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作者:黃冠穎(2007-08-10);推薦:許博爾、徐業良(2009-05-05)

聚光型太陽能電池技術專利檢索與分析

本文首先對聚光型太陽能電池技術進行專利檢索,以對其整體技術發展現況有所瞭解。接著將以專利分析手法來了解聚光型太陽能電池相關產品與技術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,以明白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.     聚光型太陽能電池技術專利檢索策略

本文將針對聚光型太陽能電池的相關技術以專利的角度出發,同時建利相關專利技術資料庫,以方便研發人員參考其技術內容進行研發工作。本次以美國地區之專利資料為專利檢索地區。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。

在聚光型太陽能電池的技術領域中,“concentrator”“len”等詞彙為描繪聚光型太陽能電池時最常使用的英文名稱,因此本研究將以這兩組關鍵字及其他相關變化詞,在專利摘要(Abstract)與專利申請範圍(Claim)中檢索,檢索日期至2007712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,之後再依據其專利技術分類碼(IPCUPC)將個別核心技術與各種類型的聚光型太陽能電池進行分類。利用USPTODelphion專利資料庫交互檢索,並經由人工篩選後得到聚光型太陽能電池技術之美國公告專利共計117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117件聚光型太陽能電池技術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、國際專利分類(IPC)分析與美國專利分類(UPC)分析等,以下將於各節中分別討論。

2.     聚光型太陽能電池技術專利件數分析

1為聚光型太陽能電池技術歷年專利件數分佈,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。

1. 聚光型太陽能電池技術歷年專利件數

聚光型太陽能電池技術最早一篇專利申請於1976年,初步分析其書目資料,可發現該專利名稱為太陽能電池與集光器(Solar cells with concentrators),專利權人為美國的Mlavsky; Abraham I.Winston; Roland。檢視此篇專利可以發現,其技術目標為收集並集中太陽光的輻射能,其技術手段是在集中器中加入冷卻劑,提高側壁的折射率。藉由申請日與公告日的比對,可以看出,聚光型太陽能電池技術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。

聚光型太陽能電池技術專利申請從1975年開始,1975~1980年間,專利申請數較1981~1987年為多,其平均每年約多1~2件相關專利的申請;自1988年到2002年間,雖然申請量稍有起伏不穩定,但仍呈現成長之趨勢,其中2002年為申請數量之高峰,達16件。但扣除2006年與2007年迄今的尚未核准公告關係所可能導致無法被檢索出來之因素外,2005年並無相關專利出現,其後續發展值得注意。;而從1992年起,申請量開始大幅度的成長,在2002年申請量達到16件的水準,惟2006年以後申請案件許多尚未核准公告,因此無法被檢索出來。

聚光型太陽能電池技術專利公告件數的趨勢與申請趨勢相當(約晚2~3年),1991年前的專利公告平均數量極少,平均每年約有2件的專利被公告;而自1992年開始,相關專利之公告數量已逐步成長,雖於1997~1999年間的公告數量有下降之趨勢,但之後迅速公告數大幅上升至最高的10件相關專利公告,之後並持續發展。在1986年到2004年間,專利公告數量開始成長且穩定,直到2006年公告數量才獲得最高的16件,但自2005年後公告數量有大幅減少的趨勢。

2與表1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3為聚光型太陽能電池技術生命週期圖(以2年為計算單位),比對圖3與圖2,聚光型太陽能電池專利技術於1992年開始,專利數量與專利權人數開始急遽增加,於20002005之間達到巔峰,但2005年以後數具有下降的趨勢(由於2007年尚未結束,同時2006~2007年僅有兩年統計資料,故此段期間的專利數量還未能完全統計),顯示技術有進入技術瓶頸期的可能,惟後續實際趨勢為何仍有待觀察。

2. 技術生命週期圖示

1. 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

3. 聚光型太陽能電池專利技術生命週期圖

聚光型太陽能電池專利國家別分析

2為聚光型太陽能電池專利技術所屬國件數分析表。由表2可看出,投入聚光型太陽能電池技術發展並在美國獲得專利之國家共有7國,總專利件數115件,專利權人共85位,其中美國所獲得專利件數佔總專利件數之83.4%,是投入研發聚光型太陽能電池技術重要國家之ㄧ。

2. 專利所屬國件數分析表

所屬國

專利所屬國(中)

專利件數

專利權人數

件數百分比

US

美國

96

70

83.4%

JP

日本

9

5

7.8%

CA

加拿大

3

3

2.6%

DE

德國

2

2

1.7%

IL

以色列

3

3

2.6%

GB3

大不列顛

1

1

1.8%

DK

丹麥

1

1

0.8%

合計

115

85

100%

3.     聚光型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。

4.1 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3為聚光型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。聚光型太陽能電池技術相對研發能力值最高第一名為「The Boeing Company (波音)」公司,其相對研發能力值為100%,其次為「Entech, Inc」公司,其相對研發能力值為77%,兩者間之差距23%

3. 重要競爭公司相對研發能力比較表

公司名稱

相對研發能力值百分比

The Boeing Company

100

Entech, Inc

77

Mobil Tyco Solar Energy Company

55

Tecastar Power System, Inc

35

Minnesota Mining and Manufacturing Company

32

Spectrolab, Inc.

27

E-System, Inc.

24

Fraas;Lewis M

24

The University of Chicago Development Corporation

22

The Argonne National Laboratory

21

4.2 重要競爭公司研發能力詳細數據分析

4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,分析重要公司投入聚光型太陽能電池技術發展狀況,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。

4. 重要競爭公司相對研發能力詳細數據

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

The Boeing Company

9

7

16

15

9

19

28

3.111

0.321

Entech, Inc

6

5

4

12

6

16

22

3.667

0.273

Mobil Tyco Solar Energy Company

2

2

3

31

0

16

16

8

0

Tecastar Power System, Inc

4

3

10

8

0

8

8

2

0

Minnesota Mining and Manufacturing Company

4

4

3

13

0

7

7

1.75

0

Spectrolab, Inc.

2

2

2

20

0

7

7

3.5

0

E-System, Inc.

1

1

1

31

0

7

7

7

1

Fraas;Lewis M

1

1

2

14

0

7

7

7

0.167

The University of Chicago Development Corporation

3

3

2

15

1

4

5

1.667

0.2

The Argonne National Laboratory

2

2

2

15

0

5

5

2.5

0

註:引證率及技術獨立性之平均值分別為1.280.04

觀察投入聚光型太陽能電池技術之重要公司專利詳細資料表(表4),可得知在本專利技術相關領域中,以「The Boeing Company (波音)」公司專利之產出最多(9件),佔專利總數之3.4%,為發展聚光型太陽能電池專利技術研發最活躍的公司之ㄧ。

波音公司之專利產出共計9件,專利出產量高居第一,專利活動年期有7年,投入之發名人數16位,屬於投入較多研發資源的公司,但其專利平均年齡為15,屬於較為早期的專利同時將屆滿專利保護期限。總引證次數為28(其中自我引證次數9次,被其他人引證次數19次),引證率為3.111,遠高於本研究平均引證率1.28;技術獨立性則為0.321,略低於本研究平均技術獨立性0.04,表示該公司技術研發方向與其他市場研發方向差異性不多。

Entech, Inc」公司之專利產出共計6件,專利產出數量居於第二,專利活動年期有5年,投入之發明人數達4位,平均專利年齡12年,屬於早期的專利。在技術研發能力方面,Entech, Inc公司的6件專利被引證總次數高達22次(其中自我引證次數6次,被其他人引證次數16次),引證率為3.667,高於本研究平均引證率1.28甚多;技術獨立性則為0.273,低於本研究平均技術獨立性0.05,表示該公司技術研發內容與其他競爭公司的技術差異性並不顯著。

Tecastar Power System, Inc」公司之專利產出共計4件,專利產出數量居於第3,專利活動年期有8年,投入之發明人數高達10位,屬於近期的專利。公司的4件專利被引證總次數8次,(其中自我引證次數0次,被其他人引證次數8次),位居第4,引證率為2,高於本研究平均引證率1.28;但其技術獨立性為0,低於平均值0.04,表示該公司技術研發內容與其他競爭公司的技術差異性並不顯著。

4.3 重要競爭公司歷年專利件數分析

4為上述聚光型太陽能電池技術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研發領域之投入概況。由圖4可看出,聚光型太陽能電池技術專利的大部分是在近年所產出的,產出量能最高的公司分別是Entech公司Canon公司與波音公司為最多。

Entech公司於1987年開始產出聚光型太陽能電池之相關專利,雖然期間相隔十年之久才有第二專利產出,但到2006年之間產出率節節升高,後續動態仍可加以觀察注意;反觀Spectrolab公司,自1981年產出第一件後,於近十年多才有相關專利產出,其後續發展也許有限。

Tecastar Power System公司外與Canon公司都是在2000年後才開始發展,並在太陽能電池用之聚光型太陽能電池領域有穩定的相關專利數量發展,後續可加以觀察。已近年的發展來看,相對於其他公司而言,波音公司、Tecastar Power System公司外與Canon公司於2001年後,仍有持續發展,產量穩定,之後可多加以觀察。

4. 重要競爭公司歷年專利件數圖

4.     聚光型太陽能電池專利之IPC分析

5.1 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200611公佈的第八版,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5

5. 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“H01L31”),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“H01L31/00”)。

(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“H01L31/052”)。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1/175介於1/171/18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。

8為聚光型太陽能電池技術專利之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。

8. 聚光型太陽能電池技術專利IPC範例

H01L31/052

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

31/052:具有冷卻、反光或集光裝置者

一點次目之記號、名稱

‧用作轉換裝置

H01L31/052應解讀成「太陽能電池及其製造之冷卻、反光或集光裝置」

5.2 聚光型太陽能電池技術專利之IPC專利分類分析

9列出聚光型太陽能電池技術專利五階IPC分析前二名的技術分類及內容。每件專利大多並非只有一個IPC五階分類號,因此表9中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US3,998,166號專利IPC分類F24J3/02H01L31/04,因此只有1專利件次屬於H01L31分類。由表9中可得知H01L31F24J2此二項分類為聚光型太陽能電池技術專利的重點領域,其中又以H01L31對紅外輻射或微粒輻射敏感適用於將此種輻射能轉換為電能」專利件數明顯較多。

9. 聚光型太陽能電池技術專利四階IPC分析前二名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件次

H01L31

對紅外輻射或微粒輻射敏感適用於將此種輻射能轉換為電能

107

F24J2

太陽熱之利用

22

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10列出聚光型太陽能電池技術專利五階IPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知H01L31/052(具有冷卻、反光或集光裝置)H01L31/04(用作轉換裝置)H01L31/18(製造或處理此等裝置或其部件所特有的方法或設備)、H01L31/05(以特殊互連裝置為特徵)、與G02B17/00(有或無折射元件的具有反射面的系統)此五項分類為聚光型太陽能電池技術專利的重點領域,其中又以H01M8/052專利件數較多一些。

10. 聚光型太陽能電池技術專利五階IPC分析前六名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件數

H01L31/052

具有冷卻、反光或集光裝置

35

H01L31/04

用作轉換裝置

14

H01L31/18

製造或處理此等裝置或其部件所特有的方法或設備

11

H01L31/05

以特殊互連裝置為特徵

10

G02B17/00

有或無折射元件的具有反射面的系統

8

5.3 聚光型太陽能電池技術專利重要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5為聚光型太陽能電池技術專利重要IPC歷年專利件次分析。由圖中可以看出,H01L31/04用作轉換裝置)此項技術之相關專利出現最早,第一篇專利出現於1976年,於1983年停頓五年之久後才有相關專利,而自1990年後已十年多無相關專利產出。H01L31/052具有冷卻、反光或集光裝置)相關專利出現也在1991年,之後便斷斷續續有相關技術產出,到2001年開始蓬勃發展,並於2004年達到高峰的6件。

H01L31/05以特殊互連裝置為特徵)則在1999年開始有些微的成長,且於2005年獲得產出的最高點4件相關專利技術,幅度雖不如H01L31/04大,但可看出明顯的成長趨勢。反觀其餘技術,雖在2002年有些許的成長,但之後便在34件的發展區間停留。

 

5. 重要五階IPC專利技術歷年件次分析圖

5.4 聚光型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6為競爭國家重要IPC專利件次分析,由圖6可看出美國在重要五階IPC皆領先第二名的日本。美國、日本的研發重點皆較著重於H01L31/052具有冷卻、反光或集光裝置)此項技術分類上,對於其他技術的著墨較少。

 

6. 主要競爭國家重要IPC專利件次分析

7為競爭公司重要IPC專利件次分析,圖中顯示相對研發能力較為優異的公司在重要五階IPC的分布情形。大部分的公司均集中在H01L31/052(具有冷卻、反光或集光裝置),尤其是Entech公司,波音公司二者為領先集團,皆達到4件以上的專利技術量,且彼此差距不大。而波音公司、The Argonne National Laboratory公司、Hewlett-Packard公司、與The University of Chicago Development Corporation公司則是少數發展G02B17/00技術的公司,此四間公司的數量皆為2件以下。另外三個技術分類領域中,則分別有少量的公司零星發展。

 

7. 主要競爭公司重要IPC專利件次分析

5.     聚光型太陽能電池專利之UPC分析

6.1 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429的定義說明為「電學;電流產生裝置或方法」。

(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「429/13」的類號中,429代表「類」,而13代表針對該類細分的「次類」。

9為聚光型太陽能電池技術專利之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。

9. UPC編排架構內容示範

136/246

說明

類之記號、名稱

136:電池;光能電池和熱能電池

次類之記號、名稱

246:嵌版配置的反射物或冷卻方法

136/246」應解讀成「熱能電池和光能電池中,嵌版配置的反射物或冷卻方法」

6.2 聚光型太陽能電池技術專利之UPC專利分類分析

10列出一階UPC分析前二名的技術分類及內容,可得知136電池;光能電池和熱能電池)與126熔爐與暖爐)此二項分類為聚光型太陽能電池技術專利的重點領域。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12中之專利件次是代表共有多少專利件次屬於該分類,例如US4,045,246號專利其UPC分類為136/089126/270126/271,因此共有3專利件次屬於136分類。

 

10. 聚光型太陽能電池技術專利主要UPC一階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

136

電池;光能電池和熱能電池

217

126

熔爐與暖爐

91

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11列出二階UPC分析前六名的技術分類及內容,可以得知電流產生裝置中;關於熱電池和光電池嵌版或配置熱電池和光電池的冷卻法或壓縮膠封熱電池和光電池遮蔽物或壓縮法熱電池和光電池塗層接觸的表面幾何學熱電池和光電池嵌版配置的反射物或冷卻方法、與熱電池和光電池的光學成分與道理,此六項分類為聚光型太陽能電池技術專利的重點領域。圖8為此六項分類技術歷年專利件次分析,由圖中觀察此六項分類技術專利件數大部分在近幾年內有明顯成長,從1999年後有明顯大幅度的增加。

11. 聚光型太陽能電池技術專利主要UPC二階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件數

136/246

熱能電池和光能電池中,嵌版配置的反射物或冷卻方法

56

136/259

熱能電池和光能電池中,遮蓋物的集中冷卻方法或壓縮膠封

32

136/244

熱能電池和光能電池中,嵌版或配置

20

136/251

熱能電池和光能電池中,遮蔽物或壓縮法

17

136/256

熱能電池和光能電池中,塗層接觸的表面幾何學

13

136/432

固態物裡的活性裝置中,光學成分與道理

13

8. 重要二階UPC專利技術歷年件次分析圖

6.3 聚光型太陽能電池技術專利競爭國家與公司重要UPC專利件次分析

藉由競爭競爭國家與公司重要UPC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9為競爭國家重要UPC專利件次分析,由圖可看出美國在重要二階UPC中皆領先第二名的日本,研發重點較著重於136/246熱能電池和光能電池中,嵌版配置的反射物或冷卻方法)與136/259熱能電池和光能電池中,遮蓋物的集中冷卻方法或壓縮膠封)此二項技術分類上;而日本則平均發展各項技術領域。

9. 競爭國家重要二階UPC專利件次分析

10為競爭公司重要UPC專利件次分析,圖中顯示相對研發能力較為優異的公司在主要二階UPC分類的專利分布情形。波音公司於此六項技術分類之研發結果除257/432(固態物裡的活性裝置中,光學成分與道理)較少之外,其餘四項皆有均衡的發展,且於136/246136/256熱能電池和光能電池中塗層接觸的表面幾何學)技術項上領先各公司;Tecastar Power System公司與Canon Kabushiki Kaisha公司的狀況類似,發展平穩;Entech公司的發展方向則分別於136/246以及136/259有所領先;整體來說,Entech公司對有重點領域的研發。

10. 競爭公司重要UPC專利件次分析

6.     聚光型太陽能電池技術之重要引證專利分析

12為聚光型太陽能電池技術專利交互引證前五名之列表,所謂「交互引證數」的定義即為117件專利中引證此篇專利的專利數。例如,US4045246的交互引證數為14,即是117件專利中有14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5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4個技術類群:

第一技術類母專利US4,045,246)的重點是在收集並集中太陽輻射,透過冷卻液通過太陽能電池的集光器,可促進側壁的折射率使太陽能電池集中太陽輻射能。

第二技術類母群專利(US5,118,361US5,498,297)描述太陽能電池中,機械上和電子以串連的方式使用,並利用電磁帶中導電性的大小來控制聚合物電介質之間的層數與集中太陽能集中器中的熱能

第三技術類母專利(US5,091,018)則是描述如何用列陣的方式去量測太陽能電池的能量轉換效率

第四技術類母專利(US5,344,497)則引證其他(US5,091,018US5,118,361US5,498,297)三件母專利,顯示該專利為此三類技術之集大成者。該專利描述一應用於衛星上之太陽能電池,該電池是採用line-focus的方法提高其效率,此技術主要將採用Fresnel len的光接收器排成一陣列,並落於其焦點的延伸線上以收集得較高之光能。

11中標示出來為上述件重要引證母專利(藍、粉、綠、與紫底為母專利,淺藍色底皆為子專利),這些專利分別帶領上述技術類群。針對此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A中,供研究人員參考。

12. 聚光型太陽能電池技術專利交互引證前五名

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

US4045246

14

0

14

Mobil Tyco Solar Energy Corporation

1975/8/11

1977/8/30

US5118361

11

2

9

The Boeing Company

1990/5/21

1992/6/2

US5498297

10

3

7

Entech,Inc

1994/9/15

1996/3/12

US5091018

7

3

4

Fraas;Lewis M

1990/5/14

1992/2/25

US5344497

7

0

7

The Boeing Company

1993/4/19

1994/9/6

11. 聚光型太陽能電池技術之重要引證專利族譜圖

7.     結論與未來工作

本文完成了聚光型太陽能電池技術之美國公告專利檢索與分析,並繪製完成專利管理圖表。聚光型太陽能電池技術專利件數前兩名國家為美國與日本。重要競爭公司為美國的波音公司Entech公司。以應用領域而言經由二階UPC專利分類分析可發現,136/246熱能電池和光能電池中,嵌版配置的反射物或冷卻方法)和136/259熱能電池和光能電池中,遮蓋物的集中冷卻方法或壓縮膠封)為本研究之技術密集區(分別為5632件次)。

IPC分析可以看出聚光型太陽能電池專利技術重點發展情形,熱能電池和光能電池中,發電器或電池的結構電氣特性輸出的決定太陽能電池的方法或裝置自動控制與相關太陽能電池的壓力此五項分類技術於2001年開始其專利件數幾乎是同步向上發展。而此領域內研發能量較強的美國,其研發重點較著重於熱能電池和光能電池中,發電器或電池的結構電氣特性輸出的決定太陽能電池的方法或裝置此三項技術分類上。

此外由聚光型太陽能電池技術之重要引證專利分析中,分別找出了多種聚光型太陽能電池的組合應用、量測方法的源頭(基礎)專利。同時本文針對源頭與基礎專利進行分析並整理相關重要技術資訊於附錄A中,供研究人員參考。

附錄A. 重要引證母專利

US4045246

標題:Solar cells with concentrators 

應用:This invention relates to apparatus for converting solar energy to electricity and more particularly to improved solar cell apparatus of the type designed to convert solar energy to electrical energy. 

目標:The invention provides a unique arrangement for cooling solar cells that are associated with collectors for collecting solar radiation and concentrating the same on the solar cells. Hence it is desirable to provide cooling means for maintaining the solar cells at a temperature which is acceptable with respect to maintaining conversion efficiency. Furthermore, for practical solar power plants, it may be necessary or desirable to employ light collectors for collecting solar radiation and concentrating it on selected surfaces of the solar cell apparatus. Therefore, the primary object of this invention is to provide solar cell apparatus of the character described which comprises a unique arrangement for concentrating solar radiation and cooling the solar cell or cells. A further object is to provide a solar cell apparatus with a radiant energy concentrator assembly which includes means for cooling the solar cell or cells. 

方法:As is well known (see U.S. Pat. Nos. 3,359,137, 3,489,615, 3,686,036, 3,713,893 and 3,811,954), it is customary to provide a grid of current collectors on that surface of the solar cell which is to receive solar radiation. This light-reflecting capability may be achieved by applying a silver coating to the inner surfaces of the wall members. In this connection it is to be noted that the dimensions of the entrance aperture of the lower concentrator are equal to or greater than the corresponding dimensions of the exit aperture of the upper concentrator so as to maximize transmission of radiant energy into the lower concentrator. The latter may be a refrigeration type cooler or may be merely a simple heat exchanger wherein heat is removed by exchange with a secondary cooling liquid or by radiation to the atmosphere. This increased angle of acceptance (.theta..sub.max ") is given by the relation: ##EQU4## where the angle .theta..sub.max specifies the profile curve of the concentrator in the sense of equations (1) and (2). 

特徵:Resilient gaskets 32 and 34 are interposed between wall members 12, 14, 16 and 18 on the one hand and plate 28 and bottom wall member 20 on the other hand to prevent leakage of fluid 30 from the chamber. The index of refraction of plate 28 may be ignored since, because it is relatively thin and also flat on both sides, the plate has no concentrating effect. Such shortening can result in significant saving of material. In this case the lower concentrators 4 are anchored to a substrate 96 and the upper ends of the adjacent side walls of the upper concentrators engage and are secured to each other so as to form passageways 98 through which an auxiliary cooling medium such as air may be circulated to provide additional cooling of the concentrators. The plate 104 and panel 6 are hermetically sealed to the side and end walls of the concentrator so as to prevent leakage of the cooling medium. The cover plates are hermetically sealed to the side and end walls of the concentrators so as to prevent leakage of the dielectric cooling medium, the latter being circulated through the concentrators via conduits connected to ports as shown at 162 formed in the end walls of the concentrators. 

US5118361

標題:Photovoltaic cell and array with inherent bypass diode 

應用:This invention relates to a photovoltaic cell that inherently includes a bypass diode and the power supply circuits that can be assembled with this cell. The process of fabricating the GaSb photovoltaic cell 20 of this invention is generally applicable to III-V diffused-junction photovoltaic cells and is described more completely in U.S. patent application Ser. No. 07/755,316. 

方法:A GaSb photovoltaic cell of this invention is fabricated by doping a basic GaSb wafer with high concentrations of tellurium to create an n-region. In other words, an inactive photovoltaic cell of this invention appears more as a low-resistance resistor than as an open circuit to the other current-producing components with which it is connected. In the preferred embodiments of the invention, the GaSb wafer is doped with tellurium (Te). The diffusion step may be accomplished by using a quasi-closed graphite box in a conventional manner. The increase in field strength, in combination with the relatively low bandgap energy of the semiconducting material, minimizes the reverse-biased potential that needs to be applied to the photovoltaic cell in order to cause substantive current flow. 

特徵:Since the photovoltaic cell of this invention inherently functions as a bypass diode, there is no need to provide an additional diode to protect the array in the event the cell is rendered inactive. However, since the photovoltaic cell 20 of this invention has a relatively low bandgap energy, specifically a bandgap energy of 0.72 eV, when the cell is inactive, a relatively small current applied to the n-region 22 will excite the electrons to the point where they will move from valence band orbits to the higher conduction band orbits. This eliminates the need to have either to connect a discrete bypass diode across the cell 20 or to fabricate a separate bypass diode on the semiconductor on which the cell is formed. The minimization of the depletion zone serves to increase the strength of the electric field that forms at the pn-junction. The application of positive voltages greater than approximately 1.0 volt results in a decay of the negative terminal-to-positive terminal current flow through the subarray. In other words, the inherent bypass diode of the GaSb cell 72 of this invention prevents large, potentially destructive, voltages from developing across the GaAs cells with which it is associated. This invention eliminates the need to provide a bypass diode across the individual subarrays in order to minimize the power loss of the array 70 when one of the subarrays is rendered inactive. In other versions of the invention, the photovoltaic cells 20 of this invention may simply be strung together in series, without any other type of photovoltaic cells, to generate an output having selected voltage and amperage characteristics. In still other versions of this invention, it may be desirable to connect the photovoltaic cells of this invention to other power sources, such as batteries, to be able to take advantage of their characteristics of being able to both generate power and to serve as their own bypass diodes. In some methods of manufacture it may be desirable, for example, to initially fabricate the cells so that the p- region 24 is initially relatively thick and then to etch it back to reduce its overall size. 

US5498297

標題:Photovoltaic receiver 

應用:The present invention is generally directed to a photovoltaic receiver assembly for use in a photovoltaic concentrator module and a novel process for its construction. More specifically, the present invention is directed to a photovoltaic receiver comprising a plurality of photovoltaic cell packages, where each package includes a cell, two or more electrical conductors, one or more bypass diodes, and a light concentrating prism cover, where the cell packages are mounted to a heat sink and are encapsulated within an impermeable dielectric film to prevent the ingress of moisture. The present invention is directed to a photovoltaic receiver which in a preferred embodiment comprises a plurality of interconnected solar cells which are electrically coupled to an electrical load or storage device via a series of electrical conductors. 

目標:The present invention provides many performance benefits over the art. Yet another advantage of the present invention is the superior dielectric isolation of the photovoltaic cell assemblies. 

方法:A photovoltaic receiver is disclosed where said receiver includes at last one photovoltaic cell coupled to an electrical load via the use of an electrical conductor and a bypass diode, the combination secured to a heat sink via the use of a Tefzel film incorporating a pressure sensitive adhesive on both its upper and lower surfaces, a prismatic top cover and a second Tefzel film layer secured to said first layer so as to encapsulate said photovoltaic cell. Finally, a small penetration is made in the upper Tefzel film layer on each end of the receiver to provide for an insulated wire to be attached to the positive and negative ends of the cell string, respectively. In a preferred embodiment, an elongate prism in tape form and including pressure sensitive adhesive on the cell mounting surface is used. Due to its superior mechanical and dielectric strength, the lower PSA-coated Tefzel film can be made very thin to provide low thermal resistance between the cell package and the heat sink. The mechanism of this failure was always water migration to the PSA layer, followed by bubble formation and adhesive delamination. 

特徵:Moreover, the labor costs associated with the construction of the receiver are dramatically reduced as a result of the simplified unitary film encapsulant which eliminates the need to insulate the individual electrical joints between the cells. One such advantage is seen in the reduction of leakage current. The receiver of the present invention typically demonstrates a leakage current of less than 1 microamp at 2,200 volts. Another advantage is seen in the minimized heat differential between the cell package and the heat sink. Yet other advantages of the method of the present invention reside in its efficiency and cost effectiveness in comparison to prior and similar methods of construction. Yet further benefits of the present invention are seen in the estimated six percent power gain realized as a result of the ability to add additional photovoltaic power cells as a result of the efficiency of the encapsulation process. This upper Tefzel film is only loosely draped over the prism covers on the cell packages, and is not bonded thereto; otherwise the beneficial optical effect of the prism cover could be diminished. Bypass diode 17 is sandwiched between each pair of conductors 15 and 16, thereby providing the physical separation between top 15 and bottom 16 conductors so as to eliminate the need for the addition of additional dielectrics. For example, an antireffective coating on the Tefzel film or film surfaces may be used to enhance performance of the solar cells. Compared to prior art receivers, this new receiver offers significant advantages in performance, cost, robustness, and manufacturability. 

US5091018

標題:Low bandgap photovoltaic cell with inherent bypass diode 

應用:PV cells can be used as sensors in cameras and the like to obtain an electrical signal or to measure the incident or ambient light. This invention relates to a PV cell that inherently includes a bypass diode, particularly a GaSb booster cell for a GaAs/GaSb tandem concentrator power array. The process of fabricating the preferred GaSb booster cell 20 of this invention to create an inherent bypass diode is generally applicable to III-V diffused-junction PV cells and is described more completely in U.S. Pat. No. 5,217,539. 

方法:Multiple PV cells of this invention can be connected in series or in parallel or in tandem in a primary-booster tandem pair to form a circuit without the requirement of protecting the individual cells of the circuit with a separate bypass diode. In a preferred embodiment, gallium antimonide (GaSb), which has a bandgap energy of approximately 0.72 eV, is doped with tellurium to create an n-region. A PV cell that includes a bypass diode is well suited for assembly in series with other PV cells to form a multicell array, especially an array of tandem cells. The base contact must have a low electrical resistance, adhere to the lower surface of the wafer, and meet the other requirements for use in space or terrestrial applications. The increase in field strength, in combination with the relatively low bandgap energy of the semiconducting material, minimizes the reverse-biased potential that needs to be applied to the PV cell to cause substantive current flow. 

特徵:Because the cell 20 functions as its own bypass diode, it eliminates the need either to connect a discrete bypass diode across the cell 20 or to fabricate a separate bypass diode on the semiconductor on which the cell is formed, as we did in the modules we tested and described in our 1990 paper and others typically did. The benefits are particularly beneficial to a technology where the unit cost of power is determinative of the commercial success or failure. The minimization of the depletion zone serves to increase the strength of the electric field that forms at the pn-junction. Generally, both the n-dopant and p-dopant concentrations are equal to or greater than about 6.times.10.sup.17 atoms/ cm.sup.3, so that the application of a back-biased reverse-breakdown voltage across the semiconducting material allows current flow through the pn-junction when the reverse-breakdown voltage is between about -1.5 and -0.5 volts. The application of positive voltages greater than approximately 1.0 volt results in a decay of the negative terminal-to-positive terminal current flow through the subarray. In other words, the inherent bypass diode of the GaSb cell 72 of this invention prevents large, potentially destructive, voltages from developing across the GaAs cells with which it is associated. This invention eliminates the need to provide a bypass diode across the individual subarrays to minimize the power loss of the array 70 when one of the subarrays is rendered inactive. In other versions of the invention, the cells 20 of this invention may simply be strung together in series, without any other type of PV cells, to generate an output having selected voltage and amperage characteristics. In still other versions of this invention, it may be desirable to connect the PV cells of this invention to other power sources, such as batteries, to be able to take advantage of their characteristics of being able to both generate power and to serve as their own bypass diodes. In some methods of manufacture it may be desirable, for example, to initially fabricate the cells so that the p-region 24 is initially relatively thick and then to etch it back to reduce its overall size. 

US5344497

標題:Line-focus photovoltaic module using stacked tandem-cells 

應用:The present invention relates generally to solar electric power modules for space satellite applications. 

目標:While the performance of the above point-focus mini-domed lens module is quite impressive, there are still several disadvantages inherent in this design. First, the point-focus lens in its present form is not durable in the space environment. Therefore, it is highly desirable to produce a line-focus electric power supply incorporating high performance tandem cell-stacks so that it can serve a larger number of missions including those where only single-axis sun-tracking is available. Therefore, this line focus lens is inexpensive to make in a space-survivable form. Finally, our new line-focus tandem-cell module is usable on a larger number of missions because it can be used with single-axis sun-tracking. 

方法:It consists of an array of linear arched Fresnel lenses with a linear tandem-cell receiver located along the focal line of each lens. The lens consists of a glass protective superstrate with molded silicone Fresnel grooves on its inner surface. Given this line-focus lens, the problems to be solved for the tandem-cell receiver are, first, to provide for the additional leads associated with a tandem cell-stack, and second, to provide for a higher concentration ratio in order to make the cells low-cost and affordable. These two problems are solved by using a solid optical secondary with a rectangular entrance aperture bonded to the top cell in the tandem cell- stack. It is also durable because the cells are protected against radiation damage by an optical secondary element. 

特徵:The tandem cell receiver consists of high efficiency cell-stacks interconnected in a string with a secondary optical element adhesive bonded to each cell-stack. This scheme has three advantages. The resultant line-focus tandem-cell module has a performance comparable to the mini-domed lens module since it operates at the same concentration ratio and incorporates the same tandem-cells. It is low cost because the lens can be more easily manufactured and because the same small cell sizes are used. These short distances will dramatically reduce series resistance losses relative to the point-focus prior art design.