光伏技术:从材料科学的沿革看冶金法多晶硅学科建立(一)

来源:世纪新能源网发布时间:2013-03-06 23:59:59
索比光伏网讯:
作者:上海普罗新能源有限公司董事长 史珺博士

冶金法多晶硅今年将诞生世界上第一个万吨级年产能的企业,采用的是上海普罗的PM法。目前测算的成本将低于10美元/公斤,这当然将是硅材料产业和光伏产业的一件大事。在冶金法多晶硅艰难而坚定地走向大规模产业化的同时,关于冶金法多晶硅的科学体系的建立也在紧锣密鼓地进行着,这与大规模工厂的建立有着同样重要的意义。冶金法多晶硅的科学体系当然属于硅材料科学体系,而硅材料科学是材料科学中一个非常重要的分支。中国冶金法多晶硅产业技术创新战略联盟正在酝酿申报973计划,许多高校和研究所的专家学者正在为此而紧张地工作着。在这里,笔者想回顾一下材料科学的创立过程,希望对冶金法多晶硅材料科学的体系建立有一些启发。


一、大学中的材料科学与工程

“名字代表什么?难道玫瑰叫了其它名字,它就闻不着香甜了?”

---- 《罗密欧与朱丽叶》,莎士比亚

世界上第一个把材料科学作为系名的,是位于美国Illlinois的西北大学。著名的材料科学家,Morris Fine原来在贝尔实验室做研究,1954年,他被邀请到西北大学冶金系开展一个研究生课程计划。在那里,他与Jack Frankel一起为本科生开了课。这门课的名字,是关于材料性能的。

到了1957年,Frankel撰写了一部《材料性能原理》,(Principles of the Properties of Materials)。1958年,2月,他们向负责学术的校长提交了一份题为《材料科学与工程的重要性》(The importance of Materials science and engineering)的备忘录。几个月后,这一建议得到校方高层的批准。

1958年12月,冶金系办公会议一致通过决定,将冶金研究生系(Graduate Department of metallurgy)更名为材料科学研究生系(Graduate Department of Materials Science),大学与1959年1月同意了这一更名。

几乎同时,美国总统科学顾问委员会委托各大学去努力“建立一个新型的材料科学与工程”,并强调这需要政府的帮助。

英国国家的其它相关的系一直很慎重,如剑桥大学从“冶金系”逐渐变成“冶金与材料科学系”,最后才大胆地改为“材料科学与冶金系”。牛津大学更是不改其吹毛求疵的名声,使用复数词”materials”作为系名,起到了形容词的作用,将冶金系简单地变成了材料系(Department of Materials),有些大学也模仿它这样做。尽管一些有名望的冶金学家,如Robert F. Mehl,还努力保持正统的物理冶金学。

西北大学的材料科学系以其新颖且学科宽泛的本科生课程来教授材料科学与工程专业的研究生,这种做法很快遍及许多美国大学。到了1969年,美国大学中冶金系大约30%的名字中都包含了“材料科学”和“冶金”的组合。到1974年,根据说明MSE(Material Science and Engineering,材料科学与工程)现状的CODMAT报告,美国有大约90门与材料相关的学士学位课程,其中约60门得到承认。目前,美国已经很少有冶金学的存在,几乎都改成了MSE。

麻省理工从1967年将冶金改为冶金与材料科学,待凉的David Kingery,陶瓷学家。1974年改为“材料科学与工程”。

直到20世纪60年代,英国才出现材料课程。1962年北威尔士大学聘请了Robert Cahn作为第一位材料学教授,伯明翰大学的物理冶金系的Daniel Hanson教授将一直是定性的冶金学科的教学变得定量和严格。

以上,就是英美大学的材料科学的沿革,这也是世界材料科学的沿革。但这时,还有许多教授和科学家认为,材料科学只不过是将冶金学的名称变换了一下而已。就像莎士比亚在《罗密欧与朱丽叶》剧中,朱丽叶对玫瑰花的名称的评论一样。

二、产业中的材料科学与工程

“卑贱者最聪明,高贵者最愚蠢。”

----1958年5月18日,毛泽东在关于“鸭绿江一号”拖拉机生产制造的调查报告上作出的批示

在大学的材料科学与工程学科发展的同时,企业里也在积极研究着,而且,企业的研究工作,对于材料科学的发展起到了不可缺少的重要推进作用。

新泽西州的贝尔实验室的William Shockley研究小组和纽约州的Shenectady的通用电气公司实验室,很早就应用了MSE的思想。不过他们的工作不如GE公司做得系统。

通用电气公司实验室(GE Laboratory)在美国的产业研究历史中居于特殊地位。它从1900年起最初在化学家Willis Whitney的领导下,成为全美第一所产业部门实验室,而不是只作为一个工厂解决问题的附属品。GE公司著名的科学家William Coolige和Irving Langmuir(后者由于其在GE公司的工作而获得诺贝尔奖),通过完善白炽灯用韧性钨金属制造技术,使他们成为公司不可或缺的人物。 Langmuir还为认识均匀催化现象作出了重要贡献。一系列科研计划和有商业价值的发明发现一只在Schenectady 的实验室进行,很多都与材料有关。

1946年,一位具有远见卓识的冶金学家加入到这一实验室,以形成一个新的冶金研究小组。他就是J. H. Hollomon(1919~1985) 。他招募来的第一批研究者中,有David Turnbull,是一位物理化学工作者 。 Turnbull对他的卓越老板的评价是:“Hollomon当时还是一个26岁的症结的年轻人,但却是一个不同凡响的和有影响力的人物。他性情直率,有热心,非常自信,对新的小组的未来充满热情。他描述了金属对机械处理和热处理的难以理解的神奇反应,以及他为解决这些诸多问题而建立一个包括冶金学、应用力学、化学和物理学的交叉学科队伍的计划。他确信这些研究会导致设计和合成新材料的能力大幅度提高,而这些新材料具有重要的技术应用价值。他的观点是,设备的使用性能正在受到材料的局限,而非涉及上的局限。”

GE 公司内部给Hollomon的讣告中, Charles Bean评价道:“在这里,他曾经迅速地组织了一支多学科的队伍,致使冶金学从一门经验技艺变成一门给予物理学和化学原理的研究领域。”

Hollomon的时代思潮,加上他坚忍的能力与判断力,以及他一直坚持招募最好的研究人员加入其研究小组,在15年里带来了一系列与材料相关的重大技术革新,包括人造金刚石,高性能绝缘材料,真空电路断路器,基于辐照固体中蚀刻粒子轨迹的产品、聚碳酸酯塑料,特别是用于金属-0蒸汽灯的“卢卡洛克斯Lucalox”氧化铝外膜。后来Guy Suits 及其继任者Arthur Bueche对这些技术革新以及使他们成为可能所采取的措施进行了精湛和细致的描述。(1967)。

Hollomon概括了他自己提出的MSE的概念,这就是他进入GE公司几年后写的一篇短文的题目,文中说明了他想象中的材料科学工作者和材料工程师。当时在附近的Knolls原子能发电实验室的John Howe说,20世纪50年代,他经常与Hollomon讨论到“将宽泛的术语作为更为基础的概念的那样需求得到发展”,新的相关术语极有可能正是从这些在GE公司的讨论中演变而来。Hollomon的短文的结论是:“相关专业学会必须接受为激励和联合那些从事材料科学和材料工程的人们所建立的这一新秩序。我们甚至可能需要一个包括科学和工程分支的全美材料学会。冶金工程师将会变为材料工程师。源于冶金学,通过物理学,诞生了材料科学。”

GE公司实验室黄金时期的两位领导人Westbrook和Fleischer,最近为Hollomon出了一部著作,书中写道:“他是产业科学研究关联性和价值的英明的、有活力的、有效率的倡导者。”就像不少资深的科学家一样,随着他的年龄逐渐变老,Hollomon好像已经成为一位政治家,使关心他的人们要么成为热烈的拥护者,要么就是难以和解的反对者。

Hollomon在国家产业界的地位在1955年就得到认可,当时美国国家商会推荐他为全国青年十杰。7年之后,肯尼迪总统将Hollomon带入华盛顿作为商业部长的科技助理,在那里他的突出工作是建立了专利系统的总统委员会,以鼓励和解决技术革新中的各方面问题。他在回答问题中表现了他的科研背景:“什么是所谓的问题?90%的问题出自对问题的探索中。”

(未完待续)
责任编辑:solar_robot
索比光伏网&碳索光伏版权声明:

本站标注来源为“索比光伏网”、“碳索光伏"、"索比咨询”的内容,均属www.solarbe.com合法享有版权或已获授权的内容。未经书面许可,任何单位或个人不得以转载、复制、传播等方式使用。

经授权使用者,请严格在授权范围内使用,并在显著位置标注来源,未经允许不得修改内容。违规者将依据《著作权法》追究法律责任,本站保留进一步追偿权利。谢谢支持与配合!

推荐新闻
从灯塔工厂到全域智能:隆基AI的下一程来源:隆基绿能 发布时间:2026-10-29 09:26:06

隆基绿能嘉兴基地成为全球光伏首家“灯塔工厂”,30多项AI用例实现18秒异常识别、交付周期缩短84%、能耗降20%。AI正从制造端延伸至研发、供应链、营销、服务全链条,构建研产供销服一体化智能网络,以全域智能化应对行业周期挑战。

5个人,10天!源光宝在广东韶关装完一个 471.6kW的屋顶阳光棚,重新诠释行业速度!来源:源光宝 发布时间:2026-10-28 10:15:01

本文介绍了源光宝公司在广东韶关泓图生物科技有限公司厂区实施的471.6kW工商业屋顶阳光棚光伏项目。该项目由广东汉辉能源工程有限公司总承包,采用源光宝新一代BIPV光伏支架系统,配置720片655W高效组件。面对混凝土平屋顶对防水性、承重安全及园区生产连续性的严苛要求,方案聚焦三大核心挑战:一是兼顾屋面高利用率与无损防水保护;二是满足5人小团队在10天内完成全部安装的高效施工需求;三是确保支架系统在韶关高温高湿环境下实现25年耐久防腐。通过结构防水一体化设计、化学锚固无损基础、全装配免焊工艺及锌铝镁高强钢材料等创新举措,项目实现了快速交付、零渗漏风险与长期低维护,同步提升了发电效益、建筑功能与投资回报率。(198字)

12.66 GW:南澳一次性招标相当于现有装机1.7倍的风光容量来源:国家能源小数据 发布时间:2026-10-23 09:14:28

南澳州于10月18日公布Whyalla West土地释放区可再生能源项目招标结果,四家中标企业将开发总计12.66 GW风光装机,规模达该州现有风电与光伏总装机的1.7倍。项目集中布局于Whyalla以西超1.1万平方公里牧区,以风电为主(占97%),仅含0.36 GW光伏,契合当地钢铁产业对夜间稳定绿电的需求。中标方获5年期“可再生能源可行性许可”,可开展技术、商业及环境研究,但须另行申请建设许可,体现“先供地、后审批”的两段式管理机制。此举旨在联动土地供给、许可制度与工业负荷,推动绿色钢铁重启;当前尚无确定用电主体,属前瞻性布局。伴随南澳2025年可再生能源发电占比已达77.1%,该招标是其实现2027年100%净可再生目标的关键一环,也凸显输电与并网能力将成为后续发展瓶颈。(199字)

一座车棚里的零碳密码!周云杰带你看懂海尔园区怎么“算碳账”来源:海尔 发布时间:2026-10-21 15:37:17

本文介绍了海尔零碳园区的实践路径与核心逻辑。周云杰以园区车棚为切入点,揭示其作为“最小单元”所集成的光伏、充电、储能及AI微电网调度功能。文章指出,零碳园区建设的关键在于精准“算平两本账”:一本是能源消耗产生的碳排放(支出),另一本是可再生能源发电所获绿证(收入)。针对工业碳排放高度集中于产业园区的现实难点,海尔提出“源—网—荷—储—AI”五位一体解决方案,依托“纳晖”能源互联网平台实现能源智能管理与动态平衡,并配备三级安全防护机制。该模式已在国内试点落地,并推广至海外18个园区、服务超700家企业,强调零碳本质是能源的精细化、市场化与价值化运营。(199字)

看,光伏板下的动物世界来源:中国华电 发布时间:2026-10-10 09:59:40

光伏板下生机盎然:常州渔光互补养蟹虾鲥鱼,天津盐光互补成候鸟驿站,崇明“渔光旅”打造清水蟹“光伏别墅”,红原高原光伏牧场实现牦牛放牧与发电共生。科技赋能生态养殖,一地多用、多方共赢,奏响乡村振兴绿色协奏曲。

光在,路就在!从《假如三国有光伏》看见清洁能源的时代答案来源:正泰安能 发布时间:2026-10-10 09:35:12

如果那个时代拥有了今天的光,历史将会怎样?10月5日,正泰安能首部自制AI微电影《假如三国有光伏》正式上线,将现代能源技术与经典历史故事巧妙融合,重新诠释光的时代价值。截至目前,微电影累计播放量近25万,不少观众被这份跨越古今的“光之畅想”打动,纷纷在评论区留言点赞。故事背景虽然设定在三国时期,但影片回应的却是跨越时空的共同命题:对美好生活的向往、对国泰民安的期盼,以及对持续发展的探索。在“三顾茅

“电算师”面世!新一代售电经营决策系统,让每一度电的经营更聪明来源:中华网 发布时间:2026-10-09 15:27:54

“电算师”是由法拉第能源科技(上海)有限公司推出的面向售电公司与用电企业的新一代经营决策系统,旨在应对电力市场化改革深化背景下行业从“赚价差”向“管风险”“做灵活性”的转型需求。平台以负荷、电价、持仓、套餐、响应五大环节为核心,构建“看得清、签得下、调得动”三条能力主线,形成预测—策略—执行—复盘的完整经营闭环。其核心能力涵盖可定制化负荷与电价预测、内部需求响应调度、自定义零售套餐设计,并贯通零售侧全流程、多品种电力交易及绿电采购全周期。平台助力售电公司实现经验沉淀与组织能力建设,赋能用电企业将分散的灵活资源转化为可变现收益,强调数据真实、操作可溯、权责清晰,致力于提升电力经营的智能化、系统化与可持续性。(198字)

碳足迹服务商是做什么的?一文讲清碳足迹服务商的服务范围和选型要点来源:阳光慧碳 发布时间:2026-10-08 16:49:16

本文系统梳理了碳足迹服务商的核心职能、服务范围及选型逻辑。在欧盟CBAM实施和国内碳足迹标识认证加速落地的背景下,碳足迹已成企业出海与绿色转型的关键合规工具。文章指出,服务商主要分为认证核查型(如SGS、中环联合)、技术平台型(如阳光慧碳)和咨询服务型(如思誉碳探、碳为科技)三类,服务覆盖“算碳—管碳—减碳—交易”全链条,包括产品/组织碳核算与认证、供应链碳管理、减排方案设计、碳资产开发及数字化平台建设六大板块。选型需综合评估资质权威性、行业经验、数据能力、全链路服务能力与价格透明度五大维度。文末还结合不同企业需求,推荐了六家各具优势的代表性服务商,并强调优质服务商应助力企业将碳管理从合规成本转化为可持续竞争力。

光伏产线+组件库存打包法拍!河北一新能源企业资产处置来源:索比光伏网 发布时间:2026-10-08 09:04:46

河北精宇泰新能源科技有限公司因债务问题,其位于邯郸市涉县经济开发区的资产将于10月8日进行网络司法拍卖。本次拍卖标的共461项,分为生产设备(173项)与库存物资(288项)两大类:前者包括2020年购置的复合杆塔生产线、光伏生产线及配套设备;后者涵盖光伏板、光伏组件、光伏配件、动力柜等生产物料,以及电脑、办公桌等办公资产。整体起拍价为317.68万元,竞拍保证金为60万元。该公司成立于2020年5月,主营业务为光伏与风电设备制造销售,并延伸至通信工程、新能源项目开发运维及信息技术咨询等领域。此次资产处置系企业进入司法执行程序后的强制变现行为。

阳光水面光伏漂浮式光伏系统技术解析:从浮体材料到锚固系统的全维度能力来源:阳光电源 发布时间:2026-09-30 16:16:05

本文系统解析阳光水面光伏科技股份有限公司(Sungrow FPV)的漂浮式光伏(FPV)全栈技术能力。随着FPV项目迈向吉瓦级规模化,行业关注重点已从单一浮体成本转向涵盖浮体、锚固、电气集成、环境适配与全生命周期运维的系统级能力。文章围绕六大核心子系统展开:采用自研HDPE浮体,具备25年设计寿命、90%以上回收率及抗风40m/s等高性能,并严格遵循T/CPIA 0016—2019等行业标准;锚固系统提供多地质适配方案,获DNV认证,牵头制定全球首个漂浮光伏锚固标准T/CPIA 0056—2024;电气系统集成专用逆变升压浮船与双面组件,提升水面反射增益至10%–13%,并强化高湿、盐雾防护;方案覆盖水库、沉陷区、台风区等五大水域场景;结合4.3GW全球累计装机、340+项目经验及11国本地交付能力,从技术、经验、标准、服务、经济性与ESG六维度展现其GW级系统供应商综合实力。(199字)

工厂光伏系统选型实录:从安装到运维的全程避坑指南来源:阳光电源 发布时间:2026-09-29 10:16:15

本文是一篇基于真实工厂光伏项目经验撰写的实践指南,聚焦工商业光伏系统从决策、选型、施工到运维的全流程关键节点。作者以自身安装经历为线索,强调服务商专业性(如现场勘测细致度、数据支撑方案)比参数对比更重要,并推荐阳光电源SG系列逆变器——以SG110CX和SG150CX为例,突出其高转换效率(最高98.8%)、多路MPPT设计、智能故障诊断与IP66防护等实用优势。文中还指出施工需选择具备闭环管理能力的团队,并建议委托服务商代办并网手续;运维阶段则依赖智能化监控平台实现远程诊断与主动预警。项目实测月均电费下降超40%,预计4年回本,后续可稳定收益十余年。全文倡导以本地同行实操经验为选型核心依据。