太阳能电池的发明

伟大的苏格兰科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 于 1874 年写信给一位同事：“我看到了硒的导电性受光影响的情况。这是最突然的。铜加热器的影响不明显。太阳的影响很大。”

麦克斯韦是众多对硒的行为感兴趣的欧洲科学家之一，这种行为首次引起科学界的关注是在威洛比·史密斯于 1873 年发表在《电报工程师学会杂志》上的一篇文章中。史密斯是古塔胶公司的首席电工（电气工程师），他在 19 世纪 60 年代末期使用硒棒制作了一种用于在跨大西洋电缆沉入水中之前检测其缺陷的装置。虽然硒棒在夜间工作良好，但当太阳出来时，它们的表现就很糟糕。史密斯怀疑硒的特殊性能与照射在其上的光量有关，于是将硒棒放在一个带滑动盖的盒子里。当盒子关闭并隔绝光线时，硒棒的电阻（即它们阻碍电流通过的程度）达到最高并保持不变。但是当盒子的盖子被取下时，它们的导电性（即电流的增强）立即“根据光的强度而增加”。

发现固体材料中的光伏效应

为了确定是太阳的热量还是光线影响了硒，史密斯进行了一系列实验。其中一项实验是，他将一块硒棒放在一个浅水槽中。水阻挡了太阳的热量，但阻挡不了光线到达硒。当他盖上水槽并揭开水槽时，得到的结果与之前观察到的结果相似，这让他得出结论：“[硒棒的]阻力会根据光的强度而改变。”

在史密斯报告之后，研究光对硒的影响的研究人员中，有两位英国科学家，威廉·格里尔斯·亚当斯教授和他的学生理查德·埃文斯·戴。19 世纪 70 年代末，他们对硒进行了许多实验，其中一次实验中，他们在距离史密斯使用的硒棒一英寸的地方点燃了一根蜡烛。测量装置上的指针立即作出反应。将硒与光隔离后，指针瞬间降至零。这些快速反应排除了蜡烛火焰的热量产生电流（一种称为热电的现象）的可能性，因为在热电实验中，当施加或撤回热量时，指针总是缓慢上升或下降。“因此，”研究人员总结道，“很明显，仅靠光的作用就可以在硒中产生电流。”5 他们确信自己发现了一个全新的现象：光会导致固体材料中“产生电流”。亚当斯和戴将光产生的电流称为“光电”。

第一个模块

几年后，纽约的查尔斯·弗里茨 (Charles Fritts) 制造出世界上第一个光电模块，推动了这项技术的发展。他在金属板上铺了一层又宽又薄的硒，并用一层薄薄的半透明金箔膜覆盖。弗里茨报告说，这个硒模块产生的电流“连续、恒定，而且强度很大[,]……不仅在阳光下，而且在微弱的散射日光下，甚至在灯光下。”至于他的发明的实用性，弗里茨乐观地预测，“我们可能很快就会看到光电板与 [燃煤发电厂] 竞争”，这是第一座化石燃料发电厂，由托马斯·爱迪生在弗里茨宣布他的意图的三年前建成。

弗里茨将他的一块太阳能电池板寄给了维尔纳·冯·西门子，后者的名声可与爱迪生相媲美。这些太阳能电池板在光照下产生的电能给西门子留下了深刻的印象，这位著名的德国科学家将弗里茨的太阳能电池板赠送给了普鲁士皇家科学院。西门子向科学界宣称，这个美国人的模块“首次向我们展示了将光能直接转化为电能的成果”。

太阳的幸福景象，不再无偿地向太空倾泻而下。

西门子认为光电学“在科学上具有最为深远的意义”。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦也同意这一观点。他称赞光电学研究是“对科学的一项非常有价值的贡献”。但麦克斯韦和西门子都不知道这一现象是如何发生的。麦克斯韦想知道：“辐射是直接原因，还是它通过产生化学状态的某种变化而起作用？”西门子甚至不敢做出解释，但敦促“进行彻底调查，以确定硒的电动光作用取决于什么。”

很少有科学家听从西门子的号召。这一发现似乎与当时科学界的所有观点相悖。亚当斯和戴使用的硒棒以及弗里茨的“魔法”板并不像所有其他已知的发电设备（包括太阳能发动机）那样依靠热量来产生能量。因此，大多数人认为它们不属于进一步的科学研究范围。

然而，一位勇敢的科学家，印度皇家工程学院应用数学教授乔治·M·明钦 (George M. Minchin) 却抱怨说，拒绝光电学是科学上的不合理行为，这种行为源于当代科学的“非常有限的经验”和“‘就我们所知’的观点，简直就是疯了。”事实上，在 19 世纪为数不多的实验主义者中，明钦最接近解释当光照射到硒太阳能电池时会发生什么。也许，明钦写道，它“只是充当了从太阳接收的能量的转换器，而它自己的材料，作为该过程中使用的工具，可能几乎完全没有经过修改。”

在明钦时代，科学界在研究了用玻璃覆盖、表面为黑色的装置（太阳热的理想吸收器）测量太阳热能的结果后，也否定了光电作为能源的潜力。“但显然，认为太阳光束的所有能量形式都被黑色表面吸收并转化为热量的假设可能是错误的，”明钦辩称。事实上，他认为“可能存在一些形式的 [太阳能] 能量，它们不会注意到黑色表面，也许测量它们的合适接收表面还有待发现。”明钦直觉地认为，只有当科学能够量化“每种 [其] 单独颜色 [即不同波长] 的光强度时，科学家才能判断光电的潜力。”

爱因斯坦的伟大发现

阿尔伯特·爱因斯坦与明钦一样怀疑当时的科学无法解释太阳发出的所有能量。在 1905 年发表的一篇大胆论文中，爱因斯坦指出光具有早期科学家尚未认识到的属性。他发现，光包含能量包，他称之为光量子（现称为光子）。他认为，正如明钦所怀疑的那样，光量子携带的能量大小会根据光的波长而变化——波长越短，能量越大。例如，最短波长的光子能量大约是最长波长光子的四倍。

爱因斯坦对光的大胆而新颖的描述，加上电子的发现以及随后对其行为的大量研究——所有这些都发生在十九世纪初——为光电学提供了一个此前缺乏的科学框架，现在可以用科学可以理解的术语来解释这一现象。在像硒这样的材料中，更强大的光子携带的能量足以将连接不良的电子从原子轨道上撞下来。当导线连接到硒棒上时，释放的电子会以电的形式流过导线。十九世纪的实验者将这一过程称为光电效应，但到了二十世纪二十年代，科学家将这一现象称为光伏效应。

这种新的合法性刺激了对光伏技术的进一步研究，并重新唤起了人们的梦想：世界工业可以在无燃料、无污染的情况下，利用取之不尽的太阳光来提供动力。德国科学家布鲁诺·朗格博士在 1931 年发明的太阳能电池板与弗里茨的设计相似，他预测，“在不远的将来，大型工厂将使用数千块这样的电池板将阳光转化为电能……在工厂运转和家庭照明方面，可以与水力和蒸汽发电机相媲美。”但朗格的太阳能电池并不比弗里茨的电池好，只能将远不到 1% 的入射阳光转化为电能——这几乎不足以证明其作为电源的合理性。

光电领域的先驱们未能实现他们所希望达到的目标，但他们的努力并非徒劳。明钦的一位同时代人称赞他们“拥有望远镜般的想象力，看到了太阳的美好景象，不再无偿地向太空倾泻能量，而是通过光电管……[其]能量被聚集到电仓库中，彻底取代了蒸汽机，彻底抑制了烟雾。”托马斯·本森 (Thomas Benson) 在其 1919 年出版的关于太阳能电池的书中称赞这些先驱们利用硒作为“必然的太阳能发电机”的先驱。玛丽亚·特尔克斯 (Maria Telkes) 也对硒遗产感到鼓舞，她写道：“就我个人而言，我相信，如果大量的进一步研究和开发工作能够成功改善光伏电池的特性，那么光伏电池将成为最有效的太阳能转换器。”

但由于没有取得突破，威斯汀豪斯光电部门负责人只能得出这样的结论：“除非效率至少提高 50 倍，否则光伏电池不会引起实际工程师的兴趣。” 《光电及其应用》的作者同意这种悲观的预测，他们在 1949 年写道：“能否发现材料上更高效的电池，能否重新开启利用太阳能用于有用目的的可能性，还得留待未来去判断。”

第一个实用的太阳能电池

1954 年 4 月 25 日，贝尔高管向媒体展示了贝尔太阳能电池。

仅仅五年之后，硅革命的开始催生了世界上第一个实用的太阳能电池，并预示着太阳能时代的到来。它的诞生与硅晶体管的诞生同时发生，而硅晶体管是当今所有电子设备的主要元件。著名贝尔实验室的两位科学家卡尔文·富勒和杰拉尔德·皮尔逊领导了一项开创性的工作，将硅晶体管从理论变成了可工作的器件。皮尔逊被一位钦佩的同事称为“实验主义者中的实验主义者”。化学家富勒学会了如何控制杂质的引入，从而将硅从劣质的电导体转变为卓越的电导体。作为研究计划的一部分，富勒给了皮尔逊一块含有少量镓的硅。镓的引入使硅带正电。根据富勒的公式，当皮尔逊将棒浸入热锂浴中时，浸入锂中的硅部分带负电。在正极和负极硅接触的地方，会产生一个永久电场。这就是 PN 结，晶体管和太阳能电池的核心，所有电子活动都发生在这里。以这种方式制备的硅只需要一定量的外部能量即可激活，在皮尔逊的一次实验中，灯光提供了这种能量。这位科学家用电线将特制的硅连接到一个电流表上，令皮尔逊惊讶的是，电流表记录到了相当大的电流。

当富勒和皮尔逊致力于改进晶体管时，另一位贝尔科学家达里尔·查宾 (Daryl Chapin) 开始研究如何在偏远潮湿地区提供少量间歇性电力。在任何其他气候条件下，传统的干电池都可以使用，但查宾解释说，“在热带地区，由于湿度引起的退化，干电池的寿命可能太短，而且在最需要的时候就会用完。”贝尔实验室让查宾调查使用替代独立电源的可行性，包括风力机、热电发电机和小型蒸汽机。查宾建议调查包括太阳能电池，他的上司也同意了。

1953 年 2 月下旬，查平开始了他的光伏研究。他将商用硒电池放在阳光下，记录到电池每平方米产生 4.9 瓦的电能。它的效率（即它能将阳光转化为电能的百分比）略低于 0.5%。查平的太阳能研究和惨淡结果传到了皮尔逊的耳中。他告诉查平，“别再浪费时间在硒上了”，并把他制作的硅太阳能电池给了他。查平在强烈的阳光下进行的测试证明了皮尔逊是对的。硅太阳能电池的效率为 2.3%，大约是硒电池的五倍。查平立即放弃了硒研究，专心致力于改进硅太阳能电池。

他对其潜力的理论计算令人鼓舞。查平认为，理想的装置可以利用 23% 的太阳能发电。然而，他设定的目标是实现近 6% 的效率，当时的工程师认为，如果要将光伏电池认真视为电源，就必须达到这个门槛。

查平负责大部分工程设计，他必须尝试新材料、测试不同配置，并且面对似乎无法奏效的绝望时刻。在几个关键时刻，似乎无法克服的障碍出现了。一项重大突破直接来自对爱因斯坦光量子（光子）工作原理的了解。查平意识到：“似乎有必要让我们的 pn [结] 非常靠近表面”，这样属于较短波长光的更强大的光子才能有效地将电子移动到可以作为电能收集的地方。要制造这样的电池，需要与富勒合作。查平还观察到硅的闪亮表面反射了大量可以吸收和利用的阳光，因此他在其表面涂上一层暗淡的透明塑料。在电池顶部添加硼，允许硅条上形成良好的电接触，同时保持 pn 结靠近表面，从而实现更好的光子收集。查平最终取得了胜利，实现了 6% 的目标。他现在可以自信地称自己制造的电池为“动力光电池……旨在成为主要电源。”在确信细胞的可重复性和足够的效率后，三人构建了多个阵列并在新闻发布会和美国国家科学院年会上进行了展示。

1954 年 4 月 25 日，贝尔公司高管自豪地向媒体展示了贝尔太阳能电池，展示了一块仅靠光能就能驱动 21 英寸摩天轮的电池板。第二天，贝尔公司的科学家们运行了一个太阳能无线电发射器，向齐聚华盛顿特区开会的美国顶尖科学家播放声音和音乐。媒体注意到了这一点。《美国新闻与世界报道》在一篇题为“燃料无限”的文章中兴奋地推测：“硅片可能比世界上所有的煤、石油和铀提供更多的能量……工程师们梦想着硅片发电厂。”《纽约时报》对此表示赞同，并在头版指出，查宾、富勒和皮尔逊的工作，产生了第一个能够产生有用电量的太阳能电池，“可能标志着一个新时代的开始，最终实现人类最珍贵的梦想之一——利用几乎无限的太阳能为文明服务。”

摘自《让它闪耀》一书。版权所有 © 2013 约翰·珀林。经新世界图书馆许可转载。