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作者:洪永杰(2005-06-01);推薦:徐業良(2005-06-02)

III-V族半導體太陽能電池專利檢索與分析報告

本文首先對太陽能電池(Solar Cell)技術與元件作一簡介,接著針對III-V族半導體太陽能電池之相關技術作專利分析,藉以瞭解現有產品的專利狀況以及技術特點,並利用專利地圖(patent map)的製作,將專利資訊做最有效之組織分析,以了解整體產業環境之發展。同時針對現有技術其開發動向、運用手法、與其達成效果進行交叉分析,以期在舊有技術領域中看出可開發的新區域,藉以擬定技術研發與創新設計之切入點,建立有別於現有產品之市場與技術區隔。

1.     太陽能電池技術簡介

從太陽表面所放射出來的能量,換算成電力約3.8×1023kW,太陽光經過一億五千萬公里的距離,穿過大氣層到達地球的表面,也約有1.8×1014kW,大約為全球平均電力的十萬倍。若能夠有效的運用此能源,不僅能解決消耗性能源的問題,連環保問題也可一併獲得解決。

太陽能電池是一種能量轉換的光電元件,經由太陽光照射後,把光的能量轉換成電能。太陽能電池最早在1954年由Bell實驗室所發明,當時研發的動機是希望能提供偏遠地區供電系統的能源,但是當時太陽能電池的效率只有6%,而且造價太高(357美元/瓦),缺乏商業上的價值。後來太陽能電池在太空應用中有重要的地位,從1957年蘇聯發射第一顆人造衛星開始,一直到1969年美國太空人登陸月球,乃至於近年來蓬勃發展的通訊衛星,都廣泛應用太陽能電池。

1.1 太陽能電池工作原理

太陽能電池能將光能轉換成電能,也稱為光伏電池(Photovoltaic, PV),是以半導體材料製作的光電元件。圖1為一晶體矽太陽能電池構造示意圖,一般採用n+/p同質結的結構,即在約10公分見方面積的p型矽片上用擴散法製作出一層很薄經過重摻雜的n型層,然後在n型層上面製作金屬柵線,作為正面接觸電極,在整個背面也製作金屬膜,作為背面接觸電極。為了減少光的反射損失,一般會在整個表面上再覆蓋一層抗反射塗層。

1. 太陽能電池構造示意圖[http://library.thinkquest.org]

太陽能電池發電原理是利用光伏效應(Photovoltaic Effect),當p-n半導體材料吸收0.2~2.4微米波長的太陽光,產生電子電洞對(如圖2所示),接通電路後就形成從n型區到p型區的電流。

2. 太陽能電池的工作原理

在光電轉換的過程中,並非所有的入射光譜都能被太陽能電池所吸收,並完全轉成電流。有一半左右的光譜因能量太低(小於半導體的能隙),對電池的輸出沒有貢獻,而另一半被吸收的光子中,除了產生電子電洞對所需的能量外,約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉,所以單一電池的最高效率約在28%左右,且因製造過程複雜量產不易,太陽能電池價格普遍過高,效率和價格也是目前太陽能電池發展最大的瓶頸。

1.2 理想的太陽能電池材料

太陽輻射之光譜,主要是以可見光為中心,其分佈範圍從0.3微米之紫外光到數微米之紅外光,若換算成光子的能量,則約在0.4 eV(電子伏特)到4eV之間。當光子的能量小於半導體的能隙(energy bandgap),則光子不被半導體吸收,此時半導體對光子而言是透明的。當光子的能量大於半導體的能隙,則相當於半導體能隙的能量將被半導體吸收,產生電子-電洞對,而其餘的能量則以熱的形式消耗掉。因此製作太陽能電池材料的能隙,必須要仔細地選擇,才能有效地產生電子-電洞對。

半導體中的能隙除大小不同外,還分為直接能隙與間接能隙。如圖3GaAsSi半導體能帶結構圖,圖中的橫座標為動量K,縱座標為能量E。電子運動亦要遵守能量守恆與動量守恆的原理,當電子獲得能量躍遷時,對GaAs這類直接能隙半導體而言,可由價帶直接垂直向上躍遷到達導帶,而動量未發生變化;但對Si這類間接能隙半導體而言,則必須吸收或放出一個光子(photon)才能滿足動量守恆。因此,間接能隙半導體中電子的躍遷會比直接能隙半導體來的困難。

3. GaAs(左)與Si(右)半導體能帶結構圖【雷永泉,民93

總結來說,理想的太陽能電池材料必須具備有下列特性:

l          能隙在1.1eV1.7eV之間。

l          直接能隙半導體。

l          組成的材料無毒性。

l          可利用薄膜沉積的技術,並可大面積製造。

l          有良好的光電轉換效率。

l          具有長時期的穩定性。

矽的能隙為1.12eV,而矽為間接能隙半導體,對光的吸收性不好,所以矽並非是最理想的太陽能電池材料。但另一方面,矽乃地球上蘊含量第二豐富的元素,本身無毒性,其氧化物穩定又不具水溶性,且矽在半導體工業的發展,已具有深厚的基礎,因此目前太陽能電池仍舊以矽為主要材料。

1.3 太陽能電池的種類

太陽能電池的種類繁多,若依材料的種類來區分有化合物半導體和矽晶系兩大類(如圖4),說明如下:

(1)       單晶矽(single crystal silicon):單晶矽的組成原子均按照一定的規則,週期性的排列。製作方法是把矽(純度為99.999999999%119)熔融於石英坩堝中,然後把晶種(seed)插入液面,以每分鐘轉2~20圈的速率旋轉,同時以每分鐘0.3~10毫米的速度緩慢的往上拉引,如此即可形成一直徑4~8吋單晶矽碇(ingot),此製作方法稱為柴氏長晶法(Czochralski Method)。用單晶矽製成的太陽能電池,效率高且性能穩定,目前已廣泛應用於太空及陸地上。單晶矽太陽能電池光電轉換效率約14%~24%,信賴性及安定性高,可期待藉由導膜化生產技術降低成本,多用於發電廠、充電系統、道路照明系統及交通號誌等,所發電力與電壓範圍廣,轉換效率高,使用年限長,世界主要大廠,如德國西門子、英國石油公司及日本夏普公司均以生產此類單晶矽太陽能電池為主,市場佔有率約五成。

(2)       多晶矽(polycrystal silicon):多晶矽的矽原子堆積方式不只一種,它是由多種不同排列方向的單晶所組成。多晶矽是以熔融的矽鑄造固化製成,因其製程簡單,所以成本較低,目前由多晶矽所製作出的太陽能電池產量,已經逐漸超越單晶矽的太陽能電池。多晶矽太陽能電池的光電轉換效率較單晶矽低,約12%~20%,但因製程步驟較簡單,成本較單晶矽電池便宜20%,因此一些低功率的電力應用系統均採用多晶矽太陽能電池。

(3)       非結晶矽(amorphous silicon, a-Si):非結晶矽之矽原子的排列非常紊亂,沒有規則可循。一般非結晶矽是以電漿式化學氣相沈積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD),在玻璃等基板上成長厚度約1微米左右的非晶矽薄膜,因為非晶矽對光的吸收性比矽強約500倍,所以對非晶矽而言只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效的吸收,而且不需要使用價格昂貴的結晶矽基板,改採用價格較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板,如此不僅可以節省大量的材料成本,也使得製作大面積的太陽能電池成為可能(結晶矽太陽能電池的面積受限於矽晶圓的尺寸)。非結晶矽太陽能電池光電轉換效率約10%~14%,無需封裝,生產也最快,產品種類多,使用廣泛,多用於消費性電子產品,且新的應用產品不斷在開發中。

(4)       化合物半導體II-IV(CdS, CdTe, CuInSe2)CdTeCuInSe2II-VI族化合物太陽能電池,多使用真空蒸鍍、sputteringscreen印刷、與燒結法等薄膜形成技術來製作。可於價格較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板製作多晶薄膜,亦可構成hetero接面之太陽能電池。其優點為安定性高,CuInSe2的光吸收係數大,可達18~20%高光電轉換效率。

(5)       化合物半導體III-V(GaAs, InP, InGaP)III-V族太陽能電池光電轉換效率高,約26%~28%,若是以多接面串疊(InGaP/GaAs//InGaAs, multijunction tandem cell)的方式來製作,其最高轉換效率可達33.3%III-V族太陽能電池信賴性佳,在室外使用不易老化,且受溫昇影響低,但是原材料成本高,且量產化困難度高。

4. 太陽能電池種類

2.     III-V族半導體太陽能電池技術介紹

早期太陽能電池僅限於矽單晶太陽能電池,直到80年代才開始應用採用液態磊晶技術(Liquid Phase Epitaxy, LPE)的砷化鎵(GaAs)太陽能電池。隨著太陽能電池技術的發展,採用金屬有機氣相磊晶技術(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE)製備的GaAs單結和多結疊層III-V族化合物半導體太陽能電池,已成為很有希望的下一代高效率能源。

本節將針對GaAs基系、InP基系與新型多量子井等III-V族化合物半導體材料及其太陽能電池的結構、特性、和製備技術作一介紹。

2.1 GaAs基系太陽能電池

砷化鎵是一種典型的III-V族化合物半導體材料,具有與矽相似的閃鋅礦晶體結構,不同的是GaAs原子交替佔位。GaAs具有直接能帶隙,同時有很高的光發射效率與光吸收係數,因此已成為當今光電子領域的基礎材料,在光伏特太陽能電池領域扮演重要的角色。GaAs(砷化鎵)基系太陽能電池可分為單結GaAs基系與多結疊層GaAs基系兩大類,如圖5所示。以下將分別介紹各類單結與多結疊層GaAs基系電池之相關技術。

5. GaAs(砷化鎵)基系太陽能電池分類

(1)   單結GaAs基系太陽能電池

LPE GaAs太陽能電池

GaAs液態磊晶技術(LPE)是指在低熔點之金屬溶媒中溶解化合物至飽和濃度,再將其冷卻,使化合物因過飽和而在GaAs基板上析出。此技術能長出高品質的磊晶層,且系統成本低,以及材料性質的再現性相當高。不過其表面形態比其它磊晶技術(如MOVPEMBE)的磊晶表面形態要差,且晶格常數的限制,以及異質磊晶成長時有接面漸變現象存在。

6為太空用GaAs太陽能電池量產所開發之LPE製造設備概略圖與直立構造石墨板(Graphite Board)。傳統上使用Slide Board形式,一次處理一片,將基板排成直立式,熔液由上段往下落,使熔液與基板接觸,然後將爐體溫度徐徐冷卻進行單晶成長。

6. LPE製造設備概略圖【莊嘉琛,民86

MOVPE GaAs/Ge太陽能電池

LPE相比較,金屬有機氣相磊晶技術(MOVPE)設備昂貴、技術複雜,但可以實現異質外延生長,有潛力獲得更高的太陽能電池轉換效率。

MOVPE技術源自於1986年,Manaseviet利用TEGaAs成功生長GaAs單晶後,自此,MOVPE系統開始應用於晶體成長。其技術主要利用反應槽中之反應物(Precursors)之氣相轉移,然後以II族或III族之有機金屬化合物與VI族或V族之氫化物(Hydride)在加熱區(Heated zone)進行反應,圖7即為一水平式成長III族氮化物之MOVPE系統。

7. MOVPE系統【雷永泉,民93

7中成長速率主要是由反應氣體流量(Mass flow rate)控制,其中III-V族有機金屬源可為液態(如TMGaTMAl)或固態(如TMIn),一般儲存在氣泡室(Bubblers)中,並藉由攜帶氣體(如H2)帶入反應腔中,利用改變氣泡室的溫度來控制有機金屬材料之氣相分壓。V族元素之來源一般為氣態(如NH3),掺雜物(Dopant)可以為有機金屬來源如DEZn(Dimethyl-zinc)Cyclopenta dienylmagnesium(CP2Mg)或氫化物。基板置於一石墨製成之基座(Susceptor)上並以RF線圈或熱電阻絲等加熱之,使得有機金屬分子進行擴散、熱解等化學反應,熱解後的離子團則於基板表面進行成長。

上述過程提供了在一次MOVPE生長過程中,通過氣源的變換可以生長出多層很薄的均勻異質外延層,增大了電池設計的靈活性,甚至可以生長多結疊層結構。

超薄GaAs太陽能電池

GaAs太陽能電池,無論生長在GaAs還是Ge基底上,都比Si電池來的重,係因GaAsGe的密度幾乎是Si的兩倍。不過GaAs是直接帶隙材料,光吸收係數大,有源層厚度只需3微米左右,所以原則上在生長好GaAs電池後,可以選擇把基底完全腐蝕掉,只剩下5微米左右的有源層,從而製成超薄GaAs電池,這樣就可以獲得很高的單位質量比功率輸出。目前超薄(UT)GaAs電池的比功率可達670W/kg,而100微米高效Si太陽能電池的比功率僅為330W/kg

(2)   多結疊層GaAs基系太陽能電池

由於單一結構的太陽能電池只能吸收和轉換特定光譜範圍的陽光,能量轉換效率不高,因此利用不同帶隙寬度的材料做成太陽能電池,按帶隙寬度大小從上至下疊合起來,選擇性地吸收和轉換太陽光譜的不同子區域,就能大幅度提高電池的轉換效率,如圖8所示。

8. 多結疊層GaAs基系太陽能電池示意圖[http://www.eere.energy.gov/solar/]

疊層電池一般分為兩類,一類是單片多結疊層電池,只有兩個輸出端,如AlGaAs/GaAsGaInP/GaAs疊層電池,另一類為具有兩個以上輸出端,如GaAs/GaSb疊層電池。以下將分別介紹此類多結疊層GaAs基系電池之相關技術。

AlGaAs/GaAs雙結疊層電池

使用AlGaAs/GaAs來作為太陽能電池的理由有二,理由之ㄧ為砷化鎵傳導帶電子遷移率高,在300K時砷化鎵III-V族化合物半導體的電子遷移率為8500cm2/VS比矽(Si)元素半導體的電子遷移率1450cm2/VS高約5.9倍。理由之二為砷化鎵半導体能有效地將光能轉換為電能,亦可將電能轉換為光能;而矽半導體只能將光能轉換為電能。同時AlGaAs/GaAs擁有製造容易、可調掺雜、高電流效益、低基極電阻及低損耗功率等優點。

在光電子技術領域,對AlGaAs合金材料及AlGaAs/GaAs異質結構(異質結構係指將不同材料的半導體薄膜,依序沉積在同一基底上)已進行了深入研究;而在光伏電池領域,Al0.8Ga0.2As層做為GaAs電池的窗口層也已普遍被採用。目前以Al0.37Ga0.63As/GaAs晶格匹配和光譜匹配系統在研製疊層電池時最受關注,兩者的帶寬Eg1=1.93eVEg2=1.42eV,正好處在疊層電池所需要的最佳匹配範圍內,其結構示意如圖9所示。

9. Al0.37Ga0.63As/GaAs雙結疊層電池示意圖【雷永泉,民93

GaInP/GaAs多疊層電池

GaInP是另一個寬帶隙與GaAs晶格匹配的系統。與AlGaAs/GaAs相比較,GaInP是種具有高選擇性蝕刻(high etching selectivity)溶液的材質,亦即GaInP/GaAs間有適當的蝕刻液可利用做選擇性蝕刻,而不至於產生過度蝕刻(over-etch)的行為,讓製程的困難度降低;而AlGaAs/GaAs間無可精確做選擇性蝕刻的溶液導致加工過程較為困難。

GaAs/GaSb疊層電池

GaAs同寬帶隙之AlGaAsGaInP構成的疊層電池不同,GaAs同窄帶隙材料GaSb構成的疊層電池可以擴展對太陽光譜近紅外波段的吸收與轉換。

GaSb的帶隙寬度為0.72eV,用以作底部電池材料,同GaAs構成疊層電池,理論效率可達38%。不過由於GaSb的晶格與GaAs的晶格不匹配,只能做四端機械疊層型太陽能電池,如圖10所示,目前利用MOVPE製程製造之GaAs/GaSb四端機械疊層聚光電池效率可達32%

10. 機械疊層GaAs/GaSb太陽能電池【雷永泉,民93

2.2 InP基系太陽能電池

III-V族空間電池中,除GaAs基系電池外,InP基系電池也備受矚目。InP也是直接帶隙半導體材料,對太陽光譜最強的可見光和近紅外光波段也有很大的光吸收係數,所以InP電池的有源層厚度也只需3mm左右。另外,InP的帶隙寬度為1.35eV(300K),也處在匹配太陽光譜的最佳能隙範圍內,電池的理論能量轉換效率和溫度係數介於GaAs電池與Si電池間。

InP太陽能電池最引人注目的特點是它的抗輻照能力強,不但遠優於Si電池,也遠優於GaAs基系電池。

2.3 多量子井太陽能電池

1990BarnhamDuggan提出在p-i-n型太陽能電池的i層中植入多量子井(MQW)或超晶格等低維結構,藉以提高太陽能電池的能量轉換效率。含多量子井的p-i(MQW)-n型太陽能電池的能帶結構如圖11所示。電池的基質材料和壘層材料具有較寬的帶隙Eb;井層材料具有較窄的有效帶隙EaEa值的大小由井層量子限制能級的基態決定。所以p-i(MQW)-n型太陽能電池的吸收帶隙可以透過井層材料的選擇和量子井寬度(壘寬Lb、井寬Lz)來剪裁,以擴展對太陽光譜長波長範圍的吸收,從而提高光電流。

11. p-i (MQW)-n型多量子井太陽能電池結構示意圖【雷永泉,民93

3.     III-V族半導體太陽能電池技術專利檢索策略

本文專利檢索的地區定為美國地區之專利資料。重視全球市場的企業,在規劃其專利佈局時,皆會投入技術較為先進、市場需求性高的美國地區,因此美國專利資料庫收納全球最重要、完整的專利資料,藉由此區專利資料的檢索與研究,可使本計畫之專利分析成果同時掌握廣度與深度、即時性、與發展性。

根據前一節III-V族半導體太陽能電池的簡介,可以了解“III-V”“3-5”“solar cell”“photovoltaic cell”、與“photovoltaic device”為此類電池最常使用的英文名稱,因此本研究將以這幾組關鍵字及其相關變化詞,在專利名稱(Title)、摘要(Abstract)與專利申請範圍(Claim)中檢索,檢索日期至20041231日止。由於各國專利權人所申請之專利多在美國有對應之專利,因此初步檢索範圍限制在USPTO中已公告的專利,之後再依據其國際專利技術分類碼(IPC)與美國專利技術分類碼(UPC)將個別核心元件與各種結構的III-V族半導體太陽能電池的製程與方法作一有效分類。表1總結此次專利檢索策略。

1. III-V族半導體太陽能電池美國專利檢索背景設定

搜尋公司

不限

搜尋地區

美國

搜尋年份

~200412/31

搜尋欄位

專利名稱(Title)、專利摘要(Abstract)、專利範圍(Claims)、專利技術特徵描述(Specification)、國際專利分類碼(IPC)

國際專利分類

H01L(半導體裝置)

搜尋語言

英文

資料庫名稱

USPTO專利資料庫(主)、Delphion專利資料庫(輔)

關鍵字

”III-V””3-5”” solar cell””photovoltaic cell””photovoltaic device”

檢索語法

(TTL/"III-V" OR ABST/"III-V" OR ACLM/"III-V" OR TTL/"3-5" OR ABST/"3-5" OR ACLM/"3-5" OR TTL/"III V" OR ABST/"III V" OR ACLM/"III V" OR TTL/"IIIV" OR ABST/"IIIV" OR ACLM/"IIIV") AND ICL/H01L$ AND ("photovoltaic cell" OR "photovoltaic cells" OR "solar cell" OR "solar cells" OR "photovoltaic device" OR "photovoltaic devices") AND ISD/1/1/1971->31/12/2004

利用USPTODelphion專利資料庫交互檢索,得到III-V族半導體太陽能電池之美國公告專利共計167件,後續分析皆以已確認之美國公告專利為專利分析範圍。以下即針對此167III-V族半導體太陽能電池之美國公告專利製作專利管理圖表。

所謂專利管理圖表即是初步專利書目資料的圖表陳列,其目的是能夠將所檢索出的專利作一簡單呈現,並提供爾後技術分析的初步參考。雖然管理圖表無法提供深一層的技術特徵,但是對於技術掌握與分佈可提供某種程度的了解。一般而言,管理圖表分析包括專利件數分析、生命週期曲線分析、競爭國家分析、競爭公司分析、發明人分析、國際專利分類(IPC)分析、與美國專利分類(UPC)分析等,將於以下各節分別討論。

4.     III-V族半導體太陽能電池專利件數分析

12III-V族半導體太陽能電池歷年專利件數分佈,其中橫軸為申請日與公告日之時間軸,縱軸為專利件數。圖中藍色線代表以專利申請日分析,藉由申請日作分析,可以瞭解技術的萌芽時間;暗紅色線代表以專利公開日作分析,藉由公開日作分析可以得知最新的發展現況。

12. III-V族半導體太陽能電池歷年專利件數

III-V族半導體太陽能電池最早專利是申請於1973年,初步分析其書目資料,可發現專利名稱為“Process for production of III-V compound epitaxial crystals”,其技術內容為改善並簡化製造III-V族大型單結膜的程序。藉由申請日與公告日的比對,可以看出,III-V族半導體太陽能電池專利與一般專利相似,其申請時間與核准公告時間約有2~3年的差距。

III-V族半導體太陽能電池專利申請件數自1973年第一篇出現開始,幾乎每年皆有專利提出,惟申請件數除了於19871994年突破10篇之外,其餘年份平均申請件數多維持在5篇左右。2002年以後申請案件許多尚未核准公告,因此未被檢索出來。III-V族半導體太陽能電池專利於1976年第一篇核准開始,幾乎每年皆有專利產出,1986~1990年間專利核准件數平均在8篇上下,其後每年專利核准數略為下降,直至1997年開始,每年專利核准數略升至7篇(2000~2001除外),同時於2004達到11篇的高峰。藉由申請日與公告日的比對可以看出,III-V族半導體太陽能電池專利與一般專利相似,其申請時間與核准公告時間約有3年的差距。

13與表2說明專利技術生命週期圖之意義,比對專利件數與專利權人數,可以推論此專利技術是處於萌芽期、成長期、成熟期、或技術瓶頸期。圖14III-V族半導體太陽能電池專利技術生命週期圖(以兩年為計算單位),比對圖14與圖13發現目前整體專利權人數與專利件數並不多,初步推論III-V族半導體太陽能電池專利技術介於技術萌芽與技術成長期之間。

13. 技術生命週期圖示

2. 技術生命週期圖簡介

階段

階段名稱

代表意義

第一階段

技術萌芽

廠商投入意願低,專利申請件數與專利權人數皆少

第二階段

技術成長

產業技術有突破或廠商對於市場價值有了認知,競相投入發展,專利申請量與專利權人數急遽上升

第三階段

技術成熟

廠商投資於研發的資源不再擴張,只剩少數繼續發展此類技術,且其他廠商進入此市場意願低,專利申請量與專利權人數成長逐漸減緩

第四、五階段

技術瓶頸

產業技術研發遇瓶頸難以突破或此類產業已過於成熟,專利申請量與專利權人數呈現負成長

14. III-V族半導體太陽能電池專利技術生命週期圖

5.     III-V族半導體太陽能電池專利國家別分析

3III-V族半導體太陽能電池專利所屬國件數分析表。由表3可看出,投入III-V族半導體太陽能電池技術發展並在美國獲得專利之國家共有8國,總專利件數167件,專利權人共95位,其中美國與日本兩國所獲得專利件數佔總專利件數之93.4%,是主導III-V族半導體太陽能電池技術之重要國家。目前台灣並未在美國獲得III-V族半導體太陽能電池之相關專利,與美日等技術先進國家比較,台灣於III-V族半導體太陽能電池技術發展上仍有相當大之空間。

3. 專利所屬國件數分析表

所屬國

專利所屬國()

專利件數

專利權人數

百分比(專利件數)

US

美國

114

59

68.3%

JP

日本

42

27

25.1%

FR

法國

4

3

2.4%

DE

德國

3

2

1.8%

SG

新加玻

1

1

0.6%

KR

南韓

1

1

0.6%

IL

以色列

1

1

0.6%

GB2

英格蘭

1

1

0.6%

合計

167

95

100%

6.     III-V族半導體太陽能電池專利權人(公司)分析

專利權人分析係針對特定之競爭對手進行相關競爭指標分析,藉以深入了解競爭對手之動向與研發能力。

6.1 公司研發能力比較

設定研發能力加權參數,計算技術競爭公司之「相對研發能力值」,可觀察各競爭公司研發能力之強弱。表4III-V族半導體太陽能電池技術競爭公司相對研發能力值比較表,表中相對研發能力值是沿用專利分析軟體“Patent Guider”預設之加權參數(專利件數加權參數為1.2、被引證分析加權參數為1.4、自我引證分析加權參數為0.9)來做計算。III-V族半導體太陽能電池技術相對研發能力值最高為「Massachusetts Institute of Technology麻省理工學院)」,其相對研發能力值為100%,其次為「AT&T Bell Laboratories」,其相對研發能力值為91%

4.競爭公司相對研發能力比較表(前十名)

公司名稱

相對研發能力值百分比

Massachusetts Institute of Technology

100

AT&T Bell Laboratories

91

The Boeing Company

83

Varian Associates, Inc.

76

Hughes Aircraft Company

74

Kopin Corporation

57

Nichia Chemical Industries, Ltd.

51

Milnes; Arthur G.

43

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha

41

Chevron Research Company

41

6.2 重要競爭公司研發能力詳細數據分析

5為利用專利件數、活動年期、發明人數、以及平均專利年齡等競爭指標,分析重要公司投入III-V族半導體太陽能電池之技術發展狀況,藉以顯示競爭公司之投入資源及有效掌握競爭環境之重要資訊。以下先就各指標名詞簡單介紹:

(1)   活動年期

觀察各競爭公司在本專案技術內有專利產出之活動期,進而可得知各公司投入本技術領域之研發時間。

(2)   發明人

競爭公司投入本研究技術研發之發明人數分析,透過競爭公司在本專案技術研發人員投入之多寡,以評析該公司對本技術之企圖心與競爭潛力。

(3)   平均專利年齡

將各專利權年齡總和除以專利件數所得之值。平均專利年齡越短,表示該公司於本專案技術內享有較長期之技術獨占性優勢,反之亦然。為各國專利制度不盡相同,專利權期間也不相同。以美國專利權年限20年為例,若分析專案之平均專利年齡越短(例如3年),表示此專案之技術受專利權保護之時間將越長(還剩17年),享有較長期之技術獨占性優勢。

(4)   自我引證次數

本分析專案內公司引證自己公司之專利次數。

(5)   被其他人引證次數

本分析專案內公司之專利被其他公司引證之次數。

(6)   總引證次數

本分析專案內公司所擁有之專利自我引證次數加被其他人引證次數。

(7)   引證率

本分析專案內公司專利的總引證次數除以該公司專利件數的比值。引證率代表公司之每件專利產出被引用的次數,可用來衡量各競爭公司之專利產出品質。引證率越高的公司,表示該公司產出之專利平均被引用次數越多,顯示專利品質越高。一般評量先進公司之技術研發能力除可依專利件數多寡衡量外,引證率也是技術能力重要參考指標。利用引證率衡量公司之技術研發能力是屬於「質(quality)」的衡量指標,而專利產出件數則是「量(quantity)」的衡量指標。

(8)   技術獨立性

分析專案內公司引用自己公司專利的次數除以總引證次數之比值。技術獨立性表示公司技術研發內容與其他競爭公司的技術差異性。技術獨立性數值越高,表示該公司研發之技術獨特性較高(其研發路線較為獨立),同業間較少有公司追隨其技術研發,接近所謂的獨家技術;技術獨立性數值越低,表示該公司技術研發路線與其他競爭公司研發之技術內容相似程度較高,也較有技術侵權的可能性發生。

5. 相對研發能力前十名競爭公司之研發詳細數據

公司名稱

專利件數

活動年期

發明人數

平均專利年齡

自我引證次數

被其他人引證次數

總引證次數

引證率

技術獨立性

Massachusetts Institute of Technology

6

5

11

15

2

11

13

2.167

0.154

AT&T Bell Laboratories

13

13

33

20

1

4

5

0.385

0.2

The Boeing Company

8

7

13

15

4

5

9

1.125

0.444

Varian Associates, Inc.

5

5

5

25

0

9

9

1.8

0

Hughes Aircraft Company

5

3

7

24

1

8

9

1.8

0.111

Kopin Corporation

7

5

10

15

3

2

5

0.714

0.6

Nichia Chemical Industries, Ltd.

8

7

5

7

0

2

2

0.25

0

Milnes; Arthur G.

3

3

2

28

0

5

5

1.667

0

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha

4

4

5

17

1

3

4

1

0.25

Chevron Research Company

3

2

1

23

1

4

5

1.667

0.2

註:全數專利引證率及技術獨立性之平均值分別為0.470.06

觀察投入III-V族半導體太陽能電池技術之重要公司專利詳細資料表(表5),可得知在本專利技術相關領域中,以AT&T Bell Laboratories專利之產出最多(13件),佔專利總數之7.78%,為投入III-V族半導體太陽能電池專利技術研發最活躍的公司。觀察該公司研發重點多集中於半導體材料於基片上之沉積,如外延生長與單晶砷化鎵光電晶片製備技術之開發。

AT&T Bell LaboratoriesIII-V族半導體太陽能電池之技術研發共計有13個活動年期,投入之發明人高達33位,也是投入研發團隊最多的公司;平均專利年齡達20年,多為中、長期專利,顯示對此產業耕耘已久,同時有5篇專利已過專利保護期。在技術研發能力方面,AT&T Bell Laboratories13件專利被引證總次數達5次(其中自我引證次數1次,被其他人引證次數4次),引證率為0.385,低於本研究平均引證率0.47;技術獨立性則為0.2,高於本研究平均技術獨立性0.06,表示其研發之技術較具獨立性,與市場技術差異性較大。

Massachusetts Institute of Technology, MIT」之專利產出共計6件,專利產出數量位居第二,專利活動年期有5年,投入之發明人數達11位,平均專利年齡15年,與AT&T Bell Laboratories同屬為中、長期專利。在技術研發能力方面,MIT6件專利被引證總次數達13次(其中自我引證次數2次,被其他人引證次數11次),引證率為2.167,高於本研究平均引證率0.47甚多,顯示其技術研發品質不錯,可能擁有基礎型專利;技術獨立性則為0.154,亦高於本研究平均技術獨立性0.06,表示其研發之技術獨立性與市場技術差異性較大。

The Boeing Company」之專利產出共計8件,專利產出數量位居第三,專利活動年期有7年,投入之發明人數達13位,平均專利年齡15年,與AT&T Bell LaboratoriesMIT同屬為中、長期專利。在技術研發能力方面,Boeing公司的8件專利被引證總次數達9次(其中自我引證次數4次,被其他人引證次數5次),引證率為1.125,高於本研究平均引證率0.47;技術獨立性則為0.444,高於本研究平均技術獨立性0.06相當多,表示其研發之技術內容與市場目前技術有相當大的差異性,後續將針對該公司專利技術作一簡介。

另外值得注意的公司為全球發光二極體(LED)領導大廠Nichia Chemical Industries, Ltd.(日亞化學)」,該公司的主力技術為單晶藍光LED與黃光螢光粉的研發,雖然於III-V族半導體太陽能電池的專利件數不多(8件),但其平均專利年齡相當年輕(7年),多為近期專利。詳細閱讀該公司之專利發現其技術重點多集中於使用熱退火完成PGaN的製作,藉以產生高光電轉換效能。

6.3 重要競爭公司歷年專利件數分析

15為上述III-V族半導體太陽能電池重要競爭公司歷年專利件數分析,可顯示主要競爭公司歷年在此一研發領域之投入概況。由圖15可看出,III-V族半導體太陽能電池專利產出件數最高的AT&T Bell Laboratories,自1976年即有第一件專利產出,其間陸續有專利產出,不過於1995年後專利產出數量歸零。

MIT」在III-V族半導體太陽能電池專利技術領域於1979年有第一筆相關專利產出,期間陸續有專利產出但間隔時間較長,於2004達到高峰,當年專利產出共2件。反觀「Nichia Chemical Industries(日亞化學)」在III-V族半導體太陽能電池專利技術領域於1996年第一筆相關專利產出之後,其後每年皆有專利產出。其餘公司在1995年以前陸續有專利產出,不過之後專利產出停止。以下將就此一現象作探討。

15. 重要競爭公司歷年專利件數圖

6.4 重要競爭公司活動年期分析

經由上述重要競爭公司歷年專利件數分析,得知自1995年起III-V族半導體太陽能電池相關專利的產出,因此本研究將以1995作為分野年,觀察分野前年後各重要競爭公司在此領域之專利分佈概況。

6. 專利排行榜分析表(以1995年為分野年)

1995年之前

 

1995年之後(包含1995年)

排名

公司名稱

專利件數

排名

公司名稱

專利件數

1

AT&T Bell Laboratories

13

1

Nichia Chemical Industries, Ltd.

8

2

The Boeing Company

7

2

Canon Kabushiki Kaisha

3

3

Kopin Corporation

5

3

Fuji Xerox, Co., Ltd.

2

3

Varian Associates, Inc.

5

3

Kopin Corporation

2

5

Hughes Aircraft Company

4

3

Massachusetts Institute of Technology

2

5

International Business Machines Corporation

4

3

Midwest Research Institute

2

5

Massachusetts Institute of Technology

4

3

Picogiga Societe Anonyme

2

5

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha

4

3

Sandia Corporation

2

5

The United States of America as represented by the Secretary of the Air Force

4

3

The Regents of the University of California

2

10

Chevron Research Company

3

11

Hughes Aircraft Company

1

10

Hitachi, Ltd.

3

 

11

Honeywell Inc.

1

10

Milnes; Arthur G.

3

 

11

The Boeing Company

1

註:加綠底的欄位為相對研發前十名之競爭公司。

由表6之專利排行榜分析,顯示各重要公司於1995年之分野年前後,投入III-V族半導體太陽能電池專利技術之專利產出概況,在分野年前投入最為積極的是AT&T Bell Laboratories,共有8件專利之產出,其次為The Boeing Company7件。而在分野年後,AT&T Bell Laboratories並無此領域之相關專利產出;而The Boeing Company的排行由第二名降至第十一名,專利產出僅一件。

另外Hughes Aircraft CompanyMIT在分野年前皆有4件專利之產出,而在分野年後,專利產出數量皆有下滑現象,各為2件與1件。

值得一提的是,Nichia Chemical Industries(日亞化學)在分野年前無此領域之相關專利產出,但在1995年後有8件專利之產出,迅速佔據排行榜第一名,該公司未來於此領域之研發實力不可忽視。

也有約半數公司退出相關研發領域,如「Varian Associates, Inc.」、「Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha」、「Chevron Research Company」與「Milnes; Arthur G.」,僅於1995年以前有產出專利。

7.     III-V族半導體太陽能電池專利重要發明人分析

本節針對III-V族半導體太陽能電池專利技術領域內具專利產出之重要發明人進行相關分析,包括重要發明人之專利產出數量、任職公司資訊、與歷年研發專利產出之情形等。

在本研究之III-V族半導體太陽能電池專利技術領域中,共有321位發明人。表7之重要發明人分析列出本專案技術領域之重要發明人、任職公司及個人專利產出件數。其中Yamada; TakaoYamada; MotokazuSenoh; MasayukiNakamura; ShujiBando; Kanji同屬Nichia Chemical Industries(日亞化學),同時該公司於此領域之8篇專利皆由此5人共同提出;另外Fraas; Lewis M.此位發明人的專利分屬四間公司,分別為Hughes Aircraft Company1篇,1978年)、Chevron Research Company3篇,1983~1986年)、Daido Sanso K.K.1篇,1989年)與The Boeing Company3篇,1992~1993年)。

7.重要發明人分析

發明人

所屬公司

專利產出件數

Yamada; Takao

Nichia Chemical Industries, Ltd.

8

Yamada; Motokazu

Nichia Chemical Industries, Ltd.

8

Senoh; Masayuki

Nichia Chemical Industries, Ltd.

8

Nakamura; Shuji

Nichia Chemical Industries, Ltd.

8

Fraas; Lewis M.

Chevron Research CompanyDaido Sanso K.K.Hughes Aircraft CompanyThe Boeing Company

8

Bando; Kanji

Nichia Chemical Industries, Ltd.

8

Yamada; TakaoYamada; MotokazuSenoh; MasayukiNakamura; ShujiBando; Kanji5位來自於日亞化學公司的發明人為在此項技術領域內擁有最多專利成果者,其專利歷年產出件數共8件,其專利取得年份分佈(圖16)於1996~2003年間,。另外,Fraas; Lewis M.此位發明人,專利歷年產出件數共8件,其專利取得年份之分佈集中於1978~1993年,Hughes Aircraft Company休斯飛機公司)之第二篇專利(US 4,128,733)為其傑作,此篇專利為多接合太陽能電池之重要專利之ㄧ(被他人引證4次),該專利描述了AlGaAs/GaAs多接合(Multijunction)III-V族半導體電池的製造技術。值得注意的是1994開始,Fraas; Lewis M.並無任何相關專利出現。

16. 重要發明人歷年專利件數分佈

8.     III-V族半導體太陽能電池專利之IPC分析

8.1 IPC之意義

國際專利分類(International Patent Class, IPC),是世界智慧財產組織(World Intellectual Property Organization, WIPO)制訂的一種分類系統,可提供各國專利文獻統一分類之依據,其中包括了部(section)、主類(class)、次類(subclass)、主目(main group)、及次目(subgroup)五個階層,專利審查委員在閱讀專利說明書後,會依據該專利的技術特徵,賦予一個或多個的專利分類,以利分析者進行專利檢索。

IPC並非一成不變,而是會隨著技術演變進行調整,目前IPC最新版本是200011日公佈的第七版,共有8個部、120個主類、628個次類、與大約69,000個目,編排架構說明如下:

(1)   (section)

「部」為IPC之主要分類大項,其所呈現的是發明專利領域之知識體系,部的名稱可視為是對該部內容之廣泛指示,且每個名稱後面都有一個主要細部展開項目之摘要類目。目前IPC將整個專利發明的知識分為8部,以大寫字母AH分別表示之,如表8

8. 8部的類目

類目名稱

A

生活必需品

B

處理操作;運輸

C

化學;冶金

D

纖維;紙

E

固定構造物

F

機械工程;照明;加熱;武器;爆破

G

物理學

H

電學

(2)   主類(class)

「主類」係由各部之下再細分為類,主要是針對該領域之發明技術作出更明確的定義與意涵。類的記號是在部的記號後加上兩位數字作為代表(如“H01”),而每一類名稱標示該類所包含的內容。

(3)   次類(subclass)

每類之下均包含一個或多個次類,其所指示的範圍比類更為特定與詳細,亦即次類比類更接近其所指涉之發明技術內涵。次類之記號為類的記號後面再加上一個大寫字母(如“H01M”),其名稱則為能夠正確指示該次類內容的名詞。

(4)   (group)

次類之下則再細分為多個目,較次類更能顯示特定範圍的專利技術。目又分為主目與次目;其中主目是為定義在檢索目的上有用的技術主題範圍,因此其記號顯示格式為次類字母計號之後加上13位數字、斜線及數字00組成(如“H01M 8/00”)。

(5)   次目(subgroup)

次目是主目下的細分類,其記號是在目的記號後面(斜線後面)加上至少兩位不等於00的數字(如“H01L 31/06”)。由於IPC採用十進位分類,因此任何斜線後的第3位或後續數字應被視為是前行數字的十進位細分數字,如3/426介於3/423/43之間。次目之名稱,則是限定在主目的範圍之內,利於定義檢索的技術主題範圍,而名稱之前有顯示該層次位置的一個或數個圓點,在所有情形下,次目名稱必須以從屬並受限於其上主目之名稱的方式來解讀。

9III-V族半導體太陽能電池專利之IPC範例。每一個IPC均對應一個代表該分類的技術內容,IPC分析可對專利技術類別進行分析,包括IPC專利分類分析、IPC專利技術歷年件數分析、競爭國家分析與競爭公司分析等。利用IPC分析可以幫助分析者找出技術的主要領域和未開發領域,以作為研發方向的參考。

9. III-V族半導體太陽能電池專利IPC範例

H01L 31/06

說明

部之記號、名稱

H:電學

類之記號、名稱

01:基本電氣元件

次類之記號、名稱

L:半導體裝置

目之記號、名稱

31/00:對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射,或微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能者,或適用於通過此種輻射進行電能控制之半導體器件;製造或處理此等半導體器件或其部件所特有的方法或裝置;此等半導體器件之零部件

一點次目之記號、名稱

用作轉換裝置者

二點次目之記號、名稱

‧‧特點在於至少有一個電位勢障或表面勢障者

H01L 31/06應解讀成「對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射,或微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能之半導體裝置,其具有至少一個電位勢障或表面勢障者」

8.2 III-V族半導體太陽能電池專利之IPC專利分類分析

10列出III-V族半導體太陽能電池專利四階IPC分析前三名的技術分類及內容。每件專利大多並非只有一個IPC四階分類號,因此表10中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US4,039,357號專利IPC分類為H01L21/205H01L21/302H01L31/06,因此共有2專利件次屬於H01L21分類。由表10中可得知H01L21H01L31H01L29此三項分類為III-V族半導體太陽能電池專利的重點領域,其中又以H01L21「適用於製造或處理半導體或固體裝置或部件之方法或設備」專利件數較多。

10. III-V族半導體太陽能電池專利四階IPC分析前三名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件次

H01L21

適用於製造或處理半導體或固體裝置或部件之方法或設備

98

H01L31

對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射,或微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能者,或適用於通過此種輻射進行電能控制之半導體器件;製造或處理此等半導體器件或其部件所特有的方法或裝置;此等半導體器件之零部件

88

H01L29

適用於整流、放大、振盪、或切換,或電容器,或電阻器的半導體裝置,其至少有一個電位障勢或表面障勢,例如PN接合耗盡層或載子集結層;半導體或其電極之零部件

42

由於四階IPC之分類技術主題範圍較為粗略,因此將IPC向下延伸一階來作分類探討。表11列出III-V族半導體太陽能電池專利五階IPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知H01L31/06H01L31/18H01L21/20等五項分類為III-V族半導體太陽能電池專利的重點領域,其中又以H01L31/06「對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射,或微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能之半導體裝置,其具有至少一個電位勢障或表面勢障者」專利件數較多。

11. III-V族半導體太陽能電池專利五階IPC分析前四名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件數

H01L31/06

對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射,或微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能之半導體裝置,其具有至少一個電位勢障或表面勢障者

24

H01L31/18

對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射,或微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能之半導體裝置的製造或處理此等裝置或其部件所特有的方法或設備

20

H01L21/20

半導體材料於基片上之沉積,如外延生長

17

H01L27/14

包括有對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射或較短波長之微粒子輻射,或者微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能,或適用於經由此種輻射控制電能之半導體組件者

12

H01L33/00

至少有一個電位勢障或表面勢障之適用於光發射,如紅外線發射之半導體裝置;製造或處理此等半導體裝置或其部件所特有之方法或設備;此等光導體裝置之零部件

11

8.3 III-V族半導體太陽能電池專利重要IPC歷年專利件次分析

藉由IPC歷年專利件次分析,可以瞭解重要專利技術發展之時間趨勢。圖17III-V族半導體太陽能電池專利重要IPC歷年專利件次分析。由圖中可以看出,H01L27/14H01L31/06相關專利出現最早,第一篇專利出現於1976年;其於分類技術於1979年後陸續出現。整體來作觀察,此五項分類技術幾乎同時間在發展,目前尚無法觀察出有較為突出的分類技術出現。若以單項技術來作觀察,於半導體材料基片上之沉積,如外延生長此項技術有稍多的專利針對此一主題進行研發。

17. 重要五階IPC專利技術歷年件次分析圖

8.4 III-V族半導體太陽能電池專利競爭國家與公司重要IPC專利件次分析

藉由競爭競爭國家與公司重要IPC專利件次分析,可瞭解各國(各公司)之技術差異性與研發重點方向。圖18為競爭國家重要IPC專利件次分析,比較專利數前兩名之主要競爭國家(美國與日本)在III-V族半導體太陽能電池專利主要五階IPC分類的專利分布情形。由圖中觀察可知,美國於IPC專利五項分類皆領先日本,其研發重點較集中於H01L31/06(具有至少一個電位勢障或表面勢障之轉換為電能的半導體裝置)與H01L31/18(製造或處理此等裝置或其部件所特有的方法或設備)此兩項分類而日本的研發重點除H01L27/14此項分類外,其餘分項技術發展平均。

18. 競爭國家重要IPC專利件次分析

19為競爭公司重要IPC專利件次分析,圖中顯示相對研發能力前十名之重要公司在在上述主要五階IPC專利五項分類的專利分布情形。MIT的研發重點皆集中於H01L21/20(半導體材料於基片上之沉積,如外延生長)此項分類,顯示其研發重點佈局於III-V族半導體太陽能電池中光伏(photovoltaic)晶片的製備技術上。AT&T Bell Laboratories在主要五階IPC分類中,除H01L31/18H01L21/20此兩分項技術外,其餘技術皆有些許嶄獲;The Boeing Company(波音公司)較集中於H01L31/06H01L31/18此兩項技術,其於三項技術研究成果較少;Chevron Research Company所有全數3篇專利,研究主題皆為H01L31/06H01L31/18此兩項技術。

19. 競爭公司重要IPC專利件次分析

9.     III-V族半導體太陽能電池專利之UPC分析

9.1 UPC之意義

雖然目前多數國家之發明專利均依據國際專利分類表予以分類,但美國仍舊採行其獨有之「美國專利分類表(United States Patent Classification, UPC)」。主要原因是UPC較為詳細,且修訂頻率較高。相較於IPC69,000多個主目與次目,UPC約有150,000的次類;IPC每五年修訂一次,而UPC則是每兩年修訂一次,更能符合科技進步與時代變遷之需求。

UPC編排體制是以「類」與「次類」兩個層次予以編排,彼此上下相互隸屬,編排架構說明如下:

(1)   (class)

UPC的第一層次為「類」,在每類之前均有說明其主題的「標題」,並以一組13位數的號碼表示該類。在類的範圍中,除部份尚未完全修訂外,每一類均有其定義說明(但新式樣專利的類別則無說明)。此定義可以說明每一類的主題範圍,比簡短的標題更容易清楚表達該類所涵蓋的技術主題範圍,例如類號348的定義說明為「電視」、174的定義說明為「電器:導体與絕緣體」。

(2)   次類(subclass)

類之下再細分為次類,係針對該類主題範疇再予以劃分。次類同樣以號碼表示,且與類的號碼間隔有一條斜線。由於UPC採類與次類的二階分類方式,因此一個完整的UPC分類號應同時包括類與次類的號碼,例如在「102/301」的類號中,102代表「類」,而301代表針對該類細分的「次類」。

12III-V族半導體太陽能電池專利之UPC範例。與IPC分析相同,每一個UPC均對應一個代表該分類的技術內容,UPC分析可對專利技術類別進行分析,包括UPC專利分類分析、UPC專利技術歷年件數分析、競爭國家分析與競爭公司分析等。

12. UPC編排架構內容示範

136/262

說明

類之記號、名稱

136:熱電效應或光電效應之電池

次類之記號、名稱

262:其active layer具有鎵化合物者

136/262」應解讀成「active layer具有鎵化合物之光電效應電池」

9.2 III-V族半導體太陽能電池專利之UPC專利分類分析

13列出一階UPC分析前五名的技術分類及內容,可得知257438等五項分類為III-V族半導體太陽能電池專利的重點領域。與IPC相同,每件專利大多並非只有一個UPC一階分類號,因此表13中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US4,385,198號專利其UPC分類為136/249136/262438/094,因此共有2專利件次屬於136分類。

13. III-V族半導體太陽能電池專利主要UPC一階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

257

ACTIVE SOLID-STATE DEVICES

673

438

半導體裝置製造方法及其步驟

270

136

熱電效應或光電效應之電池

156

117

SINGLE-CRYSTAL, ORIENTED-CRYSTAL之外延生長方法

131

148

金屬材料處理

113

由於一階UPC之分類技術主題範圍較為粗略,因此將UPC向下延伸一階來作分類探討。表14列出二階UPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知active layer具有鎵化合物之光電效應電池、MonolithicIII-V族太陽能電池、GeSi基板上具有III-V族化合物之hetero-interface太陽能電池、GaAlAs, GaAsIII-V族太陽能電池、HeterojunctionIII-V族太陽能電池與多晶型III-V族太陽能電池等六項分類為III-V族半導體太陽能電池專利的重點領域。圖20為此六項分類歷年專利件次分析,其中117/954GaAlAs, GaAsIII-V族太陽能電池)為較早發展之技術,約隔兩年其餘分類技術亦加入發展,1994年後,整體技術趨勢逐步走向高效率化的太陽能電池研發,典型的GaAlAs, GaAs太陽能電池技術則發展較少。

14. III-V族半導體太陽能電池專利主要UPC二階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

136/262

active layer具有鎵化合物之光電效應電池

40

136/249

MonolithicIII-V族太陽能電池

31

438/933

GeSi基板上具有III-V族化合物之hetero-interface太陽能電池

19

117/954

GaAlAs, GaAsIII-V族太陽能電池

18

438/094

HeterojunctionIII-V族太陽能電池

18

136/258

多晶型III-V族太陽能電池

18

20. 重要二階UPC專利技術歷年件次分析圖

9.3 III-V族半導體太陽能電池專利競爭國家與公司重要UPC專利件次分析

21為競爭國家重要UPC專利件次分析,比較專利數前兩名之主要競爭國家(美國與日本)在III-V族半導體太陽能電池專利主要二階UPC分類的專利分布情形。由圖中觀察可知,美國於六項分類皆與日本有較大幅度之領先,其中以136/262active layer具有鎵化合物之光電效應電池)與136/249MonolithicIII-V族太陽能電池)此兩類技術的專利件次較多;而日本則平均發展各分類技術。

21. 競爭國家重要UPC專利件次分析

22為競爭公司重要UPC專利件次分析,圖中顯示相對研發能力前十名之重要公司在在上述主要二階UPC分類的專利分布情形。MIT於此六項分類之研發結果依專利件數多寡分別座落於117/954GaAlAs, GaAsIII-V族太陽能電池,3件次)、136/262active layer具有鎵化合物之光電效應電池,2件次)與438/933GeSi基板上具有III-V族化合物之hetero-interface太陽能電池,1件次);波音公司專利件數較集中於136/249MonolithicIII-V族太陽能電池)此類技術之研發;Kopin Corporation438/933此類技術研發成果較多的公司,其餘公司之專利技術發展則多分散於除了438/933136/258(多晶型III-V族太陽能電池)的其他技術領域上。

22. 競爭公司重要UPC專利件次分析

10.    III-V族半導體太陽能電池之重要引證專利分析

15III-V族半導體太陽能電池專利交互引證前八名之列表,所謂「交互引證數」的定義即為167件專利中引證此篇專利的專利數。例如,US4,017,332的交互引證數為8,即是167件專利中有8件專利引證此件專利。需要強調的是交互引證數的比較並不一定公平,因為越早公告之專利,被引證的機率就越高,但是在客觀上仍可初步瞭解哪些專利是相對重要的。從這8件專利所引伸出之引用關係,可以看出這些專利其關連性可分為四個技術類群:A類是接合成形技術(圖23),B類是磊晶相關技術(圖24),C類是Monolithic型電池製造技術(圖25),與D類是薄膜型電池技術(圖26)。其中US4017332US4632712US4774205US4179702US4681982US4657603US4680422US41287338八篇專利為領先專利(母專利),在圖中以黃底標示出來,這些專利分別帶領上述4個技術類群。我們利用Knowledgist軟體,針對此8篇重要母專利分析並整理包含專利標題、應用、目標、方法、特徵等重要資訊於附錄中,供研究人員參考。

15.III-V族半導體太陽能電池專利交互引證前八名

專利號

交互引證數

自我引證

被他人引證

專利權人

申請日

公告日

US4017332

8

0

8

Varian Associates

1976/3/29

1977/4/12

US4632712

6

2

4

MIT

1984/12/4

1986/12/30

US4774205

6

0

6

MIT

1986/6/13

1988/9/27

US4179702

5

0

5

Research Triangle Institute

1978/3/9

1979/12/18

US4681982

4

1

3

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha

1986/5/8

1987/7/21

US4657603

4

0

4

Siemens Aktiengesellschaft

1985/9/20

1987/4/14

US4680422

4

2

2

The Boeing Company

1985/10/30

1987/7/14

US4128733

4

0

4

Hughes Aircraft Company

1977/12/27

1978/12/5

23. 接合成形技術專利族譜圖(A)

24. 磊晶相關技術專利族譜圖(B)

25. Monolithic型電池製造技術專利族譜圖(C)

26. 薄膜型電池製造技術專利族譜圖(D)

11.    結論

本文完成了III-V族半導體太陽能電池之美國公告專利檢索與分析,並繪製完成基本管理圖表。III-V族半導體太陽能電池專利件數前兩名國家為美國與日本,合計佔總件數之93.4%,重要競爭公司為美國之MITAT&T Bell LaboratoriesThe Boeing Company與日本的Nichia Chemical Industries。以應用領域而言,經由二階UPC專利分類分析可發現,136/262active layer具有鎵化合物之光電效應電池)為本研究之技術密集區(40件次),其次為136/249MonolithicIII-V族太陽能電池)有31件次。

IPCUPC分析可以看出III-V族半導體太陽能電池專利技術重點演變,GaAlAs, GaAsIII-V族太陽能電池為較早發展之技術,約隔兩年後MonolithicIII-V族太陽能電池、GeSi基板上具有III-V族化合物之hetero-interface太陽能電池、HeterojunctionIII-V族太陽能電池與多晶型III-V族太陽能電池等分類技術亦加入發展,整體技術趨勢逐步走向高效率化的太陽能電池研發,典型的GaAlAs, GaAs太陽能電池技術則發展較少。由III-V族半導體太陽能電池之重要引證專利分析,分別找出了接合成形技術、磊晶相關技術、Monolithic型電池製造技術、與薄膜型電池製造技術之源頭與基礎專利。同時本文利用Knowledgist軟體,針對源頭與基礎專利分析並整理相關重要技術資訊於附錄中,供研究人員參考。

參考資料

Gerald B. Stringfellow, Organometallic Vapor-Phase Epitaxy: Theory and Practic, Boston, Axademic Press, p2-6, 1989.

ORACLE Think Quest Education Foundation, http://library thinkquest.org/

U.S. Department of Energy, http://www.eere.energy.gov/solar/

莊嘉琛,太陽能工程-太陽能電池篇,民86,全華科技圖書。

雷永泉等合著,新能源材料,民93,新文京開發出版股份有限公司。

陳達仁、黃慕萱,專利資訊與專利檢索,民91,文華圖書館管理資訊有限公司。

簡國明、洪長春、吳典熹、王永銘、藍怡平,奈米二氧化鈦專利地圖與分析,民92,行政院國家科學委員會科學技術資料中心。

鄭凱安、馬仁宏、林殿琪、黃郁棻、劉瑄儀,量子光點應用專利地圖與分析,民92,行政院國家科學委員會科學技術資料中心。

附錄

US4017332

標題:Solar cells employing stacked opposite conductivity layers

應用:This invention relates generally to the field of energy conversion and particularly to photovoltaic cells for converting radiant energy to electrical energy with substantially greater efficiency than were heretofore available.

目標:There is a great need today for an optical energy conversion cell of substantially increased efficiency. Accordingly several objects of the present invention are to provide (1) a radiant energy or photovoltaic conversion cell of greatly increased overall efficiency, (2) a practical photovoltaic cell which can convert several photon wavelength or energy ranges, and (3) an energy conversion cell in which plural conversion cells can be stacked efficiently, economically, and practically and in a novel manner.

方法:Preferably the stacked layers are formed of suitably-doped epitaxially-grown layers of compounds of III-V elements (Ga, In, Al, As, P, Sb). Low resistance interconnections between the energy converting portions formed by active junctions are provided by connective junctions which are formed of lattice constant mismatched and opposite conductivity confronting layers. Thus a lattice constant mismatched or "inactive" junction is provided, again in accordance with the invention. Thus according to the invention, by purposely providing a lattice mismatched opposite conductivity junction between lattice matched junctions, a connective junction is formed which will effectively connect the latter "active" junctions in series so as to efficiently convert plural photon energy ranges without the use of awkward contacts or other means which would be far less efficient for this purpose than a lattice mismatched junction.

特徵:When the power generated by each active junction is added and divided by the maximum available incident power from solar radiation, an indication of efficiency can be provided. The bandgaps of the respective layers are so arranged such that the optimum current output of each active junction is the same, giving the best efficiency in the series connection. In addition to increasing the internal efficiency, increasing the number of junctions also gives an increased output voltage and decreases the current density through the device because the photon flux density absorbed adjacent each junction decreases. This mode is desirable because it reduces losses in efficiency due to contact resistance and spreading resistance effects. I.e., it permits higher values of concentration of solar energy before contact resistance or spreading resistance effects become truly significant.

 

US4632712

標題:Reducing dislocations in semiconductors utilizing repeated thermal cycling during multistage epitaxial growth

應用:This invention is in the field of materials and more particularly relates to the production of sheets, films or layers of crystalline material and in particular, semiconductor crystalline material useful in integrated circuits, solar cells and discrete devices. Our invention may be used in many other applications in addition to solar cell applications. Our particular example will be the growth of GaAs layers on Si substrates, although the basic idea should be applicable to many other material combinations. Generally, our invention will be useful in growing so-called III--V compounds and II--VI compounds, among others as films.

目標:While the proposals for reducing dislocations have varying degrees of merit, there still exists a need for simple methods for reducing dislocation densities in grown layers, particularly in crystalline layers grown from a vapor phase.

方法:Essentially, our invention resides in a vapor growth technique that uses stress induced by differential thermal expansion between two dissimilar semiconductor materials to greatly reduce dislocations that are formed from the lattice mismatch between the two materials. These cells employ an n.sup.+ /p/p.sup.+ structure prepared by chemical vapor deposition (CVD) on either GaAs or Ge substrates. A high-pressure Xe lamp with a water filter was used as a simulated AMl source, calibrated with a NASA-measured GaAs reference solar cell. Additionally, while the thermal cycling disclosed herein to induce stress and thus trap dislocations is typically accomplished by cooling the deposited portion, thermal stress in other applications may also be induced by heating, or by a combination of heating and cooling.

特徵:For example, our invention may have great impact in combining electrooptical devices with silicon integrated circuits. The ability to grow high quality layers of dissimilar materials on each other opens a novel device area, whereby previously impossible device structures can be made. Our primary motivation for investigating Si as a substrate material for GaAs growth has been to lower the cost of efficient GaAs solar cells, which have attained conversion efficiencies exceeding 20% (AMl). Since Ge and GaAs have almost the same lattice constant, this procedure also has the advantage of locating the lattice mismatch at the Ge-Si interface, away from the GaAs layer. Upon subsequent growth, the dislocation networks greatly reduced the dislocations from threading into the second and subsequent GaAs layers.

 

US4774205

標題:Monolithic integration of silicon and gallium arsenide devices

應用:The present invention relates, in general, to a method for fabricating compound semiconductor devices of III-V or II-VI material and semiconductor devices of silicon on a common substrate. A standard poly-Si gate process is used for MOSFET fabrication.

目標:For true MGS integration, however, it is necessary to fabricate both gallium arsenide and silicon devices on the same wafer or substrate.

方法:As one may choose, the Si MOSFETs and compound semiconductor devices can be interconnected together during the metallization of Si devices or by using additional metallization steps. In an alternate embodiment, interconnections are provided in the Si substrate by suitably doping the region beneath the exposed Si surface and extending that surface so that contact is established between the doped Si region and the region of the Si device to which connection is required. The characteristics of the devices fabricated with and without GaAs processing steps are seen to be nearly identical. The characteristics of the devices fabricated with and without GaAs/AlGaAs growth and processing steps are see to be almost the same.

特徵:Contact to the MOSFET drain and contact to the LED cathode , although not utilized in joint operation of the two devices, are made in order to permit the characteristics of each device to be measured separately. The MGS MOSFETs have normal transistor characteristics.

 

US4179702

標題:Cascade solar cells

應用:The invention relates to a monolithic cascade cell for converting incident light radiation into electrical energy. The present invention relates to an improved cell of the general type described in the James patent in which the junctions within the first and second energy converting layers are homojunctions as in James but in which, in one embodiment, the third layer similarly provides a homojunction operating as a tunnel junction to connect the layers together.

目標: The present invention relates to an improved cell of the general type described in the prior patent in which the junctions within the first and second energy converting layers are homojunctions as in James but in which, in one embodiment, the third layer similarly provides a homojunction operating as a tunnel junction to connect the layers together. The use of a homojunction as in the present invention insures satisfactory tunnelling and a homojunction functioning as a tunnel diode can be satisfactorily produced with existing methods.

方法:The first and second layers are separated by at least a third layer of a Group III-V material, similarly doped into p and n regions with a tunnel junction formed therebetween to provide a low voltage electrical connection between the first and second layers. In one embodiment, the first and second layers are connected in series to be additive so that current flow takes place between contacts associated with the first and second layers. In another embodiment, the first and second layers are connected in opposition with a third terminal connected to the third layer which, in this case, need not be a tunnel junction. Alternatively, the two layers may be light producing devices such as light emitting diodes (LEDs), emitting light at different wavelengths, or photodiodes, detecting light of different wavelengths, or one layer can be a light producing device such as an LED while the other layer is a light receiving device such as a photodiode, again operating at different wavelengths.

特徵:The top layer is doped into p and n regions with a homojunction therebetween and has a bandgap such that photons above a predetermined energy interact with the semi-conductive material to produce a potential across the homojunction and current flow and photons below that energy pass through the first layer to a second similar layer having a lower bandgap so that some of the radiation passing through the first layer produces a potential across a homojunction in the second layer to improve the overall energy conversion efficiency of the cell.

 

US4681982

標題:Light-electricity conversion semiconductor device

應用:The present invention relates to a semiconductor light- electricity conversion device such as a solar cell.

目標: The present invention is directed toward solving the problems pointed out above, and has for its object to provide a semiconductor light-electricity conversion device having a high total efficiency with a good crystallinity of the n-GaAs layer.

方法:A semiconductor light-electricity conversion device, includes: a Group III-V compound semiconductor region having a pn junction therein and including gallium and arsenic; a silicon region having a pn junction; a zinc selenide layer inserted between said two regions; and a plurality of electrodes for outputting light generated current from said two regions. According to the present invention, there is provided a semiconductor light-electricity conversion device, comprising: a Group III-V compound semiconductor region having a pn junction therein and comprising gallium and arsenic; a silicon region having a pn junction therein; a zinc selenide layer inserted between said two regions; and a plurality of electrodes for outputting the light generated current from said two regions. In the above illustrated embodiments all the pn junctions are produced in such a manner that the p layer is located above the n layer, but this may be reversed. As is evident from the foregoing description, according to the present invention, a zinc selenide layer is inserted between the silicon region and the Group III-V compound semiconductor region, thereby enabling transmission of light of that wavelength region which is required for the light-electricity conversion at the pn junction of the silicon region, and improving the crystallinity of the Group III-V compound semiconductor region, resulting in the enhancement of the overall light-electricity conversion efficiency.

特徵:The GaAs layers 4 and 5 are produced on the ZnSe layer 3A differently from the prior art device, but these GaAs layers 4 and 5 have approximately equal conversion efficiencies as that of the prior art device because they have good crystallinity. The overall efficiency of this embodiment is increased to a higher level than that of the prior art device.

 

US4657603

標題:Method for the manufacture of gallium arsenide thin film solar cells

應用:The present invention relates to a method for the manufacture of gallium arsenide thin film solar cells and in particular to a method wherein a germanium layer is applied to the substrate before the gallium arsenide layers are applied.

目標: It is an object of the present invention to provide a method for the manufacture of a solar cell having a high conversion efficiency, and which is stable and inexpensive to manufacture. It is a further object of the present invention to provide a method of making solar cells utilizing gallium arsenide as a semi- conductor body. In accordance with the foregoing objectives, the present invention provides a method where a highly doped germanium layer is deposited, in its amorphous state, on an inexpensive substrate, such as metallized glass or planar silicon.

方法:A method for the manufacture of gallium arsenide thin film solar cells on inexpensive substrate material whereby an intermediate layer of highly doped, amorphous germanium is employed in order to promote the growth of the gallium arsenide layers. The solar cells produced by designational grain growth can be manufactured with high purity in a simple way and have an efficiency (greater than 20%) comparable to known mono-crystalline solar cells. The present method calls for the use of high-energy radiation for crystallization, whereby the crystallization zones produced, these preferably lying in the region of 100 um, prescribe the grain size of the gallium arsenide epitaxy layers. The Figure of the drawings shows a sectional view of a thin film gallium arsenide solar cell produced in accordance with the method of the present invention.

特徵:無

 

US4680422

標題:Two-terminal, thin film, tandem solar cells

應用:More particularly, the invention relates to a tandem cell having a II-VI semiconductor material overlying a graded ternary I-III-VI.sub.2 semiconductor material, such as a CdSe/CuInSe.sub.2 tandem. The present invention relates to a polycrystalline, tandem, photovoltaic transducer or solar cell comprising an upper cell of a II- VI heterojunction and a lower cell of a graded ternary I-III-VI.sub.2 semiconductor. The present invention relates to mechanically-stacked or monolithic tandem solar cells or photovoltaic transducers, and to methods for making each type of cell.

目標: The present invention relates to mechanically-stacked or monolithic tandem solar cells or photovoltaic transducers, and to methods for making each type of cell.

方法:The upper cell generally includes an n.sup.+ -type transparent conductive oxide layer contacting the CdSe and containing SnO.sub.2 or ZnO. In the monolithic configuration, a graded I-III-VI.sub.2 chalcopyrite semiconductor material is deposited on a suitable substrate, a graded interface connector is then deposited on the chalcopyrite semiconductor to provide a smooth lattice match transition between the chalcopyrite and the upper II-VI semiconductor cell. The interface connector preferably comprises n-ZeSe/p-ZnTe. Very high specific powers as already described, can be achieved with titanium foil as compared with conventional substrates.

特徵:If desired, one or more layers 28 of antireflection coatings, such as SiO.sub.x, may be adhered to the upper surface of the superstrate 20 to retain incident light and to boost the overall efficiency of the cell. The rates of evaporation of the several elements, the substrate temperature, and the reactor pressure are controlled to achieve high efficiency, polycrystalline thin films having efficiencies up to about 10% AMO. Radiation resistant cover layers can be added to either the upper or lower cells to improve their radiation resistance and to ease handling of the cells during fabrication of arrays. Low temperature deposition minimizes dopant redistribution within each region, thereby avoiding undesirable reactions at the film interfaces. One or more layers of an antireflection coating 28, such as SiO.sub.x or MgF.sub.2, can be applied above the n.sup.+ type layer 42 to improve cell efficiencies.

 

US4128733

標題:Multijunction gallium aluminum arsenide-gallium arsenide-germanium solar cell and process for fabricating same

應用:This invention relates generally to semiconductor solar cells and related manufacturing processes and more particularly to a single wafer multi-junction solar cell including a Group IV elemental semiconductor and a Group III-V compound semiconductor to form a heteroface structure.

目標: The general purpose of this invention is to provide a new and improved heteroface semiconductor solar cell and fabrication process therefor which provides the desired bandgap separation for multiple PN junctions and a good crystal lattice match for grown epitaxial layers. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a new and improved double junction solar cell and fabrication process therefor. Another object is to provide a new and improved double junction solar cell of the type described with an enhanced power conversion efficiency and with a minimum of additional fabrication cost in the treatment of state-of-the-art single junction wafers. Another object is to provide a new and improved solar cell of the type described having good crystal lattice match characteristics.

方法:To accomplish this purpose, we have discovered and developed a double junction Group IV semiconductor-Group III-V semiconductor solar cell which includes a gallium arsenide substrate having an outer III-V compound semiconductor layer thereon establishing a first PN junction with a first bandgap energy corresponding to GaAs and responsive to one wavelength range in the electromagnetic wavelength spectrum. The possibility of vapor back- etching, which is present in prior methods which utilize halogens, is eliminated. Additionally, since a carrier gas, e.g. H.sub.2, is present only at low pressures (.ltoreq.100 mTorr), gas impurities in the system can be routinely monitored using a residual gas analyzer. Finally, it should be noted that this pyrolysis process can be applied to the deposition of GaAs semiconductor layers simply by using Ga(CH.sub.3).sub.3 and AsH.sub.3 gases as the main source gases rather than GeH.sub.4.

特徵:This process provides a substantial improvement in process yields when compared to known prior art processes, while providing acceptable electrical characteristics and an improved conversion efficiency in the resultant solar cells. Another feature of this invention is the provision of a germanium- gallium arsenide heteroface solar cell wherein two PN junctions of different bandgaps are fabricated on a single gallium arsenide substrate. Another feature of this invention is the provision of a Group IV semiconductor-Group III-V semiconductor solar cell wherein separate PN junctions thereof may either be electrically isolated and suitable for independent electrical connection or the like, or may be electrically fabricated in a series electrical connection.