你,相信光吗?
硅广泛存在于自然界,储量丰富,其在地球表面的含量仅次于氧,占有将近 26% 的比重。不过,硅很少以硅单质的形式存在,而是以硅酸盐或氧化物的形式广泛存在于岩石和沙砾中。早在1823年,瑞典化学家术斯•雅格•贝齐利阿斯 (Jöns Jacob Berzelius) 就通过加热氟硅酸钾和钾获取了硅。但是,人们一直没有将硅与太阳能联系在一起。
直到 1940 年,贝尔实验室的研究人员在研究硅样品时发现,中间有裂痕的硅样品暴露在阳光下时会有电流通过。这道裂缝是偶然形成的,但它恰巧成为不同杂质的分界线,即一边呈阳性、一边呈阴性,这就形成了一个 P-N 结a,而P-N 结是太阳能电池能够发电的基本原理。然而,这一偶然发现还未带来实质性突破。
1953 年, 贝尔实验室从事计算机研究的杰拉尔德
• 皮尔逊(Gerald Pearson)和卡尔文•富勒(Calvin Fuller)在一次半导体实验中发现,含有镓杂质的硅片浸在锂溶液中,吸附锂后就形成了 P-N 结。
P-N 结是由一个 N 型掺杂区和一个 P 型掺杂区紧密接触所构成,其接触界面称为冶金结界面。在一块完整的硅片上,用不同的掺杂工艺使其一边形成 N 型半导体,另一边形成 P 型半导体,我们称两种半导体交界面附近的区域为 P-N 结。
皮尔逊将电流计接到这个硅片上,再将其置于阳光下,结果电流计迅速往上跳。硅材料的太阳能发电原理这才真相大白。
皮尔逊立即把这一发现告诉了正在为远程通信系统寻找供能源的科学家达里尔•查宾(Daryl Chapin),劝说他放弃研究硒电池,转向研究硅电池。
于是,皮尔逊、富勒和查宾三人合力研发出第一块以硅为原材料的太阳能光伏电池,转换效率达到 2.3%,从而向光伏发电的实际应用迈出了重要一步。
“可能标志着新时代的开始,最终会实现人类最渴望的梦想之一, 即将几乎无限量的太阳能应用于人类文明”。
1955年,人类开始向宇宙进发,人造卫星脱离地球长期运行需要能够提供无限能量的动力源。太阳能电池相比于固体燃料和核能近乎无限能源,更轻巧且便于携带, 成为实现“太空漫游”的最佳选择。
随着“冷战”期间美苏太空竞赛的加剧,太阳能电池的订单维持在一个基础水平,为相关企业和研究所带来了基本的研发资金。
1977年,吉米•卡特(Jimmy Carter)就任美国总统后,发布了一系列针对太阳能光伏的激励政策,一度确立了美国在太阳能光伏领域的主导地位。
与此同时,美国众多石油公司也纷纷开展新能源业务,只要是叫得上名号的石油公司,均成立了太阳能部门。其中,大西洋里奇菲尔德公司更是投资2亿美元,在 1980 年建起第一家年产能超过 1MW 的太阳能工厂 ;到1988年,它已经是世界上最大的太阳能生产商。
石油公司之所以热衷于投资新能源产业,一方面是因为它们关注新技术在能源领域的发展情况,想要占据新能源领域的领导地位 ;另一方面则更为现实,当时海上钻井平台发展迅速,光伏太阳能正好可以解决钻井平台在海上独立运行的能源需求。
20世纪90年代,美国出台了更完善的鼓励太阳能发展的相关政策。1992 年,《能源政策法案》提出到2010年,可再生能源提供的能量要比 1988 年增长75%。对太阳能和地热项目永久减税10%。这对太阳能等可再生能源的发展起到了极大的促进作用。
作为一个能源资源小国,日本的煤炭储量严重不足,而日本海岸线上屈指可数的几座油田,产能还不足全国石油使用量的 0.2%。日本 83% 的能源供给依赖进口。因此,解决能源问题在日本国家发展中占据优先地位。
1993年后,日本政府相继推出“新阳光工程”等计划,并通过财政补贴普及光伏的应用。这些扶持和刺激计划,旨在推动学界与企业界的研究、开发和生产,从而建立本土太阳能光伏产业和太阳能市场。
并且,日本政府在法律中明确鼓励提高能源效率,而且《促进新能源利用特别措施法》提出,计划到 2010 年使日本可再生能源占全部能耗的 3.1%。
这些政策的出台推动了产业发展。十余年间,日本诞生了京瓷、三洋、夏普等知名企业。通过日本企业的努力,太阳能制造成本大幅降低。
在 1994 年,日本居民在屋顶安装太阳能系统需要耗费 6 万美元 ;而到 2005 年,这一成本已经降至2 万美元。到2008 年,日本全国大约50 万户住房安装了太阳能屋顶系统。
同一时期,欧洲太阳能的发展则以德国为代表。