历史回顾：太阳能电池的发展及应用实践

许多创意与许多现在已经有的创意一样，很久以前，在一系列费解的、貌似不重要的发现中，太阳能电力就崭露头角。Edmund Becquerel，一位19岁的法国科学家，在1839年的时候开始了发现之旅，当他把两块黄铜板浸入一种导电液体并将一束光射到这套装置上时，他发现产生了一个电流。

因为那个时候电力还没有什么用处，所以他的发现没引发什么兴趣。Becquerel要继续大力地在物理学方面作出贡献，所以显然他没有去揭示另一个没有价值的科学上的怪现象。

后来，1873年，一位叫Willoughby Smith的英国工程师在调试海底通信电缆的时候有了另一个重要的发现。当下放海底电缆的时候，他用一台装置来测试电缆，这台测试装置采用了硒棒。令他非常惊讶的是，他发现在实验室里硒中电流的电阻会发生变化。有时，这些棒呈现出高阻值，而有时却呈现出低阻值。根据进一步的研究，Smith发现当光照在这些棒上的时候，阻值就会变化。而且，阻值的变化与光量成正比。照到棒上的光越多，阻值越低。虽然Smith无法解释他发现的现象，但是今天我们知道，这是由于光硒中的电子流提供了助力。这个令人疑惑的现象后来又被研究者W.G.Adams和R.E.Day所证实。他们发现，照射到硒上的光会产生一个微小的电流。

Smith的发现引发了应用研究，设法找到能利用上这种现象的方式。几年后迎来了首个突破，一位名叫Charles Fritts的美国发明者设计了第一块能发电的太阳能电池。Fritts的太阳能电池由一薄层硒构成，上面加了一层超薄的、透明的金膜。当暴露在光线中（即使是昏暗的或者散射的光线），这个元件能够产生一个微小的电流。虽然Fritts能够可靠地重复他的实验，工程师们仍然持怀疑态度。他们不明白，这个元件为何不用燃烧某种类型的燃料就能发出电能。一些物理学家甚至说，Fritts的太阳能电池违背了物理学定律，特别是热力学定律。热力学第一定律认为，能量不能被创造，也不能被消灭。因为没有看得见的能源，许多工程师都用怀疑的眼光看待Fritts的元件。

而Fritts没有被吓住，他把太阳能电池送到Werner Siemens那里，这是一位出色的发明家和实业家。Siemens测试了这个元件并且确认它确实在被阳光照亮的时候会产生电力。为什么会这样，Siemens说不出来，但是它确实能发电。

过了几十年，又有了那个时代许多其他的发现，科学家们才理解了Fritts的那块简易太阳能电池的内部机理。今天，由于引入了量子力学，科学家们认识到光照射到硒原子的时候，激发了它们外层的电子，这些被激发的电子被迫流过外部电路，这个效应就叫做光电效应。这是所有太阳电池的基础。

虽然Fritts的太阳电池能够发电，但是把阳光转化成电力时效率极低。科学家始终没能把效率提高到1%以上。由于硒的高成本和低效率，大多数科学家认为这项技术是不可行的。然而，有一个人例外，他就是德国人Bruno Lange，他也正在研究太阳电池，其设计方案与Fritts的类似。1931年，Lange预言，“在不远的将来，大发电厂将采用成千上万的这种平板，用来把阳光变成电力，在工厂运转和家庭照明方面，这种方式能够与水电和蒸汽驱动的发电机相匹敌”。可非常遗憾的是，Lange的太阳电池的效率也相当差劲。(www.xing528.com)

太阳能电力的发展被高成本和低效率阻滞了很多年，但到了20世纪50年代初，太阳能电力出现了一个出乎意料的转折——一个可能对这项发展艰难的技术有深刻影响的转折。两位研究者，Calvin Fuller和Gordon Pearson，在贝尔实验室做硅整流器的实验（整流器是把交流转换成直流的元件）。Fuller和Pearson发现，整流器的效率随着照射在它上面光的多少而发生变化。他们的研究也显示，阳光照射到基于硅的整流器上面会引起电子流过整流器。于是，他们非常偶然地发现了另一种太阳能电池——这种基于硅的元件将会引起工业的变革。而且，他们的太阳电池的效率比其先驱者所实现的硒太阳电池要高四倍（4%）。Fuller和Pearson与Daryl Chapin（他曾在贝尔实验室做过硒电池）一起进行了更多的研究和开发，把效率进一步提高到6%。

贝尔实验室研究者的发现所具有的前景，激发了贝尔实验室开始探寻让硅太阳电池商业化的途径。该公司所希望的一个应用场合是用PV电池为远郊的中继站供电，来放大长途电话的信号（中继站是一个通过放大电话信号来大大增加通信范围的自动设备，它由一个按某个频率调制的接收机和一个按另一个频率调制的发射机组成，通过一个控制器连接到一起。当接收机接收到一个微弱的信号，控制器就启动发射机，以更大的强度把这个信号再发射出去。中继站通常安装在高楼顶端或者山上）。其他公司也陆续开始采用PV，比如为海岸警卫队的远海浮标供电以及为美国林务局的瞭望塔供电。遗憾的是，早期的PV成本太高，导致这项技术趋于消亡。

不过，人造卫星出现了。为了给人造卫星供电，航天工业认为要么给卫星安装蓄电池，要么想办法在太空发电。但是，这个能源必须重量轻、紧凑且可靠。蓄电池在这三方面都达不到要求。它们不仅很重，而且体积很大，寿命也有限。然而，太阳电池却具有相对较轻的重量，能够利用外太空强烈的太阳能发出持续的电能，并且它们能够工作很多年。

从1958年开始，太阳电池实际上已经为所有发射到太空的人造卫星供电了。虽然早期的太阳电池极为昂贵，但是这对美国国家航空航天局（NASA）或者美国国防部（DOD）来说，算不了什么。除此之外，没有安全的、可行的其他选择。

虽然太空工业深深得益于太阳电池，但是今天PV的存在也要归功于太空项目。我们应该指出的是，您邻居房顶上的太阳电池跟为人造卫星供电的是不一样的。不过，两者关系紧密，也很相像，它们在不远的将来会成为一种重要的电源，让德国太阳能科学家Bruno Lange的预言成为现实。