中国光伏20年:江湖风云录(二)

2020年12月28日 13:3 5305次浏览 来源:   分类: 光伏   作者:

    2.重大突破
1940年,著名的美国贝尔实验室在光伏研究领域登上了历史舞台。一位名叫奥尔的半导体研究员在研究硅样品时,发现其中一个样品中间有道裂痕,他注意到那个“特别的样品”暴露在阳光下时电流会通过,他认为裂痕可能是制样时形成的,实际是含有不同程度杂质的分界线。因此判定,裂痕的一侧呈阳性掺杂、另一侧阴性掺杂,他在不经意间做了一个p-n结,是太阳能电池的基本原则,过量的正电荷聚集在其一侧,而过量的负电荷则聚集在另一侧,造成了电场。当太阳能电池接到电路上时,入射到电池的光子就会“踢”电子一下,启动电流。奥尔将他的太阳能电池申请了专利,大约有1%的效率。
1948~1950年,贝尔实验室利用这种方法提纯了锗,使其可以用于半导体工业,继而生长出多晶硅。1951年,贝尔实验室开发出光电转换率只有2%的太阳能电池。虽然效率低、造价高,但科研成果也令世界震惊。
1952年,贝尔实验室的约翰·夏夫称,当小范围使用时,太阳能硅电池的p-n结会在晶体表面聚集,它没有被当做发电设备,而是传感器。
1953年,实验室的工程师乔宾为给远程通信系统供电,解决偏远潮湿地区电话系统的干电池电力消失过快问题,决意发展新能源。(之前的电源是燃气热电堆)研究测试了几种替代能源后,选择太阳能为最有希望的能源之一,但当时硒太阳能电池的转换率过低,他必须另选道路。同时,化学家福勒和物理学家皮尔森正在研究在功率整流器上的大面积p-n结结构。福勒发现,在适宜温度(如500℃)下,锂扩散进入硅并形成大面积的结,皮尔森将扩散后的晶片的两面进行连接后发现这一结构对光线极其敏感。然而,即使在室温下,这一结构也能随着锂快速扩散进入硅而适时改变其电气性能。福勒随后开始了最早对于硼扩散进入N型硅芯片的研究,其需要更高的温度(约1000℃),产生的p-n结在室温下也是稳定的。皮尔森之后将电流计接到此硅片,对它照射阳光,电流计明显跳升。皮尔森将这个喜讯告诉乔宾,让他不要再把时间浪费在硒太阳能电池上,乔宾立即转而采用硅。这3位科学家用几个月的时间改进了硅太阳能电池。他们碰到的共同问题是,要制造出能与硅电池接头良好导电之电极很难;且在常温下,锂会随着时间在硅中移动,让p-n结距离进来的阳光更远。为了解决此问题,他们试着使用不同的杂质,最后选用砷和硼,可以造出停留在表面附近的p-n结,他们还发现电极可以与硼-砷硅电池有好的导电接触。所以在设计上进行改进后,便将几个太阳能电池连结在一起,创造出人们现在所称的“太阳能电池”。
1954年,3人在《应用物理学期刊》上发表了重要文章,宣布贝尔实验室制成了世界上第一块单晶硅太阳能电池,效率高达6%。在进行演示时,他们示范了太阳能电池板,用它来转动一座小的玩具摩天轮和一个以太阳能发电的无线电发报机。《纽约时报》评论说,硅太阳能电池可能标记着新时代的开始,最终会实现人类最渴望的梦想之一,即利用几乎无限量的太阳能于人类的文明上。随后几年,电池的转换率在研发中持续提升,从8%逐步提升至11%,贝尔实验室的母公司西部电工开始进行商业化许可转让,在亚利桑那大学召开国际太阳能会议。但是,最初的硅太阳能电池制造费用昂贵,早期将它商业化并不是很成功,但在几年间,太阳能电池已普遍应用于供应人造卫星,之后也应用于其他用途。乔宾很快地简化了太阳能电池的制造过程,甚至还为中学生开放了太阳能电池科学的实验。
3.商业帝国
1954年,研究员韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应,并在玻璃上沉积硫化镉薄膜,制成了第一块薄膜太阳电池,人们称之为“来自太阳的无限能量的源泉”。
美国成为太阳能光伏应用的先锋,这当中,无线电和电视业务起家的霍夫曼电子作为光伏商业化的代表,在西电公司商业化许可转让光伏电池后开始了将每瓦近2000美元的光伏电池商业化历程——每片功率只有14毫瓦、单价为25美元、转换率为2%。也就是说,以光伏发电成本计算,为100瓦的白炽灯供电,费用相当于建造中型城市的两居室。显然,这在任何时候都不是一件划算的事情。
霍夫曼随即将目光投向了军事领域。
时值冷战时期,苏美在军事、科技领域持续开展竞争,这当中,空间领域是兵家必争之地。因为人造卫星需要持久的电源供给,当时一般的蓄电池和后来的锂电池无法满足,而光伏可以有效解决能源永久性供应的问题,因此研发出的电池起初主要用于空间领域。
1957年,全球第一颗卫星于苏联升空,这一壮举极大地刺激了美国人的神经,加紧了对于人造卫星的研究。此时,霍夫曼电子已经将光伏电池的效率提升到了8%。其对行业发展的最大贡献之一,就是将光伏作为人造卫星升天后的电源进行使用,并为1958年发射上天的先锋1号人造卫星提供了光伏电池。这是光伏电池第一次作为能源的主要供应方式。
随后,霍夫曼又拓展了太阳能光伏应用的范畴。1959年,光伏电池效率已经达到了10%,经过改进,霍夫曼电子推出了新的系统模型,使大量的电池矩阵减少串联电阻的使用,美国探索者6号人造卫星就使用了高达9600块霍夫曼光伏电池组成的光伏组件阵列,每个电池只有2平方厘米。不仅如此,其消费分支也开始尝试将其导入消费品,如收音机电源。1959年,霍夫曼开发出集合了晶体管、光伏在内的新型收音机KP706,这使其既可以依赖电池,也可以利用太阳能电池阵列。
1960年,霍夫曼又将电池转换效率提高到了14%3年提升3倍的效率,进步和贡献巨大,也这使得光伏电池造价从每瓦高达近2000美元急剧削减到几百美元,使得遥不可及的太阳能光伏电池具备了初步市场化应用的可能性。

责任编辑:张雪卉

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