我國染料敏化光驅動電池(DSC)研發策略及產業發展之建議

　　　　　　　　　　　 　　染料敏化太陽能電池專利壁壘與突圍策略

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: