“实践一号”卫星空间硅太阳电池研制亲历人回顾

导读： 在那个各国都在用刚开始研究空天科技的年代，人类的科技树是圆形的而非现在的线型结构。各个领域的材料要突破，设备要自主研发，往往需要举国之力共同完成。

编者按：致敬所有光伏的前行者，开拓者和奋进者。

执行这项秘密任务已过了半个世纪。—中科院半导体所306组

“我要推动世界普及光伏发电。”——Richard Swanson，Sunpower创始人

“叠瓦组件一定是未来五年的主流。”——沃特维董事长，赵丹

 1967年 北京 代号“651”&圆形的科技树

这是29岁的王占国在中科院半导体所工作的第五年。1967年五月的一天，他受国防科工委14院的委托，执行一项科研任务，月底，他与同事一道，本赴上海。

任务代号：“651”。

任务内容：为“651”任务研制光伏电池，协助中国空间技术研究院发射卫星。

1965年8月，周总理主持中央专委会议，原则批准了中国科学院《关于发展中国人造卫星工作规划方案建议》确定将人造卫星研制列为国家尖端技术发展的一项重大任务。并确定整个卫星工程由国防科委负责组织协调，卫星本体和地面检测系统由中国科学院负责，运载火箭由七机部、卫星发射场由国防科委试验基地负责建设。因是一月份正式提出建议，国家将人造地球卫星工程的代号定名为“651”任务。全国的人、财、物遇到“651”均开绿灯，这样中国卫星就从全面规划阶段，进入工程研制阶段。

国防科工委提出，希望用太阳能作为动力，让卫星能够长时间持续运行。

此时用太阳能发电对于当时各国而言都是前沿领域，何况一个建国后百废待兴的中国。完全零基础的中国产业为此已经预热了10年。

1955年夏，林兰英，这位日后被称为中国半导体材料之母、中国太空材料之母的传奇科学家，成为宾夕法尼亚大学建校115年来的第一位中国博士，也是该校有史以来的第一位女博士。学习期间，适逢美国贝尔实验室的物理学家运用固体物理理论解释了半导体现象，并与冶金技术结合制成了世界上第一块半导体锗单晶，轰动了全世界。正在学习固体物理的林兰英，迅速发现这项研究对国家战略的巨大意义，开始了对半导体材料的研究。

之后，她被聘为从事半导体科研工作的索菲尼亚公司高级工程师，成功地介入了拉制第一根硅单晶，又为公司申报了两项专利，论文陆续在权威学术期刊上发表，公司三次提高她的年薪，另一家半导体公司开出更高的价格，想挖走林先生。面对种种优惠条件和常人梦寐以求的诱惑，林先生冲破重重阻挠，于1957年毅然回国。她的积蓄全被美国当局扣押，回国后已经身无分文，却带回来价值20多万元的500克锗单晶和100克硅单晶，无偿地赠给了中国科学院。

当时中国的半导体研究才刚刚起步，在苏联专家指导下，中国制定了《全国十二年科学技术发展远景规划》。美国学者曾断言，中国要到60年代才能着手于半导体单晶材料的研究，但王守武，廖德荣，姜文甫等在林兰英协助下，于1957年11月拉制了中国第一根锗单晶。1958年秋，林先生用从国外带回的硅单晶做籽晶，拉制成功了中国第一根硅单晶。到1962年秋，林先生悉心指导科研人员，利用自行设计制作的硅单晶炉，拉制成功了无位错的硅单晶。

林兰英先生

在有了基础材料后，现年99岁的汤定元院士在1960年组建了硅太阳能电池研究组，1965年，半导体所306组黄景森，顾逢庚，江明洛，黄运衡， 陈宗圭，周增圻，李丽萍，梁基本，潘荣俊，彭明忠，孙殿照，孔梅影，钱福元及一室等有关人员使得 p+/n (n-衬底)硅太阳电池达到国际先进水平15%左右。

在那个各国都在用刚开始研究空天科技的年代，人类的科技树是圆形的而非现在的线型结构。各个领域的材料要突破，设备要自主研发，往往需要举国之力共同完成。

1985年 美国加州圣何塞 为科技而生的顶级血统

斯坦福教授Richard Swanson做了一个决定：接受能源部的研究基金，在做出20%效率的光伏电池样品后，成立了一间叫做Sunpower的公司。

熟悉Richard Swanson的人一般称其为“Bob”。随后，他写信给他的恩师James和Gerald：“我要推动世界普及光伏发电。”20年后，这句话被另外一个梦想家引用，他的名字叫埃隆马斯克，在那一年创办了Solarcity。

导师Gerald是光伏产业发展史上最重要的大牛之一，曾向爱因斯坦寻求智慧，于1954年在贝尔实验室工作时研制了最早的硅基光伏电池，将光伏效率从不足0.5%提升至6%，也奠定了硅基光伏电池的主流方向。也是因为如此，全球才掀起了研究光伏电池的热潮，美苏日法等国均加入光伏电池的研究中，并希望将其用于航天产业，也正因如此，才有了中国的“651”任务。

这种科技界最顶级的“血统”，让Sunpower一开始就走的“科技流”打法，在高效电池组件方面一直全球领先。Sunpower一直是最受业界尊敬的科技企业之一，不走寻常路，只为高效而生。

2012年苏州 你好，理想

距赵丹退出江西瑞晶已经有一年时间。77年生人的赵丹家庭条件优渥，读完MBA后，看到光伏产业潜力，于2007年10月开始与股东们筹建瑞晶。2009年3月，江西瑞晶投产，2011年拟上市前夕，赵丹拿了一笔钱退出。

“退出是半主动的。”赵丹说。但心里还是有点不舒服的他原本想再建一个光伏电池企业。2012年赵丹在常熟拿了块地后，却因缘际会遇到了沃特维的研发团队。

这是一个原来做半导体产业的技术团队，从事光伏研究五年后，遇到了美国和欧盟对中国光伏进行双反，面临整体裁员转行的局面。赵丹觉得双方聊得很投契，决定拉这个团队一把。“当时几百万就可以控股。”这对彼时赵丹的身家来说不算什么，但他为了团队的积极性，并没有选择这么做，而是选择了共同创业，共献资源，共同努力打造新的创新型的团队。

沃特维有了资金支持后，开始把技术从实验室导入到生产线上，成为当时整个中国光伏设备圈里面最后一个做串焊机的设备商。但沃特维成长很快，在2年之内打牢根基，第三年即拿到了当年出货量第三的业绩。

1967年5月底 上海 初见叠瓦

空间光伏电池有两个特殊要求：耐久与高效。能耐得住高能宇宙射线的辐照，同时能在有限的面积内尽可能多发电。

王占国等人在做硅太阳能电池辐照和质子辐照实验时发现，在1MeV电子辐照下，n+/p低阻电池比p+/n电池耐辐照20-30倍， n+/p高阻电池比n+/p低阻电池耐辐照4-5倍。6-8MeV质子辐照n+/p低阻电池比p+/n电池耐辐照5倍左右。供空间使用的硅光电池要选用 n+/p电池，最好用高阻的 n+/p电池。

在1967年年底召开的电池定型会上，这个结构正式被“651”任务采纳。

而组件的设计，当时国际上通用的有两种方式：平板结构和叠瓦结构。但两种结构作为空间电池来说都有缺陷：平板结构电极容易损坏，叠瓦结构可靠?性较差，工艺复杂。

于是，黄运衡和 江明洛等研究人员创新地设计出了一种“搓板式”结构，结合了叠瓦与平板式的结构，每一条有10块电池串联构成，后一片电池背面压在前一片电池主栅上，具备叠瓦扩大电池片受光面积的同时，减小了串联电阻，也解决了电极保护问题。

科研团队还出了点小意外，王占国手臂被辐照晒伤，直到半年之后才痊愈。

2001年 美国加州圣何塞 十六年后，谷底重逢

此时距离Richard Swanson创业已经过去16年。即使在早在1992年就做出了17%的量产高效电池，但与硅谷半导体产业飞速发展对比，无人问津的光伏发电产业显得非常“落寞”。据说里根总统甚至在1986年拆除了白宫屋顶的光伏组件。

这十六年间，他被硅谷屡次拒绝，找过BP等石油公司，都以失望收场，90年代石油价格飙升，许多政府意识到需要有一种新的能源来削弱石油的统治地位，降低风险。许多机构和政府开始买一些Sunpower的产品，这时Sunpower和本田合作的光伏电动车在比赛中收获冠军，也让其在专业领域声名大噪。1997年，克林顿也提出“百万屋顶”计划，天合CEO高纪凡就于此时进入光伏业，但后续美国政府仍然是雷声大，雨点小。

2001年，公司现金流捉襟见肘的Richard Swanson在创业16年后，于最谷底找到了同窗，毕业后去半导体领域发展的T.J. Rodgers。此时这位师弟已经是赛普拉斯半导体公司总裁兼CEO，他发现Sunpower的技术已经非常成熟，只差大规模生产降低成本。于是他写了一张75万美元的支票给Sunpower，助其实现规模化生产，随后说服董事会，为Sunpower争取到了800万美元的投资，将成本大幅下降，赛普拉斯半导体公司同时向SunPower提供其在技术开发和大批量生产方面的技术专长。

2003年，Richard Swanson邀请Silicon Light Machine (Cypress Semi光学分公司)CEO，德国人Tom Werner 担任公司CEO，自己退居二线专管大方向，而Tom Werner主要负责将公司产品成本进一步压缩，T.J. Rodgers同时也兼任Sunpower的董事长。

2004年Sunpower发布了当时世界上效率最高的低成本硅太阳IBC电池A-300，效率超过20%，相比之下，当时量产光伏电池的效率仅为12%-15%。

导读： 在那个各国都在用刚开始研究空天科技的年代，人类的科技树是圆形的而非现在的线型结构。各个领域的材料要突破，设备要自主研发，往往需要举国之力共同完成。

至此，Richard Swanson十六年的“苦难”过去，迎来开挂的人生。2004年1月1日，德国颁布《可再生能源法》，这一年Sunpower第一座光伏电站在德国巴伐利亚州上线。

2005年，Sunpower于美国上市。

写到这里，笔者想起常做的感叹，不看这些苦兮兮的创业者，你就体会不了施罗德的伟大，德国人给全世界带来怎样的贡献。

基因中对于高效率的追求，让Sunpower除了一直都是世界最高效电池的生产商之外，还对任何提高电池与组件效率的技术感兴趣。所以也引出下面出场的企业——Cogenra Solar，其发展经历是个悲喜剧，研发方向不对导致企业经营不善，但却意外的开发了叠瓦组件的密集单元互联(DCI)技术，后来“卖身”给Sunpower却因为在此前曾四处寻找买家而使得现在叠瓦的专利即使在美国企业之间，也是乱成一锅粥。

2018年 苏州升维打击

2015年，沃特维在串焊机市场排名第三，利润不错。但这群搞半导体的技术咖们是不会安于光伏产业的现状的。“对于我们这样的一家规模小，名气不响亮的光伏组件设备供应商来说，要进一步发展，必须另辟蹊径，我们只能通过新的路径、新的产业发展方向上领先。那时国外的厂商基本上已经被国内设备厂商挤掉了市场空间，我们已经没有什么可以模仿的了，只有创新才能让我们有出路。我觉得，沃特维最大的竞争力就在于产品战略定位。”赵丹说，“在这方面我们应该是最强的。”

赵丹给沃特维的定位是“小厂”，没有精力去为全部技术路线铺路，于是开始做“减法”，将前面几年的净利润全部投入到叠瓦设备研制中，目标作出全球产业当时都没有的叠瓦组件专用设备。叠瓦是电池片切成五片或六片，沃特维决定第一步从切两片，做半片组件开始，而且一开始就直接跳过了手工阶段，实现全自动。

这期间有大厂找沃特维合作开发MBB，当时他也有点心动，但后来考虑资源和精力实在有限，只能忍痛拒绝。“我们没有能力同时开多个项目，在MBB与叠瓦的选择中我们选择了叠瓦，只有在“单位面积发电量与单瓦成本上都占优的技术才是未来的技术”。“我们人少、资金少，所以只能精准定位。”赵丹说，“我们认为叠瓦组件一定是未来五年的主流。”本身实现了财务自由的赵丹有的是耐心。“但即使这样，三四年的沉寂期肯定是有的。”

作为全新的技术工艺，叠瓦的设备研发科技树同样也是圆形的。叠瓦是一种在自动化方面没有研究过的技术，虽然叠瓦组件很早之前就出现了，但是一直没有实现自动化。苏州沃特维瞄准了叠瓦的方向倾全公司之力铺在这个项目上，一遍遍的看设计方案，一遍遍的选择工艺路线，与行业内几乎所有大厂都做了技术交流，集思广益，斟酌利弊，最终选择了5片的方式开始启动，主要考虑的也是设备成本的问题。

研发人员不只要对设备的研发投入精力，还要对设备所需实现的工艺路线进行把握，这个超出了他们当时的能力。“但是我们坚持了下来。光导电胶的选择我们的研发团队就找了不下20家供应商，对各种不同基底的导电胶进行评估及测试，这对当时的沃特维来讲确实是一个很大的压力，最终从单瓦成本上的考虑我们选择了国内的供应商进行合作。”赵丹感慨创新时的艰难，“但是事实证明我们的选择是对的，光伏设备路线的发展对单位面积发电量与单瓦成本的追求是永恒的。”

虽然叠瓦在起步的时候没有立即推开来，受限于成本及成熟度，但是半片激光划片机这个中间产品在市场中在极短的时间里霸占了整个光伏组件工艺，推广速度之快令人咋舌。半片激光划片机只是沃特维在做叠瓦技术时所有工艺中的一个环节，但是这个环节也给行业带来了震惊，所产生的收益远远大于投入，设备简单实现方便。

1971年3月 甘肃酒泉 发射

1968年7月至11月，中科院半导体所306组团队完成651任务的批量生产，总投片数5690片， 成品3350片，电池成品率为62%。组件经过专门的强化设计，能够承受太空间的高强辐射。

但出于稳妥考虑，“东方红一号”并没有采用光伏这项当时最前沿的技术作为电源，而是用了化学电池。1970年4月24日21点35分，长征一号火箭带着东方红一号奔向了茫茫太空。11个月后的1971年3月3日，基于“东方红一号”的备用卫星，“实践一号”发射。这次，中科院研制的叠瓦组件随之一起登上卫星轨道，同组同时彭明忠、孙殿照到基地见证了卫星发射。

“东方红一号”在太空中工作了28天，而采用光伏电池的“实践一号”，在轨道上运行了8年，于1979年6月17日陨落。通过对硅太阳能电池供电系统、主动式无源热控制系统等长寿命卫星技术的试验，为中国设计和制造长寿命卫星提供了宝贵经验，尤其为卫星的电源、热控制和无线电测控系统的研制开辟了成功的道路。

但对于306组等人而言，完成科技预研后，中科院半导体所的工作就结束了，又将眼光转到下一个方向中去。

而叠瓦技术，在当时因为有保密需要，并没有申请专利，而是作为机密文件被保存起来。该项科技成果最早公开的文字记录是在1977年，在中国科学院档案馆科技成果登记表中，后来解密才得以公开。直到1978年，半导体所才因为当年的重大贡献获得全国科学大会颁发奖状，和荣获中国科学院重大科技成果奖。

2019年 苏州 叠瓦企业背后的男人

这是一个从零开始的项目。激光划片叠瓦工艺中的最大难点，在沃特维做叠瓦之前，市场上的激光划片机速度慢，碎片率高，热影响区域大，没有完整的切割工艺，做完叠瓦后沃特维成了行业内激光的专家。速度问题也困扰了这个项目，但是传统串焊机速度也就在1800片每小时，叠瓦要切5-6片速度只能到300片左右，300片的速度太低了，不能有效降低成本，那这个项目就会失败。

最早向沃特维抛来橄榄枝的是赛拉弗。叠瓦的组件功率可以达到HIT组件的功率而设备投资只有HIT设备的零头。总经理李纲在光伏制造业一线多年，看到叠瓦组件发展潜力，赛拉弗迅速与沃特维展开了合作，并迅速用叠瓦组件占领了海外的高效组件的市场。

从隆基乐叶发布的数据看，相比常规组件，半片组件的功率高3.5%，叠瓦面积多2%，功率高12.5%，同等瓦数下，叠瓦发电量多7%左右。

2018年，光伏产业开始了新一轮的技术升级浪潮。半片与叠瓦技术受到前所未有的重视。赛拉弗、东方环晟、东方日升、隆基乐叶、天合光能、通威、中来、一道新能源、爱康、协鑫、晶澳、阿特斯、钧石等企业都或多或少上马了叠瓦项目。

阿特斯瞿晓铧专门来沃特维考察，有着深厚技术背景的他看到半片组件提高封装效率、减少遮挡损失和降低发热等优点，随即立项，2018年下半年进入量产阶段，2019年批量出货后，阿特斯宣布，不再生产全片组件，以半片为主，叠瓦为辅。

自此，从2014开始叠瓦技术的研究及配套装备研发的沃特维，以7项发明专利、37项实用新型专利和6项软件著作权，作为中国叠瓦工艺及设备发明专利的唯一拥有者，终于迎来收获季：目前半片设备已经出货约600台，占市场80%的份额，叠瓦设备，成为这两个领域当之无愧的第一品牌。商务条件差不多的情况下，客户一定会选择沃特维。

叠瓦崛起之势，不可阻挡，但压力仍然存在，叠瓦，到底是否涉及专利侵权?

叠瓦战局 谁的叠瓦?

很少有一项技术 像叠瓦这样，对产业有这么大的震动，又有这么多的争议。

目前叠瓦技术专利主要集中在Sunpower以及Sunpower与中环、东方电气合资的东方环晟、Solaria、Solarcity以及一众中国叠瓦企业身上。

上文提到的Cogenra Solar在这件事上“功不可没”。该公司在被Sunpower收购前曾与Silevo公司共享，后来Silevo被SolarCity收购，Cogenra在2016年将SolarCity告上法庭，认为Silevo盗用自己的专利技术并申请了多项专利。另外一种说法是SolarCity也曾想收购Cogenra，在做前期尽职调查的时候获得了技术机密，Sunpower认为SolarCity如同埃隆马斯克引用Richard Swanson的理想一样，将叠瓦技术“引用”了。但对这些指控，SolarCity是坚决否认的。

另外一个外国企业是Solaria。Solaria总部位于美国加州硅谷，拥有涵盖材料、工艺、应用、产品、制造自动化和设备等方面的100多项专利。这在笔者看来是一家比较有趣的企业。在组件、支架方面都拥有专利，但并没有量产叠瓦，而是卖了很多授权。曾状告赛拉弗、协鑫，后与赛拉弗取得和解，也把叠瓦技术卖给了一道新能源。而Cogenra曾租用过Solaria的厂房，所以很多事情变得更加扑朔迷离。有消息称，该企业拒绝了对一家取得他们授权的台湾公司请他们在知识产权争议的案件提供支持。

对此情况笔者也没办法判断，只是在咨询专业人士后，提醒国内企业一句：授权者必须承担连带责任，给被授权者兜底，不然可能带来很高的法律风险。

而Sunpower也宣布将于中国市场展开维权行动，也让国内关于叠瓦专利的讨论热议不断。目前通威、赛拉弗、阿特斯等企业也都宣称有完全自己知识产权的叠瓦专利。对于赵丹而言，目前叠瓦的设备专利都在沃特维这里，但他的客户却为之困扰。

据业内人士介绍，目前科研企业为保护自己的利益，在作出稍微明显一点的创新后，都会申请技术专利，即使被驳回，也可以通过申诉后有机会通过取得专利。因此在国内也能见到有企业申请了过万项专利，这其中其实绝大多数都是微创新。

对此应对的办法一般有三种：通过优化设计找到更好的方案，或者花费一些额外的成本绕过专利，以及等待专利过期。目前叠瓦的核心工艺已经过期，主要的专利纠纷在于工艺流程、组件结构和电路排布上面，中国企业通过前两种方式，是有机会在不侵犯Sunpower专利的情况下生产并销售的。以赛拉弗为例，串焊方式与Sunpower的不同。

但达摩克斯之剑仍然悬在中国企业头上，虽然中国叠瓦企业有自信将产品合法的投放市场，但对于美国等市场仍然心存疑虑。“我们主要担心在批量出口时被对手狙击。”一位组件企业技术负责人告诉Solarbe索比光伏网记者，“专利诉讼耗时耗力，一旦战线拉长，即使最后胜诉，但那批组件已经在仓库里呆了太久，对于我们来说，无论结果如何，都是失败的。”

2019年3月 苏州 迟到50年的掌声

吕芳，可再生能源学会光伏专委会秘书长，热心推动产业发展，同时不忘追根溯源，被许多光伏前辈叫做“光伏闺女”。

 吕芳与廖显伯展示保存多年的叠瓦组件

2018年的一天，吕芳受邀参加了中科院老科协半导体分会“芳华之年，赤子之心——揭秘半导体所为我国航天事业做出的贡献”的学术沙龙活动。当廖显伯先生介绍了六十年代半导体所的年青科技人员，在归国科学家成众志先生于1966年2月从“研制卫星筹备工作会议”上领受“651”任务后，奋发努力研制这颗人造卫星的“10公分微波信标机”和以和以黄运衡、周增圻、陈宗圭、潘荣浚为领导骨干的“硅太阳能电池”的研制过程后，吕芳深受感动之余，也发现这是中国乃至全世界最早的叠瓦组件之一，只是因为保密原因，没有被外界得知。而如果叠瓦是一个已经发明了五十余年的技术，那么对中国企业来说是有力的支持。

于是，2019年3月15日，在吕芳的组织下，自国内外相关科研院所、组件企业、设备和材料供应商、电站业主、测试认证机构的400余名行业精英齐聚苏州，就叠瓦技术的工艺、性能、装备、材料、成本以及专利等话题进行了热烈的探讨。

廖显伯先生在会上揭秘了中科院半导体所50年前肩负秘密任务，研制航天用叠瓦光伏组件的经历，也就是上文所说的那些事迹，并拿出了黄运衡保存的一块当年的组件现场演示。

这让国内叠瓦组件的从事着非常振奋。赵丹很是感慨的对廖老说：“要是早点看到您这个组件，我们能在设计上少走很多弯路。”

50年前，大批科研工作者实业报国的理想，全中国人民族复兴的梦想;50年后全球最领先的绿色高科技产业，大国崛起中国制造的代表，在这里跨越时空，交汇一堂。

在主持人沈辉教授的提议下，与会人员全体起立，向老一辈光伏工作者报以长时间的热烈掌声。在漫长的岁月中，这些老一辈科学家的工作无人知晓，但他们的功绩却影响了整个中国乃至世界。

这些掌声，迟到了50年之久。

作者：曹宇