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阳光从这里照耀

2012-11-30 13:41:01 来源:

以前,人们从未像今天这样更加渴望太阳,从未想到过要像今天这样来充分利用太阳能。当地球上的矿物能源,煤炭、天然气和石油在一点一点地被人们挖掘使用,同时这些燃烧的能源又排放出了大量的废气造成了环境破坏和污染,而最重要的是这些资源又非常有限,终究有一天将被耗尽,这时,人们再一次把目光聚焦到这大自然最宝贵的、天然的、绿色清洁能源上来-太阳能。其中,太阳能电池是最重要的能量转换器件,它是利用半导体中的光伏效应(photo voltaic effect)把光能直接转变成电能的器件。

最初的光伏研究工作是在1839年,法国物理学家Alexander-Edmond Becquerel发现了光伏特效应,后来也叫Becquerel effect。A.E.Becquerel用一束光照射到一种含有AgCl的酸性电解液中的(导电液体,conductive liquid)铂(Pt)电极上的时候,它观察到了电压和电流的变化。那时,A.E.Becquerel是在他父亲著名的物理学家Antoine-Cesar Becquerel的实验室里工作,当时他年仅19岁;而后来,他的儿子Antoine Henry Becquerel更是一著名的物理学家,由于发现了放射性而获得了1903年的诺贝尔物理奖。真是老子英雄而好汉,又是近水楼台先得月!

按照大英百科全书的记载,真正的太阳能电池是在1883年由美国科学家Charles Fritts制造的,即在半导体硒(Se)薄膜表面上蒸镀了一层极薄的金薄膜,从而形成了一个金属-半导体结。而在1941年的时候,贝尔实验室(Bell labs)的Russell Ohl发明了硅上的太阳能电池,当时,太阳能的转换效率都小于1%,今天则远远超过这个量级了。

而真正带来了太阳能光伏产业革命的是在1952年,由美国贝尔实验室三个科学,即Daryl Chapin, Calvin Fuller, Gerald Pearson开始的。当初,他们可能从未想到过他们的发明会带来今天这样太阳能电池的光伏工业革命,因为在1952年的时候甚至根本没有光伏工业这个词。

三个科学家当时只是试图去解决贝尔电报载波系统(telepone carrier system)中的一些技术难题,主要是能源供给问题。传统的干电池,在温和的环境下工作还工作得很好,但是一到热带环境下,其性能急剧退化,甚至停止工作。公司因此请他们的著名研究队伍-贝尔实验室,去开发探索其它的独立工作的电源。Daryl Chapin被任命负责。那时,他的工作主要是测试风机、热电发电机组、和蒸汽机等。作为一个太阳能的关注者和热心者,他建议他的研究应该包括太阳能电池,他的导师同意了他的想法。

于是在1952年的2月,Chapin开始了他的研究工作,起初是研究硒(Se),但不成功。硒电池在当时来说是市场上唯一能够得到的产品,但产生的功率很小,每平方米只有5瓦,其把入射的太阳光转换成电的效率小于0.5%。Chapin的难题很快引起了贝尔实验室另一为研究人员的注意,他就是Gerald Pearson。这两位科学家多年来一直就是好朋友。他们在同一所大学学习,Pearson曾经甚至还到过Chapin的郁金香庄园一起度过美好时光。

1953年的3月,当时,Pearson同Calvin Fuller正在从事较为先进的半导体(pioneering semiconductor)研究工作。他们在把硅固体电子器件从实验室的研究阶段推向市场。Fuller是一个化学家,当时就已经发现了如何通过引入杂质就可以把硅从一个不良导体转变成性能及佳的电导体。Fuller向Pearson提供了一块含有极少浓度镓(Ga)的硅片,这样的硅就变成了带有正电特性(即空穴导电的类型)。按照Fuller的建议,Pearson接着又把这块富镓的硅片浸入热的锂(Li)溶液中,这样锂浸润过的区域就产生了含有一定束缚电子的区域,即变成了负电性(其实是形成了pn结)。

实验于是开始了。Pearson将一盏灯的灯光照射到锂-镓的硅片上。然后将安培计(电流计)连接到硅片上进行测试,结果测试到显著的电流。令他吃惊的是,Person在当时已经制备出了性能超过其它任何能够得到的太阳能电池的电池了。

在本世纪的五十年代,飞天技术的发展让人们认识到太阳能的重要性。在深空中的飞行器,受到载荷的限制,所携带的能源有限,所以只能依靠太阳能电池来作为能量转换的重要器件,即利用半导体中的光伏效应(photo voltaic effect)把光能直接转变成电能的器件。但是由于当时地球上的矿物能源,煤炭、天然气和石油在广泛被使用,再限于当时的转换技术和水平,以至于人们很少想到会大力开发太阳能在地球上使用。因此,当时对太阳能电池的研究还很有限。但是近些年,当地球上的能源面临着一天天的耗尽和枯竭,并排放出了大量的废气,造成了环境污染和破坏,人们又把目光聚焦在太阳能发电上来。太阳能是大自然最宝贵的、天然的、绿色清洁能源。回顾一下五十年代初的一些实验,或许会给我们今天带来一些启发。

在五十年代初,当美国贝尔实验室的Pearson等人开始着手实验时,有两种选择,一个是硒(Se)基电池,另一就是硅(Si)基电池。但当Pearson成功地在硅片上进行了光电转化的实验后,Pearson感觉硅(Si)基电池似乎更好,因此,Pearson立即到Chapin的办公室向他汇报,建议把实验重点放在硅上,而不是在硒上。在今天看来,这是一个有先见之明的建议!Chapin也不是说啥就信啥的。于是Chapin亲自到实验室,一起重复实验,把硅基太阳能电池放到强烈的日光下照射,结果令他们吃惊地是,硅上的太阳能转换效率竟然是硒上的5倍还多。随后Chapin进行了理论计算,结果更是令人振奋,理论上,理想的硅光电池的转换效率要达到23%!但是,只有制造出转换效率达到6%的指标才能满足Chapin对电源的需要。随后他把精力全部都放到硅光电池上了。

尽管他把所有的精力都放在硅上了,但是无论他怎样努力,Chapin都无法继续提高Pearson所取得的结果。Chapin无奈在报告中说“最大的难题是似乎很难在硅上做好电接触。(The biggest problem appears to be making electrical contact to the silicon.)”这就是今天人们熟知的金属-半导体的欧姆接触问题。由于不能把引线直接连到硅上,这就迫使Chapin在硅上蒸镀负电性(n-型)和正电性(p-型)材料,以便把硅光电池中的电流引出来。不幸地是,没有什么金属层能够很好地粘附在上面,因此,他似乎遇到了一个不可能完成的任务!同时,Chapin还要面对锂(Li)浴后锂(Li)在硅中不稳定性的问题(当时Pearson把富镓的硅片浸入到热的锂(Li)溶液中,使之带负电)。因为,在硅光电池中的锂在室温下就会发生迁移(应该是离子迁移),这就导致光电池中的靠近表面的pn结位置会发生移动,这就使得光不能有效地穿透结区到达电活性高的区域,从而产生不了更多的光电子。

在无奈之际,Chapin做出了一个令人振奋的猜想,这使他改变了研究方向。他正确地构设出“似乎应该把pn结制作到非常靠近表面的区域,这才可能会使得所有的入射光子都能够有效。”(由此可知,上面提到锂离子的迁移是向硅光电池内进行的)。Chapin于是又找到Calvin Fuller来帮助制造光电池,同时建议要把pn结永久地固定下来,并且要非常靠近表面。

这世间真是无巧不成书!Fuller恰巧在两年前在制造晶体管的时候就做了这件工作。Fuller于是又重复了以前的工作以满足Chapin的要求。在这次的实验中,Fuller没有像以往那样掺杂锂,而是在P型硅上蒸镀了极少量的磷。这样的调整之后,再进行实验,结果是竟然把以前测试到的记录翻了倍。但是至始至终,都得不到好的电接触,从而达不到太阳能6%的转换效率目标,这使得Chapin愁眉不展。

而就在Chapin一筹莫展、百思不得其解的时候,又一件雪上加霜的事情发生了。

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