專利(US7538217B1),家族數有13個,此3件專利皆無自引證數,因此,有待繼續建立自身的專利池。DSC未來有經濟價值的技術是使用製造成本低、適合室內光源之高光吸收係數/範圍之染料及易量產製程的有機染料。目前來看,台灣具有合成高光吸收染料之能力,但相較於Ru錯合物或無金屬有機染料,較不具有低成本之功效,且缺乏有利的專利池。另外,台灣在porphyrin類衍生物染料研究方面相當受矚目,如何突破現有專利壁壘等,都是未來研發策略應考慮的重點。

(二)有效降低電極製造成本:目前看來DSC熱點區域最有價值專利是奈米碳基結構電極降低DSC成本。單壁碳奈米管(SWCNT)具有相當優越的特性,例如:高導電性、抗氧化及穩定性、高催化活性及透明性,且製造成本低,適合取代目前在工作電極上使用的透明導電氧化物,如:ITO(indium tin oxide)、FTO(fluorine doped tin oxide)、IZO(indium zinc oxide)等,也可用於相對電極取代昂貴的Pt或Pd。不過,目前實際將SWCNT應用於DSSC製造上仍有一些技術問題,例如:如何避免電子/洞穴再組合影響轉換效率等。台灣在電極製作方面,從專利來看目前尚未將SWCNT應用在DSC上,由於Rice William M大學掌握碳基奈米管原材料大部分專利,如何突破其製造技術及應用於DSSC所產生的效率問題,這是台灣在DSC研發策略上可以發展的重點。

(三)建立DSC整合測試:製造成本低、轉換效率高、穩定/持久性是DSC在所有類型太陽能電池中的主要優勢。另外,生產大尺寸且軟性基材之DSC電池是未來的發展方向,從目前專利來看,仍有許多技術問題,例如:在較低溫度下軟性基材,如:PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PC(Polycarbonates)等,上光活性層(dye/semiconductor)的附著性、抗腐蝕性及低阻抗等,都是需要全面考慮的問題。目前DSC專利大部分都是針對個別的問題提出解決方案,例如:工研院在電極製造上使用低成本電泳沉積方式,將TiO2 ,ZnO,ITO等金屬氧化物沉積於傳統基材的透明導電層上,附著性佳且可減少金屬氧化物層之厚度,有助於電解質之滲透。其他,如工研院的3件半固態或凝膠電解質專利,具有穩定/持久性功能,解決電池封裝的液漏問題,但使用這種電解質的離子導電性會比液態電解質差,如何搭配染料敏化半導體吸收層,而不致於影響DSC的效能,需要全面考慮電極、染料敏化半導體吸收層及電解質,最後再加上電池的封裝、導線連接等因素,並且進行整合性測試。因此,如何將低成本製造的電極材料(包括基材、透明導電物)、染敏材料與電解質之搭配,而達到高轉換效率及穩定/持久性之功效,這是需要產學研進行合作,也是台灣未來產業化過程必須建立的研發策略。

(四)低光照室內及消費性產品應用開發:近年來雖有光電材料鈣鈦礦(perovskite) 之開發,專利申請資料(US20130104969A1)顯示可提高太陽能電池之光電轉換效率及穩定性,但仍處於研發及模擬階段。從有機太陽能產業發展角度來看,台灣現階段應朝向室內低光照及消費性產品應用方向發展。此方面專利如US7982129B2(Merck Patent (GMBH))專利應用於電力插座、電池充電器或手機充電器;US7638706B2(Samsung)專利應用於穿戴式電子裝置;US7351907B2(Merck Patent (GMBH))專利應用於顯示器、照明等元件電力供應。因此,無論室內或室外,可導入應用的領域充滿無限想像。

五、結論

目前DSC實際應用於基載電力的光電轉換效率不及於矽基之太陽能電池,再加上穩定性及持久性問題尚無法滿足業界需求。台灣於2011年於中央大學在科技部(原國科會)的計畫補助下,成立全國唯一的「有機太陽能電池研究量測實驗室」,其目的是要整合國內研究能量、鼓勵業界朝向多組合元件的DSC效能測試之相關問題提供協助,以加速商業化的時程。從技術、能源市場及發電成本考量,以及專家學者觀點,DSC電池目前應以消費性電子產品應用為主,搭配應用於感測器及可攜式或穿戴式裝置。

註:本文摘錄自國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心103年度研究報告:「染料敏化太陽能電池專利壁壘與突圍策略」

附件:

圖一、 全球染料敏化太陽能電池相關之論文發表趨勢

圖二、全球主要國家染料敏化太陽能電池相關之論文發表比重

圖三、原始專利權人國籍分析