[物理史] 貝爾實驗室示範了第一個實用的矽太陽能電池

貝爾實驗室示範了第一個實用的矽太陽能電池
國立臺灣大學物理學系 楊信男教授、蕭如珀
（譯自APS News，2009年4月）

傅勒將硼注入矽中，製成全球第一個太陽能電池。

可以將陽光轉換成電流的太陽能電池開始出現於一百多年前，但早期的太陽能電池效率太低，所以並無多大用處。 1954 年 4 月，美國貝爾實驗室的研究員才示範了第一個實用的矽太陽能電池。

太陽能電池的故事要追朔到 1839 年早期光生伏打效應的觀測，法國物理學家安東尼．貝克勒（Antoine Cesar Becquerel）之子，物理學家亨利．貝克勒（Henri Becquerel，因發現放射線，於1903年獲得諾貝爾物理獎。）之父的亞歷山卓．貝克勒（Alexandre Edmond Becquerel）當時以金屬電極置於電解溶液中做研究，發現金屬若暴露在陽光下，會產生小小的電流，但他無法解釋此效應。

數十年後，於 1873 年，英國的工程師史密斯（Willoughby Smith）在測試水中電報電纜的材料時，發現了硒的光電導性。1883 年，美國發明家弗力茲（Charles Fritts）以硒做出了第一個太陽能電池。雖然弗力茲希望他的太陽能電池可以和愛迪生的火力發電廠競爭，但太陽能電池將陽光轉換成電的效率低於1%，因此並不實用。硒的光生伏打性研究之後又持續了好幾十年，其間發現了幾個實際的應用，但並未能廣泛使用。

太陽能電池科技接下來最主要的進展是在 1940 年，由一位在貝爾研究室的半導體研究員歐爾（Russell Shoemaker Ohl）所研究出來的。歐爾當時一直在研究矽樣品，其中有一個中間有一裂痕。他注意到當那個特別的樣品暴露在陽光下時，電流會通過去。那個裂縫可能是樣品製造時形成的，它實際是含不同程度雜質的分界線，因此裂縫的一邊呈現陽性摻雜，而另一邊呈現陰性摻雜，亦即歐爾不經意地做了一個 p-n 接面，是太陽能電池的基本原則，過量的正電荷聚集在 p-n 接面的一邊，而過量的負電荷則聚集在另一邊，造成了電場。當太陽能電池接到電路上時，入射到電池的光子就會踢電子一下，啟動電流。歐爾將他的太陽能電池申請了專利，它大約有 1% 的效率。

第一個實用的矽太陽能電池於 13 年後，由一群貝爾實驗室的科學家合力研發出來。

1953 年，曾在貝爾實驗室研究磁性材料的工程師喬賓（Daryl Chapin），正試著為偏遠潮濕地區，因乾電池電力消失過快的電話系統發展新電源。喬賓研究了幾種替代的能源，最後選擇太陽能為最有希望的能源之一。他試用硒太陽能電池，但發現它的效率太低了。

在這同時，化學家傅勒（Calvin Fuller）和物理學家皮爾森（Gerald Pearson）正在研究以添加雜質來控制半導體的性質。傅勒給皮爾森一個含有鎵雜質的矽片，皮爾森將其浸在鋰溶液中，吸附鋰後就形成 p-n 接面。皮爾森之後將電流計接到此矽片，對它照射陽光，令大家吃驚的是，電流計明顯地跳升。

皮爾森知道喬賓做過的研究，所以去告訴他的朋友，不要再浪費時間在硒太陽能電池上，所以喬賓立即轉而採用矽。

這三位科學家於是花了幾個月，為改進他們的矽太陽能電池之性質共同努力。他們碰到的一個問題是，要製造出能與矽電池接頭良好導電之電極很難；另一個問題是，在常溫下，鋰會隨著時間在矽中移動，讓 p-n 接面距離進來的陽光更遠。為了要解決此問題，他們試著使用不同的雜質，最後選用砷和硼，可以造出停留在表面附近的 p-n 接面，他們還發現電極可以與硼-砷矽電池有好的導電接觸。所以在設計上做一些其他的改進之後，他們就將幾個太陽能電池連結在一起，創造出他們所稱的「solar battery」（太陽電池）。

貝爾實驗室於 1954 年 4 月 25 日在美國紐澤西州的牧瑞丘（Murray Hill）宣布此發明，他們示範了他們的太陽能電池板，用它來轉動一座小的玩具摩天輪，和一個以太陽能發電的無線電發報機。

最早期的矽太陽能電池將太陽能轉換成電的效率大約有 6%，與之前的太陽能電池比起來是極大的進步。

《紐約時報》評論說，矽太陽能電池「可能標記著新時代的開始，最終會實現人類最渴望的夢想之一，即利用幾乎無限量的太陽能於人類的文明上。」

最初的矽太陽能電池製造費用昂貴，而早期要將它商業化，一開始也並不是很成功，但在幾年間，太陽能電池即普遍用以供應人造衛星所需的電力，之後也應用於其他的用途。

喬賓很快地簡化了太陽能電池的製造過程，甚至還為中學生開發了太陽能電池科學的實驗。喬賓、傅勒和皮爾森於 2008 年被選入美國國家發明家名人堂。

現在，太陽能電池已可用在各種設備上，從手持的計算機到屋頂上的太陽集能板。設計的改良，加上先進的材料，現在已可以建造效率超過 40% 的太陽能電池。太陽能電池的研究發展仍持續著，目標朝向降低成本，提升效率，以讓太陽能發電比化石燃料更具競爭力。

原文刊載於物理雙月刊2013年4月號35卷第2期，感謝楊信男教授同意授權刊載。

系列文章100篇已集結成冊，由五南出版，書名為《物理奇才奇事》。