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玻璃上的光芒---第一太阳能发展史

发表于:2013-12-05 10:22:34     来源:雪球
 
 
这一想法在当时并未受到主流学界的重视。Gerald那个时候已经是行业的泰山北斗,统领光伏行业各大门派。作为一个标准的半导体人,他认为光伏组件本质是一块半导体,玻璃和封胶只是保护半导体的封装结构而已。而Harold看来,他过去20年做的玻璃,不是镀增透膜就是镀反射膜,光伏组件只是镀了吸光膜的玻璃而已。事后的发展证明,Harold的观点更为贴切。因为半导体产品基本都放置在室内应用,而玻璃才需要在户外风吹雨淋,以做玻璃产品为出发点做太阳能产品似乎更为贴切。

在美国国家新能源实验室(NREL),Haroldlicense了他们研究最成熟的薄膜硅技术,融资1千2百万美金成立了GlassTechSolar公司。然而Gerald对基于薄膜不定型硅的PN结结构的评价一针见血:danglingbonds导致缺陷态太多,大大影响了光电转换效率,Harold本身对半导体器件工作原理又不太了解,以至于公司成立了几年,连一片像样的样品都做不出来。

然而,这个世界上,任何努力都不是白费的,哪怕是失败也是有收获的,Harold的收获,就是发现了一种新的光伏材料:碲化镉。

要说这碲化镉并不是什么新鲜事物。早在Gerald和Shockley60年代研究各种半导体光伏材料的时候就提出,单节光伏电池要想接近Shockley-Quessier极限,最好的能带间隙应该在1.5电子伏。经过研究,大家发现碲化镉最接近这一数字,从60年代GE就开始研究这种材料。一直以来,由于碲化镉n型掺杂的困难而进展缓慢。

这一切在1981年得到了解决。华裔科学家田元生博士在柯达北美研究所提交了自己的专利(US4207119 A),首先提出通过近距离升华法(CSS)在透明导电玻璃上沉积n型硫化镉和p型碲化镉得到高质量碲化镉光伏电池。这个解决方案在器件层面如此的优雅,一举解决了碲化镉n型掺杂的困难和高质量薄膜制备的困难。并且异质结的能级排列还可以进一步提高光电转换效率。果不其然的是,和过去大家得到的3-4%的效率不同,田博士一举获得10%的转换效率。不过可惜的是,田老兄限于CSS量产的困难并没有坚持下去,若干年后回中国大陆搞起了OLED。

然而,田博士的研究激励了更多的科学家,其中包括他的同胞,碲化镉泰山北斗级人物朱挺教授。朱教授在南佛罗里达大学教书,是科班半导体出身,很快发现了田博士方案的美中不足:硫化镉不透明而呈浅黄色,大大影响了转换效率。朱教授通过减小硫化镉厚度和优化透明电极的方法得到了16%以上的转换效率,至此,碲化镉光伏电池已经快追上传统晶硅电池的性能了。

这一切都被Harold看在了眼里,他知道他的机会来了。向朱教授和其同事经过充分调研和学习后,他发现,传统的CSS近距离升华工艺对研发是一个很好的工具,但是并不适合量产,速度太慢质量也不好控制。在玻璃上大面积快速均匀镀膜的技术成为碲化镉薄膜太阳能电池是否能商用化的关键。而这正是Harold钻研一生的技术。

而这时,薄膜太阳能板最关键的技术之一,TCO导电玻璃,已经在PilkingtonGlass公司开发出了成熟的产品。

于是,这个1989年凤凰城的夏天,Harold找来了过去投资GlassTechSolar的投资人,把之前的投资资金大部分还给他们,说我要关掉这个公司,重新成立新的公司做碲化镉光伏电池。在讲完此技术的发展历程之后,Harold成功融资1千5百万,和好朋友JimNolan共同成立了SolarCell, Inc请来朱挺教授做高级技术顾问,专注于碲化镉薄膜的商用化产品开发。

遵循自己的设想,Harold首先专注在碲化镉镀膜工艺和设备开发上。CSS的限制在于材料升华沉积的速度太慢。根据自己多年经验,他决定使用气体喷涂的方法,即在一个腔体内将碲化镉微小粉末充分混合均匀,然后通过气体(carriergas)将其搬到基板上喷涂附着。这有一点借用喷墨打印机的原理。这样的工艺听起来简单但是实现起来及其困难。耗费了大量的时间和精力,终于在90年代中期在手下天才工程师RickPowell的领导下开发成功,Harold管他的工艺叫气相传输沉积(VTD)。

直到90年代末,SolarCell, Inc在工艺量产化和薄膜质量上已经做到世界顶尖。Harold也拿出很多自己私人的积蓄用于公司技术研发,他甚至请来了老朋友Pilkington,花巨资和PilkingtonGlass合作开发世界上最好的透明导电玻璃。然而,由于当时前端工艺和封装工艺的技术限制,公司的样品效率始终在7%左右,在实际应用中不具有成本上的吸引力。
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