基于专利分析的我国太阳能光伏领域核心技术识别及演化研究

赵 璞，林 文，姜天润，马腾云

（中国地质大学（北京）经济管理学院，北京 100083）

1 研究背景

随着时代发展和科技进步，化石能源带来的资源短缺和环境污染问题日益严重，如何实现绿色经济、发展可再生能源成为了我国乃至全世界能源革命的中心问题。其中，太阳能光伏作为一种清洁、安全、便利的可再生能源，其产业在世界各国都得到了巨大的发展。我国光伏产业虽然于21世纪初才起步发展，但上升态势迅猛，产业技术、规模和成本均在全球的完整产业链中保持领先地位［1］。截至2020年，我国光伏累计装机预计将达240 GW，是2015年年末装机的5.6倍，应用市场也稳步增长［2］。光伏产业的发展依托于技术进步和政策支持。虽然我国已经在光伏产业发展中取得一定成就，但在努力实现2030年前碳排放达峰和争取2060年前碳中和的目标背景下，如何继续推动我国太阳能光伏产业发展具有深刻的研究意义。识别产业核心技术、分析其演化进程有益于发现产业领域发展重心和趋势走向，是实现领域创新、推动产业发展的重要途径。

当前有关识别产业核心技术的研究有很多，识别方法主要有以下4种：一是专家识别法，又称德尔菲法，即邀请领域内的专业人士，借助其经验和知识背景来识别相关行业核心技术并达成共识［3］。这种方法准确率高，但存在可识别数据量有限、评价标准可能会受主观影响等局限性。二是专利指标频次统计法，即统计领域内专利的被引次数、同族专利数、分类号数量等指标的频次，频次越多代表该技术在领域内越处于核心地位。例如商琦等［4］统计了目标专利的年均被引频次，选取排名前十的专利作为边缘计算领域基础的核心专利；凡庆涛等［5］通过专利被引次数确定了3D生物打印的技术热点；Lanjouw等［6］通过专利权利要求项的数量构建专利质量指数。三是专利指标体系构建法，即在构建识别核心技术的指标体系后，通过专家意见法、层次分析法、熵权法等主观或客观的方法，为指标赋予权重并进行核心技术评价。如杨大飞等［7］从核心技术创新力、控制力、发展力的角度构建指标体系，通过最优组合赋权法确定权重，并对有机发光二极管（OLED）平板显示产业的专利数据进行了实证研究；Ma 等［8］结合石油行业的技术特点，创新性地构建了一套专利价值评估体系。四是专利共类分析法，即通过因子分析、聚类分析等方法将专利数据进行分类，进一步通过数据可视化手段分析核心技术。如Krafft等［9］基于专利数据的IPC分类号建立了共现网络，进一步探究了网络密度、度数中心度、接近中心度和中介中心度等指标，分析了知识基础的结构和发展趋势；黄晓斌等［10］构建了4G通信领域的技术关联网络，通过中心度分析识别出领域内关键技术。以上几种识别领域核心技术的方法各有优势，均具有较好的研究成效。

目前对于我国太阳能光伏领域整体技术发展的相关研究主要表现为通过专利数量、申请国家及地区、专利权人等某种专利具体属性来分析行业发展趋势，存在数据陈旧、研究指标不够丰富等问题，且少有针对核心技术间交叉影响关系进行深入分析。故本研究基于1963—2020年我国太阳能光伏领域专利数据，提取IPC分类号前4位代表技术领域，通过关联规则挖掘有价值的技术领域共现组合，进一步测算和构建这些技术领域的交叉影响系数矩阵，按照技术生命周期的划分，分别建立全时期及各时期技术领域交叉影响网络，进而进行核心技术的挖掘和演化分析。

2 模型构建及数据来源

2.1 核心技术领域识别模型构建

2.1.1 关联规则

在众多数据挖掘方法中，关联规则可以用来发掘大量数据之间的关联关系。“频繁项集”是其中的一个关键性的概念，它被定义为在事务集中不同项集频繁地共同出现的集合［11］，可由支持度大于给定的最小支持度阈值来确定，即满足的集合为频繁项集。其中，，是由个不同的项组成的集合。项集S的支持度如公式（1）所示：

由关联规则挖掘得到的规则与经验总结得到的定性规律之间的不同之处在于，关联规则是定量的精细规则［12］。技术领域组合共同出现的次数越多，其间的交叉影响程度对同时期整个行业内技术发展的贡献就越大，地位就越重要。本研究将关联规则用于专利数据分析中，为避免共现频次较低的技术领域组合对最终结果的影响，通过最小支持度的设定筛选出有价值的技术领域组合，即其间交叉影响程度对整体技术间关系走向作用较大的技术领域组合。

2.1.2 改进的交叉影响分析

Choi等［13］提出的核心技术领域识别方法，即PCIA方法，目前已经得到较多学者的认可。该方法认为根据某一技术领域在整个技术系统中对其他技术领域的影响大小可以确定其是否为核心技术领域，并将两个技术领域之间的交叉影响定义为一个条件概率。具体如公式（3）所示：

当计算完多个技术领域之间的影响系数后，便可以构造一个多技术交叉影响矩阵。在随后的研究中，黄鲁成等［14］指出在识别核心技术中使用该方法可以克服主观性的影响，但却存在缺陷，即只用条件概率的思想考虑，忽略了技术之间真实的影响方向。当技术与技术的关系呈现如图1所示的包含关系时，按照Choi等［13］的PCIA公式可以计算出，即技术领域对的影响是极大的，没有技术领域，技术领域不会单独出现，但是这与图1中技术领域与的包含关系矛盾，即该公式错误表示成了技术领域对技术领域的影响。

图1 包含关系的技术影响模式

因此，黄鲁成等人［14］在PCIA方法的基础上作出了一定的修改，他们认为专利包含多项技术的特性，难以确定技术领域与出现的时间先后，最终提出了基于占比的NPCIA计算公式如下：

在计算出各个技术领域之间的交叉影响系数之后，构造技术领域交叉影响矩阵，并通过公式（5）计算各个技术领域对整个技术系统的影响系数贡献率，按照贡献率排序识别核心技术领域。

2.2 数据来源及预处理

德温特世界专利索引数据库（Derwent Innovations Index，DII）是目前为止国际专利信息收录最全面的数据库之一，收录了自1963年至今超过40个国家、地区及专利组织发布的专利文献以及专利引用信息。本研究以中国历年来光伏领域的专利数据为研究对象，选择德温特专利索引数据库为数据来源，检索表达式确定为：TS=PHOTOVOLTAIC AND PN=CN*，时间跨度选择所有年份（即1963年至检索日期），导出内容为全记录，检索时间为2021年3月25日。

数据预处理阶段，主要采用去除变异数据、重复数据等数据清洗手段。最终获得我国光伏领域相关专利共107 343条，随后提取出IPC分类号、专利申请年份等信息单元以供后续分析使用。

每个专利会根据其所属领域的具体情况而匹配多个IPC分类号［15］。IPC分类号采用逐级分类的方式，包含部、大类、小类、大组、小组5层体系，层级越向上，跨领域程度就越大。根据先前的理论，不同的IPC出现在同一个专利中，这反映了技术的相关性，也即体现了技术融合。根据分类规则，IPC分类号的前4位代表了该项技术的小类，对其数量进行分析可以直观地观察该领域的核心技术。本研究经过大量实验之后，选取IPC分类号前4位，即以小类来作为本研究的技术领域对象。表1为本研究涉及到的我国太阳能光伏领域专利IPC小类及其代表含义。

表1 本研究涉及到的太阳能光伏领域专利IPC小类含义

表1 （续）

3 我国太阳能光伏领域核心技术识别及演化分析

3.1 技术生命周期分析

生命周期理论的应用十分广泛，在政治、经济、环境、技术、社会等领域得到衍生，可以将其理解为一个“生命”从诞生到没落甚至消失的整个过程［16］。Mansfield［17］在1961年提出“技术生命周期”的概念之后，许多学者对此进行了深入研究。目前较为成熟的技术生命周期理论认为技术成长过程主要包括4个阶段：萌芽期、成长期、成熟期和衰退期［18］。另外也有学者如Liu等［19］曾指出技术生命周期分为起步期、发展期和成熟期3个阶段。这两个理论对技术演化阶段的分解依据不同，但仍然具有相同的内核。

因2021年数据不完全，故本研究对1963—2020年我国太阳能光伏领域的专利数量进行统计，并基于生命周期理论，依据具体发展趋势，将我国太阳能光伏技术领域发展划分为起步期、成长期、成熟期3个阶段，如图2所示。

图2 我国太阳能光伏领域技术生命周期演化

结合实际分析可知，2006年之前，太阳能光伏领域专利数量变化表现为总量少、增长率低，截至2006年，专利总量仅为1 129件，故将2006年之前的时期定义为我国太阳能光伏技术起步时期。在2002年之前，我国对光伏产业的发展并不重视，产业内仅有的几家国有企业面临着市场需求低、技术门槛高、原材料供应不足等诸多问题，发展严重受限；随着2005年《中华人民共和国可再生能源法》的颁布，我国可再生能源的开发利用得到了促进，光伏产业的发展有了起色，就此拉开了飞跃式发展的序幕。

2007—2017年，太阳能光伏领域相关专利数量增速迅猛，由2006年仅有的420条专利发展到2017年16 726条的单年申请数量最高值，增长幅度不断升高，故将这一时期确定为太阳能光伏技术生命周期的成长期。在这一时期，相关专利数量总体呈现上升态势，主要是由于在2007年至2011年之间，政府为光伏产业发展提供了大量的财政补贴和政策支持，例如2009年中央政府的“金太阳计划”等，大大刺激了太阳能光伏产业规模化向前发展，专利申请量从2006年的420件逐年递增至2012年的5 688件。光伏技术发展和产业政策的引导推动紧密相关［20］。我国太阳能光伏产业在利好环境下开始了爆发式发展，但也带来了产能过剩的严重问题，2011年的“光伏双反事件”使我国光伏产业发展雪上加霜，2011—2013年光伏产品价格大幅度降低，几乎全行业都面临着亏损和破产，退出行业的企业数量在2012年达到高峰，足足有31家［21］；而在这期间，相关专利的申请量增长也变得平缓，2012年到2013年仅增长了106件。在此背景下，国务院于2013年出台了《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，提出进行产业调整和升级，大力推广分布式光伏，落实相关配套措施，才使得我国太阳能光伏市场供需矛盾逐渐解决，产业回暖；与此同时，保利协鑫天然气集团控股有限公司、新特能源股份有限公司、隆基绿能科技股份有限公司等多家企业取得了重大技术突破，有近10家企业集中在创业板上市，我国光伏产业重新恢复了生机与活力［22］，相关专利申请量也从2013年的5 794件呈指数级增长到了2017年的16 726件。

2018年至今，我国太阳能光伏领域专利数量仍在持续增长，但申请量开始逐渐降低，由2017年的16 726件降至2019年的14 274件，我国太阳能光伏技术进入了发展的成熟期。在“531”新政的产业政策退坡背景下，我国新增光伏安装量有所下降，但也促进了光伏企业自主研发和技术创新的能力提升，并在2020年迎来新一轮上市热潮。虽然现阶段的行业创新性突破已变得较为困难，但我国的太阳能光伏产业经过20多年的发展，已经成为了国际领先的优势产业。

3.2 我国太阳能光伏领域核心技术识别

3.2.1 基于关联规则的技术领域组合筛选

本研究认为某一技术领域在整个行业技术发展的过程中出现的次数越多，其对于其他技术领域的交叉影响作用在整个技术系统中越重要。为了更好地探究我国光伏产业核心技术领域的演化过程，本研究利用关联规则中经典的Apriori算法，分别对我国太阳能光伏领域全时期、起步期、成长期、成熟期内出现频次最多的技术领域组合进行筛选。由于每一时期的发展特征不同，专利数据量也不同，故分别为不同时期的数据设置不同的最小支持度，用以筛选合适数量的有价值的技术领域，对太阳能光伏领域的核心技术识别和演化作初步判断。经过多次实验与对比，将全时期、起步期、成长期、成熟期的最小支持度（Sup）分别设置为0.005、0.020、0.005、0.005，出现次数最多技术领域组合前20位（以下简称“TOP20”）如表2所示。由表2可知，利用关联规则对我国太阳能光伏领域技术全时期数据进行筛选后，共得到32对技术领域组合。其中，共同出现频次最多的前5对分别是F24S与H20S、H02J与H02S、F21S与F21V、H01L与H02S、F21W与F21S。由此可以看出，我国太阳能光伏产业技术研发的基础为太阳能热收集器或系统、红外线辐射或可见光或紫外光转换产生电能、电能存储系统、照明装置或系统及其零部件、半导体器件等领域。分阶段具体来看：

表2 2006—2019年我国太阳能光伏领域出现次数最多技术领域组合TOP20

（1）对起步期数据进行筛选后，得到36对技术领域组合。在这一时期，主要围绕以H01L所代表的半导体器件为基础，分别从电热、玻璃、电机、层状产品以及其他应用材料等领域进一步发展衍生，构成了我国光伏产业起步时期的基础技术保障。

（2）对成长期数据筛选后，得到32对技术领域组合，电能存储系统、红外线辐射或可见光或紫外光转换产生电能、照明装置及系统、交流电直流电转化、热量的产生和利用等技术成为成长期的重点关注领域。我国光伏产业相关技术不断发展成长，涉及范围不断扩大。

（3）对成熟期数据筛选后，得到29对技术领域组合，主要涉及领域包括太阳能热系统、照明装置及系统、电能存储装置、一般清洁等，此时的重要技术领域几乎向全时期技术发展重点领域靠齐，即我国太阳能光伏技术体系逐渐在这一时期成型。

3.2.2 基于NPCIA的核心技术领域识别

在通过关联规则挖掘得到各时期出现次数最多的技术领域之后，去掉重复规则，依据公式（4）计算其两两之间的交叉影响系数，分别建立各时期交叉影响系数矩阵，并按公式（5）计算各技术领域在不同时期对整个技术系统的影响贡献率，从而识别核心技术领域。具体结果如表3所示。

由表3可知，我国太阳能光伏领域技术发展起步期以H01L所代表的半导体器件技术为核心基础，其对整个技术系统的影响贡献率高达0.541 0；在此基础上，进而发展起应用材料、高分子化合物、导电体或绝缘体、电热、电路装置及电能存储系统等技术领域，进行基础器件和基础技术的研发。在这一时期，我国对太阳能光伏领域的发展不够重视，缺乏基础理论和技术，产品研发水平和技术创新能力有限，使得我国光伏制造业的发展非常依赖国外的市场和技术。在成长期，半导体器件领域保持了交叉影响贡献率第一的地位，但其影响贡献率远低于起步期水平，为0.299 8，光伏产业涉及到的技术领域范围不断扩大，向多元化发展，主要涉及到的核心技术领域包括光能转换成电能、照明装置及系统、供电装置及电能存储系统、高分子化合物等。在这一时期，市场需求不断扩大，增强了产业内相关技术的应用性。照明装置及其技术是主要发展趋势，太阳能电池技术也在逐渐兴起，并从其稳定性、耐用性、可靠性等方面进行技术创新和产品的研发更新。在成熟期，半导体器件代表领域的交叉影响贡献率已经降到0.002 2，光能与电能的转换、照明装置及系统、太阳能电池相关的技术领域占据整个技术系统的核心地位。光伏发电行业竞争激烈，有效提高光电转化的效率可以降低太阳能电池的成本，从而提升核心竞争力，因此光电转换技术成为了这一时期的核心技术。在这一时期，领域内的知识和技术已经相当成熟，商业转化程度很高，比起如何扩展光伏行业的新领域、作出突破性创新的新技术，相关企业更多地是将资源投入到如何优化升级现有产品及技术上，创新趋势变缓。

表3 2006—2019年我国太阳能光伏领域各时期技术领域交叉影响贡献率

总体来看，我国太阳能光伏领域的技术发展过程主要是以半导体器件为基础，光电转换技术为重点，光伏照明及太阳能电池相关技术为核心，光伏建筑一体化等应用技术为扩展方向，进一步横向发散、纵向升级。

3.3 我国太阳能光伏领域核心技术演化分析

为了更好地对我国太阳能光伏领域核心技术发展进行演化分析，本研究依据交叉影响系数矩阵建立了全时期以及各时期的技术交叉影响有向网络。此外，经过实验对比分析，本研究认为交叉影响系数小于0.3的技术领域对其他技术领域的影响程度较小，可以不作分析，因此为方便可视化分析，在导入Gephi软件时筛选去除边权小于0.3的连边，节点大小表示对其他技术领域产生影响的领域数量多少，边的粗细表示领域间影响系数大小。

3.3.1 全时期技术交叉影响网络分析

对我国光伏领域全时期专利小类数据进行交叉影响分析，构建交叉影响矩阵并绘制出网络图（见图3）可以看出，在光伏技术发展的全时期，H01L、H02S、H02J对多个节点构成强影响，成为整个交叉影响网络的关键节点，这意味着这些节点代表的半导体器件、光能转换电能、照明装置与电能存储系统是其他技术领域发展的基础和核心；F21S、F21Y、F21W、F21V这4个节点两两互相构成强影响，说明这4个与光源及照明装置或其系统等相关的技术领域经常在一项专利中同时出现，相互依存，成为了一组共生技术。

图3 全时期我国太阳能光伏领域专利IPC小类交叉影响网络结构

3.3.2 各时期技术交叉影响网络演化分析

如图4所示，在光伏技术发展的起步期中，交叉影响网络呈现由一点向外发散的形态，几乎所有的技术领域都受到技术领域H01L所代表的半导体器件的影响，技术创新依赖并建立在H01L的基础上。这一阶段处于摸索时期，由于技术不够成熟，专利技术创新多以一项核心技术为中心，在此项技术的基础上进一步扩展。

图4 各时期我国太阳能光伏领域专利IPC小类交叉影响网络演化

交叉影响网络在成长期进入多核阶段，光伏技术创新领域初具雏形。经过起步期的摸索与技术革新，成长期的技术创新开始了新的模式，一些新的技术领域脱颖而出，由起步期的单个节点发散到多个重要节点同时发散。可以看出，H01L仍然是这个阶段最重要的技术领域，许多技术创新领域仍然依赖于它。除此之外，技术领域F21S、F21Y、F21W、F21V的共生关系也展现了出来，这4个技术领域两两影响、相互依存，共同说明了光伏技术的一个重要的应用领域——照明，也在这一时期开始蓬勃兴起。另外，技术领域H02S、H02J的作用也逐渐显现，光伏技术创新的重点开始转移。

成熟期，技术发展趋于稳定，旧的技术领域的影响作用正在逐渐消亡。到达此阶段，技术创新已经走向成熟，起步期及成长期的重要技术领域H01L在成熟期已经不再是重要节点，甚至没有对其他技术领域产生强影响。涉及光伏照明应用的F21S、F21Y、F21W、F21V等之间的相互影响愈加深入，并且对整个技术系统的影响贡献率也维持在较高水平。另外，技术领域H02S成为了这个时期连出度最大的节点，即占据了最重要的核心位置。各时期都存在的H02J与H02M以及C08K与C08L的相互影响在此阶段也得到了延续。

总的来看，我国太阳能光伏技术创新发展以半导体器件技术领域为核心，逐渐发展为多个技术领域共同影响的模式，核心技术领域专利的技术研发范围正逐步扩大，并且重心逐渐分散，不仅局限于一个领域，从光伏照明、太阳能电池、光伏建筑一体化等多个技术方向呈现多样化发展。

4 结论与建议

4.1 研究结论

在碳达峰、碳中和的能源发展大背景下，本研究通过检索获取了我国从1963年到2020年3月太阳能光伏技术专利数据，基于技术生命周期理论，将光伏技术发展划分为3个时期，利用关联规则筛选出各时期出现次数最多、有价值的技术领域，通过NPCIA算法计算各技术领域间的交叉影响系数并建立矩阵，在此基础上计算各个技术领域对整个技术系统的影响系数贡献率，以此识别核心技术领域，最后建立交叉影响有向网络分析核心技术领域演化特征。研究得出如下几点结论：

（1）我国太阳能光伏技术发展可划分为起步期、成长期、成熟期3个阶段。2006年之前为技术起步时期，专利总量仅为1 129件，增幅极小，此时的光伏产业十分依赖国外的市场和技术；2007—2017年为技术发展成长期，虽在2011年前后发展遇阻，但在总体上呈现专利数量急剧增加的态势，涉及到的范围不断扩大，并向应用化、多元化方向发展；2018年至今为技术发展成熟期，专利数量持续增长但增加量下降，行业内有较为成熟的理论和技术基础，市场需求稳定，相关企业有了一定程度的自主研发和技术创新能力，行业发展成熟，不断在现有技术基础上进行优化升级。

（2）我国太阳能光伏领域的技术发展过程主要是以半导体器件为基础、光电转换技术为重点、光伏照明及太阳能电池相关技术为热点、光伏建筑一体化等应用技术为扩展方向而逐步发展。起步期，核心技术领域集中在半导体器件、应用材料、高分子化合物、导电体或绝缘体、电热、电路装置及电能存储系统等技术领域，主要进行基础器件和基础技术的研发；成长期，以半导体器件、光能转换成电能、照明装置及系统、供电装置及电能存储系统、高分子化合物等为核心技术领域，扩大了技术领域涉及范围；成熟期，光能与电能的转换、照明装置及系统、太阳能电池相关的技术领域占据整个技术系统的核心地位，商业转化和产品应用程度很高。

（3）我国太阳能光伏领域核心技术的演化主要呈现以半导体器件领域为核心，逐渐发展为多个技术领域共同影响的模式，核心技术领域专利的技术研发范围正逐步扩大，并且重心逐渐分散，不仅局限于一个领域，从光伏照明、太阳能电池、光伏建筑一体化等多个技术方向呈现多样化发展。其中，起步期呈现由一点向外发散的形态；成长期进入多核阶段，一些新的技术领域脱颖而出；成熟期技术发展趋于稳定，旧的技术领域的影响作用正在消减，逐渐向应用导向型技术领域发展。

我国太阳能光伏产业相关技术发展已经步入成熟阶段，按照不同时期分别识别核心技术领域并进行演化分析有利于把握技术发展趋势，探究核心技术演化规律，为更好地识别领域发展重点、进行技术领域创新提供理论依据。

4.2 对策建议

基于研究结论，提出如下两点对策建议：

（1）把握技术成熟期利好条件，政企协力推进产业技术升级。当前我国光伏技术发展已到成熟阶段，产业发展政策体系已经形成，技术壁垒逐渐降低，产业内相关企业应沿循前两个时期的技术发展规律，把握成熟期的技术发展特征，在光伏技术研发与创新的利好条件下抓紧外部机遇，增强科技研发投入。相关部门则可以从重视创新研发补贴、搭建技术交流平台、探索产学研合作模式等方面，就光伏领域技术发展给予有针对性的科技政策支持，同时重视人才、金融、服务配套政策建设，在提升整体创新水平的同时要不断进行光伏产业技术的升级改造，延缓技术饱和期的到来，或在为光伏产业增添创新活力的同时催生出新的产业形态和发展模式。

（2）纵向优化关键技术，横向挖掘市场需求。我国光伏领域核心技术已经由最开始的基本器件制造和相关技术转向了以市场需求为导向的应用型技术领域，在蓝海市场逐渐变为红海市场之时，领域内企业应从自身研发资源、资本投入、技术发展水平和风险偏好程度出发，将研发重点放在光能与电能转换效率等关键技术的效能提升和优化升级上，向降低生产及技术成本、提升投入产出效率的方向进行技术创新。此外，还要进一步挖掘市场需求，延伸光伏产业价值链、增加附加值，以促进产业结构化升级，在夯实核心技术研发基础的同时满足市场多样化需要，使光伏技术在更多应用领域发挥效用，推动我国光伏产业继续向前繁荣发展。