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阳光三十年 Sunpower发展之路

来源:雪球发布时间:2013-11-02 23:16:17
作为科班出身的光伏人,谨以此文向那些为了人类能源可持续发展贡献自己才智和心血的科学家,工程师,企业家,以及所有相关的人致敬。本文不可作为股票投资参考依据。资料来自多年整理,积累自业内访谈,学术论文,行业报告,同行吐槽和网络信息。

在过去30年太阳能行业轰轰烈烈的发展历程中,Sunpower不是第一家光伏公司,也不是增长最快的,更不是实力最强的,但是谁都不可否认,他是谁都不可忽视的标杆性企业,他开创了光伏发电普及的时代。因此回顾它的历史,也是对太阳能普及时代这三十年的一个见证。本文旨在介绍,这个公司为什么重要,他有什么样的地位,他对光伏行业乃至能源行业产生了什么样的影响。

要想知道什么是光伏,一切都要从1905年说起。

1905年初春的瑞士依旧很冷。在伯尔尼街头的咖啡馆里面,一张桌子上摆着四篇论文。一个头发蓬乱的年轻人一口一口的喝完手中的咖啡,拿起最上面一篇看了看,放到信封里寄给了德国物理学报。后来他因为这篇文章拿到柏林大学物理系教授教职并且获得1921年诺贝尔奖。这个年轻人的名字叫艾尔伯特爱因斯坦,他的这篇论文叫《光的发生和转化分析》。他当时还没有意识到,这个发现在20世纪80年代给世界带来了一场能源革命。

自从1839年法国摄影师,工程师Alexandre发现光照通过特殊材料会产生电流以来,人们一直对神秘的光电效应充满了好奇。直到1905年这其中的原理才被爱因斯坦利用量子理论解释清楚:光子和电子作为粒子其能量是可以进行离散式的交换的。其量级是一个最小值的整数倍。

这一伟大的发现让刚刚进入电气时代的人类社会激动不已,尤其是学界和工业界。长期以来基于卡诺循环驱动的发电机慢慢占据了整个世界。已经有不少富有远见卓识的物理学家和发明家已经发现,化石燃料(间接太阳能)对人类能源需求的支撑时间尺度是无法和直接利用太阳能能相比的。而如果利用光生伏打效应导出电流,就可以得到及其理想的能源转化系统。
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然而,这一理想让学界和工业界努力了50年。


1953年的新泽西的夏天永远是那么的凉爽。在贝尔实验室一间毫不起眼的办公室里,有个身材瘦长的中年人盯着一块黑板很久了。他的名字叫Gerald Pearson,研究光伏效应已经有5年了。那个年代这个研究课题可不新鲜,毕竟爱因斯坦先生的文章已经广为传播,谁都想做出一些有实用前景的东西。和其他人不一样的是,Gerald对在新的系统里观察光伏效应没有什么兴趣,他认为真正有意义的研究是实际的应用。根据他过去5年的研究结果,在半导体里面获得的光伏效应才可以稳定输出电功率,而地壳中含量第二名的硅元素正是新兴的半导体行业中最常用的材料。因此使用硅材料的太阳能电池成为他的研究重心。几个月前刚刚拜访过爱因斯坦,老人家已经顽疾缠身,长年专注大一统理论的研究。不过最终他还是告诉Gerald说:想想普朗克,布洛赫,想想布里渊。他们的研究对你会有帮助的。回到办公室,Gerald和他的老同事William Shockley经过简单的计算,发现硅太阳能电池的效率理论极限高达29%,铺满亚利桑那一半的沙漠就可以给全球供电。(后来Shockley和Han Queisser进一步推导单结太阳能电池理论极限为33.7%)这一结果更加增进了Gerald的信心。

那个时代大家对2维衬底的均匀半导体掺杂还不是很熟练,这样的大面积功率器件很不好制造。Gerald苦思良久,使用了furnace diffusion的方法,高温将P,N杂质通过气相扩散掺入2寸硅片,获得了高质量的大面积PN结。终于在1954年作出世界上第一片基于硅半导体的太阳能电池,获得了6%的光电转换效率。而在这之前,所有的太阳能电池效率都无法超过0.5%。14年之后,Gerald的师侄Bob Noyce使用了类似的办法作出2维逻辑电路,降低了印刷电路成本,创立了一家公司叫英特尔。

这一进步无疑是在黑暗中的一道闪电,突然大家都有了前进的方向。于是美国人,苏联人,日本人和法国人纷纷加入这一行列,太阳能电池效率从1957年的6%一路上扬到70年到中后期的14%。

然而真正的富有远见的人是Gerald,他知道,问题还很多,距离实用还很远。于是他辞掉了贝尔实验室舒适的工作,搬到了西海岸,在斯坦福大学当起了教授,专注于研究硅太阳能电池的商用化研究。

斯坦福大学是个藏龙卧虎的地方。在1960年加入后Gerald又招聘了James Meindl教授。两位世界二次工业革命浪潮中的工程师家庭出身的背景使得他们对理论和相关技术开发实用性的结合异常敏感,对漂亮的实验数据和数学推演都有一种天生的洞察力和穿透力。他们在太阳能光伏技术方面的研究合作更把这个技术向实用化推进了一大步。

1969-70年两位老师招收了两个学生:TJ Rodgers和Bob Swanson。TJ是个大个子+运动狂,看问题直奔主题从不拖泥带水;而Bob则是一副学者风范,善于深挖物理图像,分析探讨问题韧性十足。两位同学当时研究的是类似的问题: 电子电路越来越复杂,如何改进工艺做出功耗更低或者说能量利用效率更高的电子器件呢?大方向上,集成电路(Integrated Circuit)看起来是个答案,但是这个答案没有给大家任何具体操作的方向。

两位同学的兴趣侧重不同,TJ专注于逻辑器件,如SRAM, EEPROM等。而Bob则一直专注于老师Gerald一生的热爱:硅基太阳能电池。那个年代,大部分硅基半导体的前端工艺和封装理论都在慢慢成熟。掺杂,光刻,绝缘层,Metallization都已经渐渐不是问题。因此TJ渐入佳境,在Gerald,James和师伯William Shockley的指导下做出一系列优秀的可商用技术。为计算机的计算速度提升作出了重大贡献。

然而,他的师兄Bob遇到了很多困难。因为大部分硅基半导体器件和工艺设计的方向都是高集成和低功率的方向,而太阳能电池作为功率半导体器件,不太容易被CMOS工艺的进步所帮助。有些看上去可用的工艺如果应用在太阳能电池上只能是个成本噩梦,无法实用。

1975年间,合作了5年多的师兄弟各奔前程。TJ去工业界,Bob留在斯坦福当教授。临走的时候TJ说:“Bob,你在做一件困难但是伟大的事情,如果将来需要我帮助,给我打电话。”

  而这一个电话,26年之后才响。

75年-85年是硅谷蓬勃发展继而震惊世界的年代。一群带着啤酒瓶底眼镜的书呆子们带大家进入了第三次工业革命。TJ在加入一间半导体公司工作数年后自己创立Cypress Semiconductor专功集成电路配件已经赚得盆满钵满名动天下。

而Bob还在斯坦福安安静静的做教授,他的收获虽然不小,但是知道的人并不多。他已经明白了硅基太阳能板成本居高不下效率离理论值相去甚远的主要原因主要在器件设计和后端封装工艺,比如电连接结构,比如面板和背板玻璃,比如大面积功率器件的current crowding问题。
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