太阳能电池早期研究的启示

鲍海飞 2012-12-4

在五十年代初，由于需要给电话系统供电，常规的干电池在稍微恶劣的环境下就不能工作，致使贝尔实验室决定寻找新的出路。于是让Daryl Chapin, Calvin Fuller, Gerald Pearson等人来解决这一问题。看了贝尔实验室在早期五十年代、六十年代的研究，或许能给我们一些启发和教益。

作为一个课题负责人，即要身先士卒，把握好方向，又要有预见性！Chapin在这一点上是做到了，而且做得很成功。Chapin是该项目的课题负责人，在实验中一直是身先士卒的，直接在第一线从事薄膜制备、掺杂实验、以及电极等工艺制造。虽然他进行的实验不成功，但是却从实验中发现了失败的原因：金属电极和半导体之间粘附性能不好，即影响导电特性；以及在掺杂锂-镓的硅电池中p-n结不稳定，而且pn结会向体内移动，这将影响光的吸收和光电转换效率。他由此提出了重要的解决问题的想法，并向Fuller求助，提出要制造稳定的、浅的pn结以增强光的吸收。Pearson的另外一个预见是，即在Pearson初步试验成功后，采纳了Pearson使用硅的建议，这保证了研究方向的正确性；随后立即计算了硅中太阳能到电能的转换效率，计算的结果是23%，与现在单晶硅的效率在18%-24%惊人的一致！其预言真的很准！这应该与他深厚的物理功底基础应该有关。

Pearson在硅上的初步试验成功，即有偶然性又有确定性！偶然性是其初步试验就获得了成功，这隐含着该方法和该材料体系的可行性；其确定性是硅的光电转换效率居然还很好，而且即使今天依然是最主要的基底材料。说它是偶然性，还因为其后无论Chapin试验怎样进行，都没有取得成功。但Pearson最大的贡献却是其初步试验即获得了成功，因此建议Chapin在硅上进行实验，而不是在Se上，由此确定了硅基太阳能电池的正确研究方向。

无疑，Fuller的工作是相当完美的并具有决定性的。他不愧为是个出色的化学家，他实现了工艺的重大突破，开发了一套非常实用的制造完美的pn结工艺。在当时，已经有几个实验室已经在制造pn结，但是一般都采用的是提拉法工艺技术，而Fuller采用的是薄膜的热沉积方法，即今天所广泛使用的方法。由此，解决了了金属电极粘附不牢的问题，以及制造出稳定的pn结，实现了较高的光电转换效率。有报道说当时的转换效率达到10%！Fuller在整个项目中起到了决定性的一锤定音的作用。

综上一段简单的历史，在历时两年的时间内，贝尔实验室的三个科研人员就完成了划时代的光电革命，让我们看到一个项目的真正研发历程。他们的成功与他们的各自专业紧密相连，又与彼此之间精诚合作和交流分不开的。最重要的是，他们地位平等，可以无拘无束地交流和沟通，由此能够碰撞出灵感的火花。作为项目组的负责人， Chapin能够身先士卒，而非纸上谈兵，在实验中起到了引领和预见性的作用；而Fuller和Pearson出色的实验则为项目的完成奠定了坚实的基础，同时成为今天广泛采纳的半导体平面沉积工艺，他们的工作无疑是具有划时代的历史意义，在人类历史上留下了光辉的一页！

相反，现在的大学和院所的科研，大部分是一个教授带领几个弟子，属于‘母鸡孵蛋式’的科研体系。在那样早的时代，在半导体工艺和器件制造等方面，贝尔实验室都做出了相当杰出的工作，他们的研究之路始终是我们的一个榜样。

附录1：阳光从这里照耀

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附录2：阳光从这里照耀。        

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附录3：太阳能电池早期研究的一段历史

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附录4：太阳能电池早期研究的一段历史(4)

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