太阳能电池的发明

苏格兰伟大的科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1874年写给一位同事：“我发现硒的导电性受光照影响。变化非常突然。铜加热器的影响微乎其微。而太阳的影响则很大。”

麦克斯韦是众多对硒的某种行为感到好奇的欧洲科学家之一，这种行为最早由威尔洛比·史密斯在1873年发表于《电报工程师学会杂志》的文章中引起科学界的注意。史密斯是古塔加胶公司（Gutta Percha Company）的首席电气工程师，他在19世纪60年代末使用硒棒来检测跨大西洋电缆在铺设前是否存在缺陷。尽管硒棒在夜间工作良好，但一旦太阳出来，它们的表现就非常糟糕。史密斯怀疑硒的奇怪性能与照射到它上面的光照强度有关，于是他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——它们阻碍电流流过的程度——达到最高并保持恒定。但当盒子盖被打开时，它们的导电性——电流流动的增强——立即“随着光照强度的增加而增加”。

在固体材料中发现光伏效应

为了确定是太阳的热量还是光照影响了硒，史密斯进行了一系列实验。其中一项实验是将一根硒棒放在浅水槽中。水隔绝了阳光的热量，但未能隔绝光线。当他盖上和打开水槽时，得到的结果与之前观察到的相似，这让他得出结论：“[硒棒的]电阻是根据光照强度而改变的。”

在史密斯报告之后，检查光照对硒影响的研究人员中，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。在19世纪70年代后期，他们对硒进行了许多实验，其中一次实验中，他们将一支蜡烛放在距离史密斯使用过的相同硒棒一英寸远的地方。他们的测量仪上的指针立即做出反应。遮挡硒棒使指针瞬间归零。这些快速的反应排除了蜡烛火焰的热量产生电流的可能性（一种称为热电的现象），因为在热电实验中，当施加或移去热量时，指针总是缓慢地上升或下降。“因此，”调查人员总结说，“很明显，仅仅通过光照就可以在硒中产生电流。”5他们相信自己发现了一些全新的东西：光导致电流在固体材料中“流动”。亚当斯和戴称光产生的电流为“光电”。

第一个组件

几年后，纽约的查尔斯·弗里茨通过制造世界上第一个光电组件，推动了这项技术的发展。他将一层宽而薄的硒涂在金属板上，然后用一层薄的、半透明的铝箔覆盖。弗里茨报告说，这个硒组件产生的电流“持续、恒定且有力……不仅在阳光照射下，而且在昏暗的漫射日光甚至灯光下也能产生。”关于这项发明的实用性，弗里茨乐观地预测，“我们很快就能看到光电板与[燃煤发电厂]竞争了”，这是第一批由托马斯·爱迪生在弗里茨宣布其意图仅三年后建造的化石燃料发电厂。

弗里茨将其中一块太阳能电池板寄给了西门子。西门子的声誉与爱迪生不相上下。当西门子看到这块电池板在光照下发电的输出时，他深受震撼，这位著名的德国科学家将弗里茨的电池板呈献给了普鲁士皇家科学院。西门子向科学界宣布，这位美国人的组件“首次向我们展示了光能直接转化为电能。”

太阳光被祝福的愿景，不再白白地洒向太空。

西门子认为光电“在科学上具有深远的意义”。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦也表示同意。他称光电研究为“对科学的非常有价值的贡献”。但无论是麦克斯韦还是西门子，都不知道这种现象是如何运作的。麦克斯韦疑惑道：“辐射是直接原因，还是通过引起化学状态的某种变化起作用？”西门子甚至没有冒险解释，而是敦促“进行彻底调查，以确定硒的电动光作用取决于什么。”

很少有科学家响应西门子的呼吁。这一发现似乎与当时科学界的所有认知相悖。亚当斯和戴使用的硒棒，以及弗里茨的“魔术”板，不像包括太阳能发动机在内的所有其他已知动力装置那样依赖热量来产生能量。因此，大多数人都将它们排除在进一步的科学探索之外。

然而，一位勇敢的科学家，皇家印度工程学院应用数学教授乔治·M·闵钦，抱怨说，拒绝光电作为科学上不合理的——这一行为源于当时科学界“非常有限的经验”和“‘据我们所知’[的视角——]无异于疯狂。”事实上，在19世纪的少数实验者中，闵钦最接近解释光击中硒太阳能电池时发生的情况。闵钦写道，也许它“仅仅是作为它从太阳接收到的能量的转换器，而它本身的材料，作为过程中使用的工具，可能几乎完全未被改变。”

在闵钦的时代，科学界也因为观察测量太阳热能的设备（一种带玻璃盖的黑色表面装置，是太阳热的最佳吸收器）的实验结果，而忽视了光电作为能源的潜力。“但显然，认为太阳光束的所有能量都被黑色表面吸收并转化为热量的假设，可能是不正确的，”闵钦争辩道。事实上，他认为“可能存在一些形式的[太阳]能量，它们对黑色表面毫不理会，[而且]或许测量它们的‘适当的接收表面’仍有待发现。”闵钦直觉地认为，只有当科学能够量化“每种[太阳光]颜色的光照强度[即不同波长]时，科学家们才能判断光电的潜力。”

爱因斯坦的伟大发现

阿尔伯特·爱因斯坦也怀疑当时的科学未能解释来自太阳的所有能量。在他1905年发表的一篇大胆的论文中，爱因斯坦表明光具有早期科学家未认识到的属性。他发现，光包含能量包，他称之为光量子（现在称为光子）。他认为，光量子携带的能量会根据光的波长而变化，正如闵钦所怀疑的——波长越短，能量越大。例如，最短波长的光子所携带的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由此产生的对其行为的一系列研究——所有这些都发生在19世纪末——为光电提供了以前所缺乏的科学框架，并且现在能够用科学能够理解的语言来解释这种现象。在像硒这样的材料中，能量更强的光子携带足够的能量，可以将弱束缚的电子从其原子轨道上击出。当导线连接到硒棒上时，被释放的电子以电流的形式流过它们。19世纪的实验者称这种过程为光电，但在20世纪20年代，科学家们将这种现象称为光伏效应。

这种新的合法性刺激了对光伏的进一步研究，并重燃了世界工业能够摆脱燃料和污染，由取之不尽的阳光驱动的梦想。布鲁诺·兰格博士，一位德国科学家，他1931年的太阳能电池板与弗里茨的设计相似，预测“在不久的将来，大型工厂将采用数千块这样的电池板将阳光转化为电能……能够与水电和蒸汽发电机竞争，用于运行工厂和照明家庭。”但兰格的太阳能电池的效果并不比弗里茨的好，它将不到1%的入射太阳能转化为电能——这几乎不足以证明其作为能源的用途。

光电的先驱们未能实现他们期望的目标，但他们的努力并非徒劳。闵钦的一位同时代的人称赞他们拥有“望远镜般的想象力，[他们]看到了太阳光被祝福的景象，太阳不再白白地洒向太空，而是通过光电电池……[它的]能量被收集到电能仓库中，彻底淘汰了蒸汽机，并完全压制了烟雾。”在他1919年关于太阳能电池的书籍中，托马斯·本森称赞了这些硒的先驱者们的作品是“不可避免的太阳能发电机”的先驱。玛丽亚·泰尔克斯也受到硒遗产的鼓舞，她写道：“我个人认为，如果大量的进一步研究和开发工作能够成功地改善其特性，光伏电池将是太阳能最高效的转换器。”

然而，由于看不到突破的希望，西屋公司的光电部门负责人只能得出结论：“在效率提高至少五十倍之前，光伏电池对实用工程师来说不会引起兴趣。”《光电及其应用》的作者们也同意悲观的预测，并在1949年写道：“未来是否能够发现效率更高的电池，从而重新开启利用太阳能造福人类的可能性，还有待观察。”

第一块实用太阳能电池

贝尔公司的管理层于1954年4月25日向媒体展示了贝尔太阳能电池。

仅仅五年后，硅革命的开端催生了世界上第一块实用的太阳能电池，并带来了持久的太阳能时代的希望。它的诞生恰好与硅晶体管同时发生，硅晶体管是当今所有电子设备的主要组成部分。贝尔实验室（Bell Laboratories）的两名科学家卡尔文·富勒（Calvin Fuller）和杰拉尔德·皮尔森（Gerald Pearson）领导了将硅晶体管从理论转化为工作设备的先驱工作。皮尔森被一位钦佩他的同事描述为“实验者的实验者”。富勒是一名化学家，他学会了如何控制杂质的引入，这是将硅从一种差的导体转变为卓越的导体的必要条件。作为研究计划的一部分，富勒给了皮尔森一块含有少量镓的硅。镓的引入使硅带正电。根据富勒的配方，当皮尔森将这根棒浸入热锂浴中时，浸入锂中的硅部分带负电。正负硅相遇的地方，形成了一个永久的电场。这就是p-n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。这样制备的硅只需要一定量的外部能量即可激活，在皮尔森的一次实验中，灯光提供了这种能量。科学家将特制的硅通过导线连接到电流表上，电流表让皮尔森惊喜地记录下了显著的电流。

当富勒和皮尔森致力于改进晶体管时，另一位贝尔科学家达里尔·查普林（Daryl Chapin）已经开始着手解决在潮湿偏远地区提供少量间歇性电源的问题。在其他任何气候下，传统的干电池都可以使用，但查普林解释说，“在热带地区，由于湿度引起的退化，它的寿命可能太短了，而且在最需要的时候就失效了。”贝尔实验室委托查普林调查独立电源的替代方案的可行性，包括风力发电机、热电发电机和小型蒸汽机。查普林建议将太阳能电池也纳入调查范围，他的上级批准了。

1953年2月下旬，查普林开始了光伏研究。他将一块商用的硒电池置于阳光下，记录到该电池每平方米产生4.9瓦的功率。其效率，即将阳光转化为电能的百分比，略低于0.5%。查普林关于太阳能研究和不佳结果的消息传到了皮尔森那里。他告诉查普林，“不要再在硒上浪费一分钟时间了”，并将他自己制造的硅太阳能电池给了他。查普林在强烈的阳光下进行的测试证明皮尔森是对的。这块硅太阳能电池的效率为2.3%，比硒电池高出约五倍。查普林立即放弃了硒的研究，并将时间投入到改进硅太阳能电池上。

他对效率的理论计算令人鼓舞。查普林估计，理想的单元可以使用23%的入射太阳能来产生电能。然而，他设定的目标是达到接近6%的效率，这是当时工程师认为光伏电池能够被认真视为发电来源的必要阈值。

查普林承担了大部分工程工作，他不得不尝试新材料，测试不同的配置，并在一切似乎都无效的绝望时刻继续前进。在几个关键时刻，似乎无法克服的障碍出现了。一个主要的突破直接来自于爱因斯坦关于光量子（光子）工作的知识。“我认为有必要让我们的p-n[结]非常靠近表面，”查普林意识到，这样，属于较短波长光的能量更强的光子就能有效地将电子移动到可以被收集为电能的地方。建造这样的电池需要与富勒合作。查普林还观察到，硅的闪亮表面反射了大量的阳光，这些阳光本可以被吸收利用，于是他用一种哑光透明塑料覆盖了它的表面。在电池顶部添加硼，允许在硅条上进行良好的电气接触，同时将p-n结保持在靠近表面的位置，从而实现了更好的光子收集。查普林最终取得了胜利，达到了他6%的目标。他现在可以自信地称他制造的电池为“动力光电管……旨在成为主要电源”。在确保了电池的可重复性和足够的效率后，三人制造了许多阵列，并在新闻发布会和美国国家科学院年会上进行了展示。

自豪的贝尔高管于1954年4月25日向媒体展示了贝尔太阳能电池，展示了一个完全依靠光能驱动21英寸摩天轮的电池板。第二天，贝尔科学家运行了一个太阳能无线电发射器，向聚集在华盛顿特区会议上的美国顶尖科学家们播报了语音和音乐。媒体注意到了这一点。U.S. News & World Report在一篇题为“无限燃料”的文章中兴奋地推测：“[硅]条可能提供比世界上所有煤炭、石油和铀更多的能源……工程师们正在梦想着硅条发电厂。”《纽约时报》也表示同意，在头版声明，查普林、富勒和皮尔森的工作，以及由此产生的能够产生有用能量的第一块太阳能电池，“可能标志着一个新时代的开始，最终将实现人类最珍贵的梦想之一——利用近乎无限的太阳能为文明服务。”