貝爾實驗室示範了第一個實用的硅太陽能電池

■蕭如珀、楊信男/譯

■譯自 APS News，2009年4 月

■原標題：《1954年4月25日：貝爾實驗室示範了第一個實用的硅太陽能電池》

可以將陽光轉換成電流的太陽能電池開始出現於一百多年前， 但早期的太陽能電池效率太低，所以並無多大用處。 1954 年 4 月， 美國貝爾實驗室的研究員才示範了第一個實用的硅太陽能電池。

太陽能電池的故事要追朔到1839 年早期光生伏特效應的觀測，法國物理學家安東尼 . 貝克勒爾（Antoine Cesar Becquerel） 之子，物理學家亨利 . 貝克勒爾 （Henri Becquerel， 因 發 現 放 射 線，於 1903 年獲得諾貝爾物理學 獎）之父的亞歷山大 . 貝克勒爾 （Alexandre Edmond Becquerel）當 時以金屬電極置於電解溶液中做研究，發現金屬若暴露在陽光下，會產生小小的電流，但他無法解釋此效應。

數十年後， 於 1873 年， 英國的工程師史密斯（Willoughby Smith）在測試水中電報電纜的材料時，發現了硒的光電導性。1883 年，美國發明家弗里茨（Charles Fritts）以硒做出了第一個太陽能電池。雖然弗力茲希望他的太陽能 電池可以和愛迪生的火力發電廠競爭，但太陽能電池將陽光轉換成電的效率低於 1%，因此並不實用。 硒的光生伏特性研究之後又持續了好幾十年，其間發現了幾個實際的 應用，但並未能廣泛使用。

太陽能電池科技接下來最主 要的進展是在 1940 年，由一位在貝爾實驗室的半導體研究員奧爾 （Russell Shoemaker Ohl） 所研究出來的。奧爾當時一直在研究硅樣品，其中有一個中間有一裂痕。他注意到當那個特別的樣品暴露在陽 光下時，電流會通過去。那個裂縫可能是樣品製造時形成的，它實際是含不同程度雜質的分界線，因此裂縫的一邊呈現陽性摻雜，而另一邊呈現陰性摻雜，亦即奧爾不經意 地做了一個 p-n 結，是太陽能電池 的基本原則，過量的正電荷聚集在 p-n 結的一邊，而過量的負電荷則 聚集在另一邊，造成了電場。當太 陽能電池接到電路上時，入射到電池的光子就會踢電子一下，啟動電流。奧爾將他的太陽能電池申請了 專利，它大約有 1% 的效率。

第一個實用的硅太陽能電池於13 年後，由一群貝爾實驗室的 科學家合力研發出來。

1953 年，曾在貝爾實驗室研究磁性材料的工程師喬賓（Daryl Chapin），正試著為偏遠潮濕地區， 因乾電池電力消失過快的電話系統發展新電源。喬賓研究了幾種替代的能源，最後選擇太陽能為最有希 望的能源之一。他試用硒太陽能電池，但發現它的效率太低了。

在這同時，化學家福勒（Calvin Fuller）和物理學家皮爾森（Gerald Pearson）正在研究以添加雜質來 控制半導體的性質。福勒給皮爾森一個含有鎵雜質的矽片，皮爾森將其浸在鋰溶液中，吸附鋰后就形成 p-n 結。皮爾森之後將電流計接到此矽片，對它照射陽光，令大家吃驚的是，電流計明顯地跳升。

皮爾森知道喬賓做過的研究， 所以去告訴他的朋友，不要再浪費 時間在硒太陽能電池上，所以喬賓 立即轉而採用硅。

這三位科學家於是花了幾個月，為改進他們的硅太陽能電池之性質共同努力。他們碰到的一個問題是，要製造出能與硅電池接頭良好導電之電極很難；另一個問題是， 在常溫下，鋰會隨著時間在硅中移動，讓 p-n 結距離進來的陽光更遠。 為了要解決此問題，他們試著使用 不同的雜質，最後選用砷和硼，可以造出停留在表面附近的 p-n 結， 他們還發現電極可以與硼 - 砷硅電 池有好的導電接觸。所以在設計上 做一些其他的改進之後，他們就將幾個太陽能電池連結在一起，創造出他們所稱的「太陽電池」。

貝爾實驗室於1954 年 4 月 25 日在美國新澤西州的牧瑞丘（Murray Hill）宣布此發明，他們示範了他們的太陽能電池板，用它來轉動一座小的玩具摩天輪和一個以太陽能發電的無線電發報機。

最早期的硅太陽能電池將太 陽能轉換成電能的效率大約有 6%， 與之前的太陽能電池比起來是極大 的進步。

《紐約時報》評論說，硅太 陽能電池「可能標記著新時代的開 始，最終會實現人類最渴望的夢想 之一，即利用幾乎無限量的太陽能於人類的文明上。」

最初的硅太陽能電池製造費用昂貴，而早期要將它商業化也並不是很成功，但在幾年間，太陽能電池已普遍用以供應人造衛星所需的電力，之後也應用於其他的用途。

喬賓很快地簡化了太陽能電池的製造過程，甚至還為中學生開 發了太陽能電池科學的實驗。喬賓、福勒和皮爾森於 2008 年被選入美 國國家發明家名人堂。 現在，太陽能電池已可用在各 種設備上，從手持的計算器到屋頂 上的太陽集能板。設計的改良，加 上先進的材料，現在已可以建造效 率超過 40% 的太陽能電池。太陽 能電池的研究發展仍持續著，目標 朝向降低成本，提升效率，以讓太 陽能發電比化石燃料更具競爭力。