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[物理史] 贝尔实验室示範了第一个实用的硅太阳能电池

2020年06月10日 来源:http://www.sbgw77.com



(译自APS News,2009年4月)

[物理史] 贝尔实验室示範了第一个实用的硅太阳能电池

傅勒将硼注入硅中,製成全球第一个太阳能电池。

可以将阳光转换成电流的太阳能电池开始出现于一百多年前,但早期的太阳能电池效率太低,所以并无多大用处。 1954 年 4 月,美国贝尔实验室的研究员才示範了第一个实用的硅太阳能电池。

太阳能电池的故事要追朔到 1839 年早期光生伏打效应的观测,法国物理学家安东尼.贝克勒(Antoine Cesar Becquerel)之子,物理学家亨利.贝克勒(Henri Becquerel,因发现放射线,于1903年获得诺贝尔物理奖。)之父的亚历山卓.贝克勒(Alexandre Edmond Becquerel)当时以金属电极置于电解溶液中做研究,发现金属若暴露在阳光下,会产生小小的电流,但他无法解释此效应。

数十年后,于 1873 年,英国的工程师史密斯(Willoughby Smith)在测试水中电报电缆的材料时,发现了硒的光电导性。1883 年,美国发明家弗力兹(Charles Fritts)以硒做出了第一个太阳能电池。虽然弗力兹希望他的太阳能电池可以和爱迪生的火力发电厂竞争,但太阳能电池将阳光转换成电的效率低于1%,因此并不实用。硒的光生伏打性研究之后又持续了好几十年,其间发现了几个实际的应用,但并未能广泛使用。

太阳能电池科技接下来最主要的进展是在 1940 年,由一位在贝尔研究室的半导体研究员欧尔(Russell Shoemaker Ohl)所研究出来的。欧尔当时一直在研究硅样品,其中有一个中间有一裂痕。他注意到当那个特别的样品暴露在阳光下时,电流会通过去。那个裂缝可能是样品製造时形成的,它实际是含不同程度杂质的分界线,因此裂缝的一边呈现阳性掺杂,而另一边呈现阴性掺杂,亦即欧尔不经意地做了一个 p-n 接面,是太阳能电池的基本原则,过量的正电荷聚集在 p-n 接面的一边,而过量的负电荷则聚集在另一边,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。欧尔将他的太阳能电池申请了专利,它大约有 1% 的效率。

第一个实用的硅太阳能电池于 13 年后,由一群贝尔实验室的科学家合力研发出来。

1953 年,曾在贝尔实验室研究磁性材料的工程师乔宾(Daryl Chapin),正试着为偏远潮湿地区,因乾电池电力消失过快的电话系统发展新电源。乔宾研究了几种替代的能源,最后选择太阳能为最有希望的能源之一。他试用硒太阳能电池,但发现它的效率太低了。

在这同时,化学家傅勒(Calvin Fuller)和物理学家皮尔森(Gerald Pearson)正在研究以添加杂质来控制半导体的性质。傅勒给皮尔森一个含有镓杂质的硅片,皮尔森将其浸在锂溶液中,吸附锂后就形成 p-n 接面。皮尔森之后将电流计接到此硅片,对它照射阳光,令大家吃惊的是,电流计明显地跳升。

皮尔森知道乔宾做过的研究,所以去告诉他的朋友,不要再浪费时间在硒太阳能电池上,所以乔宾立即转而採用硅。

这三位科学家于是花了几个月,为改进他们的硅太阳能电池之性质共同努力。他们碰到的一个问题是,要製造出能与硅电池接头良好导电之电极很难;另一个问题是,在常温下,锂会随着时间在硅中移动,让 p-n 接面距离进来的阳光更远。为了要解决此问题,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 接面,他们还发现电极可以与硼-砷硅电池有好的导电接触。所以在设计上做一些其他的改进之后,他们就将几个太阳能电池连结在一起,创造出他们所称的「solar battery」(太阳电池)。

贝尔实验室于 1954 年 4 月 25 日在美国纽泽西州的牧瑞丘(Murray Hill)宣布此发明,他们示範了他们的太阳能电池板,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。

最早期的硅太阳能电池将太阳能转换成电的效率大约有 6%,与之前的太阳能电池比起来是极大的进步。

《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。」

最初的硅太阳能电池製造费用昂贵,而早期要将它商业化,一开始也并不是很成功,但在几年间,太阳能电池即普遍用以供应人造卫星所需的电力,之后也应用于其他的用途。

乔宾很快地简化了太阳能电池的製造过程,甚至还为中学生开发了太阳能电池科学的实验。乔宾、傅勒和皮尔森于 2008 年被选入美国国家发明家名人堂。

现在,太阳能电池已可用在各种设备上,从手持的计算机到屋顶上的太阳集能板。设计的改良,加上先进的材料,现在已可以建造效率超过 40% 的太阳能电池。太阳能电池的研究发展仍持续着,目标朝向降低成本,提升效率,以让太阳能发电比化石燃料更具竞争力。


原文刊载于物理双月刊2013年4月号35卷第2期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

 
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