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硅异质结太阳能电池

阅读:842发布:2020-05-13

IPRDB可以提供硅异质结太阳能电池专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本发明涉及一种硅异质结太阳能电池,其相继地包括:掺杂的晶体硅衬底(1);钝化层(2a);与衬底(1)的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层(2b);以及透明导电材料层(3);所述电池的特征在于,在衬底(1)与钝化层(2a)之间,所述电池包括具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层(5),在该层中,衬底(1)少数载流子的迁移率(μm)大于所述少数载流子在衬底(1)中的迁移率。本发明还涉及制造这种太阳能电池的工艺。,下面是硅异质结太阳能电池专利的具体信息内容。

1.一种硅异质结太阳能电池,其相继地包括:

-掺杂的晶体硅衬底(1),

-钝化层(2a),

-与衬底(1)的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层(2b),

-透明导电材料层(3),

所述电池的特征在于,在衬底(1)与钝化层(2a)之间,所述电池包括具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层(5),衬底(1)少数载流子在该具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)中的迁移率(μm)大于所述衬底(1)少数载流子在衬底(1)中的迁移率。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池,其特征在于,所述具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)与衬底(1)接触。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池,其特征在于,将具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)的厚度选择为薄于临界厚度,当所述晶体材料在晶体硅衬底(1)上进行外延生长时,在达到临界厚度时以及超过临界厚度后,在所述具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)中会出现晶体缺陷。

4.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池,其特征在于,具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)的厚度在3nm到25nm之间。

5.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池,其特征在于,衬底(1)是n型掺杂的,于是少数载流子为空穴。

6.根据权利要求5所述的太阳能电池,其特征在于,具有高少数载流子迁移率的晶体材料是锗或者Si1–xGex式的硅和锗的合金,其中0

7.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池,其特征在于,衬底(1)是p型掺杂的,于是少数载流子为电子。

8.根据权利要求7所述的太阳能电池,其特征在于,具有高少数载流子迁移率的晶体材料是GaAs或InGaAs合金。

9.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池,其特征在于,在具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)与钝化层(2a)之间,所述太阳能电池进一步包括本征晶体硅层(6)。

10.根据权利要求9中所述的太阳能电池,其特征在于,本征晶体硅层(6)的厚度在1nm到5nm之间。

11.根据权利要求1或2中的任一项所述的太阳能电池,其特征在于,钝化层(2a)是本征非晶硅层或与衬底(1)的掺杂类型相反的微掺杂的非晶硅层,所述微掺杂的非晶硅层具有在1E15/cm3到1E17/cm3之间的有效掺杂物的浓度。

12.一种用于制造硅异质结太阳能电池的工艺,其包括在掺杂的晶体硅衬底(1)上形成下列相继的层:-钝化层(2a),

-与衬底(1)的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层(2b),

-透明导电材料层(3),

所述工艺的特征在于,在形成钝化层(2a)、与衬底(1)的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层(2b)和透明导电材料层(3)之前,所述工艺包括在衬底(1)上外延生长具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层(5),衬底(1)少数载流子在该具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)中的迁移率(μm)大于所述衬底(1)少数载流子在衬底(1)中的迁移率。

13.根据权利要求12所述的工艺,其特征在于,将具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)的厚度选择为薄于临界厚度,在达到临界厚度时以及超过临界厚度后,在所述具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)中会出现晶体缺陷。

14.根据权利要求12或13中的任一项所述的工艺,其特征在于,具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)的厚度在3nm到25nm之间。

15.根据权利要求12或13中的任一项所述的工艺,其特征在于,衬底(1)是n型掺杂的,于是少数载流子为空穴。

16.根据权利要求15所述的工艺,其特征在于,具有高少数载流子迁移率的晶体材料是锗或者Si1–xGex式的硅和锗的合金,其中0

17.根据权利要求12或13中的任一项所述的工艺,其特征在于,衬底(1)是p型掺杂的,于是少数载流子为电子。

18.根据权利要求17所述的工艺,其特征在于,具有高少数载流子迁移率的晶体材料是GaAs或InGaAs合金。

19.根据权利要求12或13中的任一项所述的工艺,其特征在于,所述工艺包括在所述具有高少数载流子迁移率的晶体材料的层(5)上外延生长本征晶体硅层(6)。

20.根据权利要求19所述的工艺,其特征在于,本征晶体硅层(6)的厚度在1nm到5nm之间。

说明书全文

硅异质结太阳能电池

技术领域

[0001] 本发明涉及具有硅异质结的太阳能电池以及用于制造所述电池的工艺。

背景技术

[0002] 在硅异质结(Silicon heterojunction solar cell,SHJ)太阳能电池中,光伏效应所必需的内部电场是通过沉积在n型掺杂晶体硅衬底(一般表示为c-Si(n))上的p型掺杂氢化非晶硅层(一般表示为a-Si:H(p))而形成的,这不同于常规的同质结结构,在常规的同质结结构中,内部电场是经由p型掺杂硅/n型掺杂硅的结获得的。
[0003] 相反地,还存在这样的硅异质结电池,其中晶体硅衬底是p型掺杂的而氢化非晶硅层是n型掺杂的。
[0004] 一般而言,在衬底与掺杂的非晶硅层之间插入钝化层(例如,本征氢化非晶硅(一般表示为a-Si:H(i)),以便受益于极佳的a-Si:H(i)/c-Si(n或p)界面特性,并且增加太阳能电池的开路电压(Voc)。
[0005] 在界面处的复合陷阱的低浓度可以通过在a-Si:H(i)层中不存在掺杂物杂质而得到解释。
[0006] 为了限制光子在非晶层中的寄生吸收,这些层非常薄,而透明导电材料(例如,透明导电氧化物(TCO))层形成在正面,以便将光生电荷横向收集至旨在收集产生的电流的金属电极。
[0007] 除了低电阻率外,透明导电材料层还必须具有与高产率需求相匹配的光学特性,即,首先具有在外部环境的指数与非晶硅的指数之间的光学指数n(以用于抗反射功能),以及其次具有能够实现低的光子吸收的低光学指数k。
[0008] 异质结可以位于电池的正面(即,暴露于太阳辐射的一侧)或与正面相对的背面。
[0009] 一般而言,在衬底的与包括异质结的面相对的面,电池包括钝化层和掺杂类型与衬底相同的掺杂非晶硅层的堆叠。
[0010] 图1是硅异质结太阳能电池的正面A的示意图。
[0011] 晶体硅衬底由附图标记1指示。
[0012] 在图1中为n型掺杂硅衬底,而p-n结在正面形成。
[0013] 衬底1相继地由(例如本征非晶硅层的)钝化层和p型掺杂的非晶硅层涂覆,每层各为几纳米厚。这两个非晶层的组合使用附图标记2。
[0014] 透明导电材料层3覆盖p型掺杂的非晶硅层。
[0015] 最后,金属电极4设置在正面上,与透明导电材料层相接触。
[0016] 在光子吸收的作用下,在衬底1中产生了电子e-/空穴h+对。
[0017] 在异质结所形成的电场的影响下,空穴h+向正面移动,穿过非晶硅层2,并且被透明导电材料层3收集(箭头f1,基本垂直于正面A)。然后,空穴在层3中被导向金属电极4(箭头f2,基本平行于正面A)。
[0018] 在文献中能够得知,很难实现在透明导电材料层的导电性与透明性之间的妥协[1]。
[0019] 对于最广泛使用的透明导电氧化物,即氧化铟锡(ITO),载流子浓度的调制是通过层的氧掺杂来确保的。
[0020] 在沉积ITO层时大量的氧的存在减小了氧空位的数量,有助于载流子浓度的减小。
[0021] 低载流子浓度导致更大的层的电阻率,但是也导致更好的透明性。
[0022] 相反,低氧掺杂导致极佳的层的导电性(由于高的电子浓度),但是也导致在红外区中的高吸收。
[0023] 在对沉积方法进行数年的优化之后,对在ITO层的电学/光学特性的妥协方面的改进已经达到了极限。
[0024] ITO的替换材料,尤其是氧化铟(IO)、掺钨氧化铟(IWO)或掺锌氧化铟目前正进行研究,而且看起来很有前途。
[0025] 但是,SHJ技术对于透明导电材料层的沉积条件有严格的限制:该沉积必须在低温低功率下进行,以便不损坏下面的非晶硅层。
[0026] 这些制造限制因此局限了研发路径的范围。
[0027] 本发明的一个目标为,进一步提高硅异质结太阳能电池的产率。

发明内容

[0028] 根据本发明,提出了一种硅异质结太阳能电池,该太阳能电池相继地包括:
[0029] -掺杂的晶体硅衬底,
[0030] -钝化层,
[0031] -与衬底的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层,
[0032] -透明导电材料层,
[0033] 所述电池的特征在于,在衬底与钝化层之间,所述电池包括具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层,在该层中,衬底少数载流子的迁移率(μm)大于所述少数载流子在衬底中的迁移率。
[0034] “本征硅”指的是不含任何掺杂物的硅,或至少在材料的形成期间没有故意添加掺杂物的硅。无论如何,如果硅的有效掺杂物的浓度小于1E15/cm3,则认为其是本征的。
[0035] 为此,非晶或晶体形态的本征硅的沉积是在没有受到掺杂物杂质污染的环境中进行的。
[0036] “微掺杂硅”指的是有效掺杂物的浓度在1E15/cm3到1E17/cm3之间的硅。
[0037] 掺杂的硅指的是有效掺杂物的浓度高于1E17/cm3的硅。
[0038] 具有高少数载流子迁移率的材料的所述层与衬底接触。
[0039] 在尤其有益的方式中,将具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度选择为薄于临界厚度,当所述材料在晶体硅衬底上外延生长时,在达到临界厚度时以及超过临界厚度后,在所述层中会出现晶体缺陷。
[0040] 具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度优选在3nm到25nm之间。
[0041] 根据本发明的一个实施方案,衬底是n型掺杂的,于是少数载流子为空穴。
[0042] 根据一个优选的实施方案,具有高空穴迁移率的材料是Si1–xGex式的硅和锗的合金,其中0
[0043] 根据另一个实施方案,衬底是p型掺杂的,于是少数载流子为电子。
[0044] 在该情况下,有益地,具有高电子迁移率的材料是GaAs或InGaAs合金。
[0045] 根据本发明的一个尤其有益的实施方案,在具有高少数载流子迁移率的材料的层与钝化层之间,所述电池进一步包括本征晶体硅层,该本征晶体硅层的作用为,提高所述层与钝化层之间的界面的质量。
[0046] 有益地,所述本征晶体硅层的厚度在1nm到5nm之间。
[0047] 进一步的目标涉及用于制造上述太阳能电池的工艺。
[0048] 所述工艺包括在掺杂的晶体硅衬底上形成下列相继的层:
[0049] -钝化层,
[0050] -与衬底的掺杂类型相反的掺杂的非晶硅层,
[0051] -透明导电材料层,
[0052] 所述工艺的特征在于,在形成所述层之前,所述工艺包括在衬底上外延生长具有所谓“高少数载流子迁移率”的晶体材料的层,在该层中,衬底少数载流子的迁移率(μm)高于所述少数载流子在衬底中的迁移率。
[0053] 在尤其有益的方式中,将具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度选择为薄于临界厚度,在达到临界厚度时以及超过临界厚度后,在所述层中会出现晶体缺陷。
[0054] 具有高少数载流子迁移率的材料的层的厚度优选在3nm到25nm之间。
[0055] 根据本发明的一个实施方案,衬底是n型掺杂的,于是少数载流子为空穴。
[0056] 根据一个优选的实施方案,具有高空穴迁移率的材料是Si1–xGex式的硅和锗的合金,其中0
[0057] 根据另一个实施方案,衬底是p型掺杂的,于是少数载流子为电子。
[0058] 在该情况下,有益地,具有高电子迁移率的材料是GaAs或InGaAs合金。
[0059] 根据一个尤其有益的实施方案,该工艺进一步包括在具有高少数载流子迁移率的材料的所述层上外延生长本征晶体硅层。
[0060] 有益地,所述本征晶体硅层的厚度在1nm到5nm之间。

附图说明

[0061] 通过下面参考所附附图给出的详细描述,本发明的其他特征和益处将更加清楚,在附图中:
[0062] -图1是常规硅异质结太阳能电池的正面的示意图;
[0063] -图2示出了常规硅异质结太阳能电池的正面的能带图;
[0064] -图3是根据本发明的硅异质结太阳能电池的正面的截面视图;
[0065] -图4显示了根据硅-锗合金中锗的比例的合金层临界厚度的变化;
[0066] -图5是根据本发明的硅异质结太阳能电池的正面的示意图。
[0067] 应当了解,为了显示的清楚性,不同的层的厚度不是按比例绘制的。

具体实施方式

[0068] 本发明提出,在电池包括异质结的一侧,在具有一种掺杂类型的晶体硅衬底与钝化层之间插入附加层,从而在称为反型层的层中提高电导率,该反型层位于钝化层与晶体硅衬底之间的界面处。
[0069] 附加层的存在旨在提供与在透明导电材料层中观察到的路径平行的导电路径,这有益地允许使用相比于通常使用的透明导电材料而言导电性降低但是因此具有更好的光学特性的透明导电材料。
[0070] 例如,可以调制透明导电材料层的厚度和/或所述材料的本征电导率,使得所述材料在光学上得到改善并且因此导电性降低。
[0071] 一般而言,透明导电材料可以是具有低的用于沉积的热预算和合适的功函数的铟的透明导电氧化物(例如,ITO、IO、IWO等)。
[0072] 在铟的透明导电氧化物中,进行氧掺杂足以获得对导电性/透明性妥协的有效的调制。
[0073] 图2示出了常规硅异质结太阳能电池的正面的能带图,该硅异质结太阳能电池具有n型掺杂的晶体硅衬底(c-Si(n))、本征非晶硅的钝化层(a-Si:H(i))以及p型掺杂的非晶硅层(a-Si:H(p))。
[0074] 虚线表示费米能级Ef。
[0075] 如图所示,在a-Si:H(i)层与衬底c-Si(n)之间的界面处确实存在反型层[2,3]。
[0076] 该反型层由标记为INV的画圈区域指示。
[0077] 由于a-Si:H(p)层所导致的内部电场,在界面处,衬底的少数载流子(空穴h+)浓度大于多数载流子浓度(电子e-)。
[0078] 尽管在异质结电池中已经观察到了该反型层,但是直达现在,其还没有显示出可以作为能够提高产率的手段。
[0079] 然而,申请人提出,将反型层的电导率提高,从而提供除了常规上已知的通过透明导电材料(TCO)的层的并且在图1中示出的路径以外的另一个用于收集电荷载流子的路径。
[0080] 这能够规避目前所遇到的对于透明导电材料层的电学/光学上的妥协,从而提供提高SHJ电池的产率的可能性。
[0081] 图3是根据本发明的硅异质结太阳能电池的正面的截面视图。
[0082] 在此处描述的示例中,衬底是n型掺杂的,而非晶硅是p型掺杂的。
[0083] 在这种情况下,衬底的少数载流子是空穴。
[0084] 然而,本发明也适用于衬底是p型掺杂的而非晶硅是n型掺杂的电池。
[0085] 在这种情况下,衬底的少数载流子是电子。
[0086] 而且,在此处所描述的示例涉及这样的电池,其中,硅衬底与非晶硅之间的结形成在正面。
[0087] 然而,本发明也适用于所谓的“倒装发射器(à émetteur inversé)”电池,其中硅衬底与非晶硅之间的结形成在背面。
[0088] 如图3所示,该电池(如同常规电池一样)在其正面包括:
[0089] -衬底1,其为n型掺杂硅的,
[0090] -钝化层2a;根据一个实施方案,所述层是本征(或p型微掺杂的)非晶硅层,[0091] -层2b,其为p型掺杂非晶硅的,层2a和层2b的堆叠具有附图标记2,[0092] -层3,其为透明导电材料的。
[0093] 另外,该硅异质结太阳能电池还可以在衬底的相对侧上包括其他层:钝化层;与衬底的进行相同掺杂(因此在该情况下即为n型)的掺杂非晶硅层;以及透明导电材料层。
[0094] 在该电池中,还在衬底1与钝化层2a之间插入了附加层。
[0095] 该附加层是晶体材料层5,其具有所谓的“高空穴迁移率”,且旨在提高反型层的导电性。
[0096] 载流子迁移率(空穴或电子)一般表示为μm。
[0097] 此处,“高空穴迁移率”指的是,空穴迁移率严格高于在硅衬底中的空穴(其在n型衬底中为少数载流子)迁移率(其大约为450cm2/Vs)。
[0098] 在比硅具有更高空穴迁移率的材料之中,可以特别注意硅与锗的合金、锗(μm=1900cm2/Vs)、锑化镓GaSb(μm=850cm2/Vs)或锑化铟(μm=1250cm2/Vs)。
[0099] 相反,如果硅衬底是p型掺杂的,所述衬底的少数载流子是电子。
[0100] 在比硅衬底具有更高电子迁移率的材料中,可以特别注意GaAs或InGaAs合金。
[0101] 因此,更概括而言,本发明使用具有“高衬底少数载流子迁移率”的材料,其中,所述衬底少数载流子的迁移率严格高于所述载流子在衬底中的迁移率。
[0102] 然而,应当指出,外延生长在晶体硅衬底上的层的形式的这些材料中的空穴或电子的迁移率不同于它们的本征迁移率。
[0103] 与硅的晶格失配在外延层中导致机械应力,这会改变该层的导电特性。
[0104] 对于所设想的材料,本领域技术人员能够通过在晶体硅衬底上外延而制造该材料的层,也能够例如通过霍尔效应测量来测量在所述层中的空穴或电子迁移率。
[0105] 而且,由硅晶格参数导致的机械应力可能成为位错以及界面处的缺陷的来源。
[0106] 这些缺陷和位错相关于外延层的厚度。
[0107] 以本身已知的方式,术语临界厚度指的是这样的最大厚度:在该最大厚度之下,外延层没有晶体缺陷。
[0108] 图4示出了在不同的外延温度下,硅锗合金Si1–xGex的临界厚度Ec根据锗浓度x的变化。该数据来自[4]。
[0109] 例如,包含20%锗的SiGe能够进行外延生长至10nm而不出现缺陷,而对于90%的锗浓度,临界厚度下降到1nm。
[0110] 因此,对于目标厚度和锗浓度两者都必须加以考虑。
[0111] 如果衬底是n型掺杂的,则SiGe合金是用于实施本发明的优选材料,这是因为该材料外延生长已受到完全掌握(化学气相沉积-CVD)。
[0112] 另外,该层的外延生长所需的热预算对于非晶硅层没有影响,这是因为非晶硅层是在之后的阶段形成的。
[0113] 图5是根据本发明的硅异质结太阳能电池的正面的方块图(在此,衬底是n型掺杂的)。
[0114] 由于在晶体硅衬底与非晶硅层之间插入了具有高空穴迁移率的材料,所以能够在电池中形成另一个导电路径。该路径与在透明导电材料层中观察到的路径平行。
[0115] 在光子吸收的作用下,在衬底1中产生了电子e-/空穴h+对。
[0116] 在异质结形成的电场的影响下,空穴h+向正面移动。
[0117] 以常规的方式,空穴h+中的一些穿过非晶硅层2并被透明导电材料层3收集(箭头f1,基本垂直于正面A)。然后,空穴在层3中被导向金属电极4(箭头f2,基本平行于正面A)。
[0118] 然而,由于在衬底1与非晶硅层2之间的界面处存在具有高空穴迁移率的层,所以空穴h+中的一些在具有高空穴迁移率的层5(该层在非晶硅层下方)中传导(箭头f3),并且这些空穴然后垂直于金属电极4而穿过非晶硅层以及透明导电材料层(箭头f4)。
[0119] 因此,具有高空穴迁移率的材料的层具有提高太阳能电池中的反型层的电导率的效果。
[0120] 对于p型掺杂的衬底,具有高电子迁移率的材料层提供相同的效果。
[0121] 因此,在根据本发明的电池中,被透明导电材料收集的电荷份额减小,而使反型层的份额得到增加。
[0122] 这能够在不使太阳能电池的形状因数(FF)变差的情况下降低透明导电材料层的电导率,并因此提高透明导电材料层的光学特性以及电池的短路电流(Isc)。
[0123] 另外,横向电荷收集的改善使得金属电极间的空间能够增加,而电池遮蔽能够减小,从而能够预期短路电流的增大。
[0124] 考虑到高产率电池的限制(这需要维持界面质量以及电池构成材料的质量),具有高少数载流子迁移率的材料的层是通过在对晶体硅衬底进行织构和清洗之后在衬底上进行外延生长而获得的。
[0125] 另外,如以上所解释的那样,具有高少数载流子迁移率的材料的层5的厚度足够薄以防止出现位错。
[0126] 依据衬底1和所选择的用于层5的材料的掺杂水平,层5的厚度在3nm到25nm之间,优选在5nm到20nm之间。
[0127] 然后,以常规方式进行钝化层、与衬底的掺杂类型相反的掺杂非晶硅层以及透明导电材料层的堆叠。
[0128] 有益地,在形成所述堆叠之前,可以在具有高少数载流子迁移率的材料的层上沉积非常薄的本征晶体硅层6。
[0129] 所述本征晶体硅层的厚度一般在1nm到5nm之间。
[0130] 该层6的功能是维持a-Si:H(i)-c-Si界面的质量。
[0131] 以本身已知的方式,形成非晶层和透明导电材料的堆叠一般包括下列步骤:
[0132] -在包括异质结的一侧,沉积钝化层2a(其例如是本征的或与衬底的掺杂类型相反的微掺杂的a-Si:H),该层沉积在具有高少数载流子迁移率的材料的层5上,或者可选地,沉积在本征晶体硅层6上。该沉积可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来进行。层2a的厚度一般在5nm到15nm之间;
[0133] -在钝化层2a上沉积与衬底具有相反掺杂类型的a-Si:H层2b。该沉积也可以通过PECVD进行。层2b的厚度一般在2nm到10nm之间;
[0134] -在与异质结相对的一侧,沉积钝化层,钝化层例如为本征的或与衬底的掺杂类型相同的微掺杂的a-Si:H。该沉积可以使用PECVD进行。所述层的厚度一般在2nm到15nm之间;
[0135] -在所述钝化层上沉积a-Si:H层,其与衬底具有相同掺杂类型。该沉积也可以使用PECVD。所述层的厚度一般在5nm到30nm之间;
[0136] -在正面沉积透明导电材料(例如,ITO)层3。该沉积可以使用物理气相沉积(PVD)来进行。层3的厚度一般在50nm到150nm之间;
[0137] -在背面沉积透明导电材料(例如,ITO)层。该沉积可以使用PVD进行。所述层的厚度一般在50nm到150nm之间;
[0138] -通过例如丝印而将正面和背面金属化,从而形成电极。
[0139] 如上所述,本发明不限于具有n型掺杂的衬底和异质结形成在正面的太阳能电池,而是也适用于具有p型掺杂的衬底和/或具有在背面上的异质结的SHJ太阳能电池。
[0140] 参考文献
[0141] [1]ZC Holman et al.,IEEE Journal of Photovoltaics 2,p.7,2012[0142] [2]JP Kleider et al.,Nanoscale Research Letters 6,p.152,2011[0143] [3]JV.Li et al.,Journal of Applied Physics 110,114502,2011[0144] [4]Y.Bogumilowicz,Thèse de Doctorat 2005
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