阳光从这里照耀

鲍海飞 编译 2012-11-14

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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