2.重大突破
1940年，著名的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在光伏研究領(lǐng)域登上了歷史舞臺(tái)。一位名叫奧爾的半導(dǎo)體研究員在研究硅樣品時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)樣品中間有道裂痕，他注意到那個(gè)“特別的樣品”暴露在陽(yáng)光下時(shí)電流會(huì)通過(guò)，他認(rèn)為裂痕可能是制樣時(shí)形成的，實(shí)際是含有不同程度雜質(zhì)的分界線。因此判定，裂痕的一側(cè)呈陽(yáng)性摻雜、另一側(cè)陰性摻雜，他在不經(jīng)意間做了一個(gè)p-n結(jié)，是太陽(yáng)能電池的基本原則，過(guò)量的正電荷聚集在其一側(cè)，而過(guò)量的負(fù)電荷則聚集在另一側(cè)，造成了電場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)能電池接到電路上時(shí)，入射到電池的光子就會(huì)“踢”電子一下，啟動(dòng)電流。奧爾將他的太陽(yáng)能電池申請(qǐng)了專利，大約有1%的效率。
1948~1950年，貝爾實(shí)驗(yàn)室利用這種方法提純了鍺，使其可以用于半導(dǎo)體工業(yè)，繼而生長(zhǎng)出多晶硅。1951年，貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出光電轉(zhuǎn)換率只有2%的太陽(yáng)能電池。雖然效率低、造價(jià)高，但科研成果也令世界震驚。
1952年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的約翰·夏夫稱，當(dāng)小范圍使用時(shí)，太陽(yáng)能硅電池的p-n結(jié)會(huì)在晶體表面聚集，它沒(méi)有被當(dāng)做發(fā)電設(shè)備，而是傳感器。
1953年，實(shí)驗(yàn)室的工程師喬賓為給遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)供電，解決偏遠(yuǎn)潮濕地區(qū)電話系統(tǒng)的干電池電力消失過(guò)快問(wèn)題，決意發(fā)展新能源。（之前的電源是燃?xì)鉄犭姸眩┭芯繙y(cè)試了幾種替代能源后，選擇太陽(yáng)能為最有希望的能源之一，但當(dāng)時(shí)硒太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換率過(guò)低，他必須另選道路。同時(shí)，化學(xué)家福勒和物理學(xué)家皮爾森正在研究在功率整流器上的大面積p-n結(jié)結(jié)構(gòu)。福勒發(fā)現(xiàn)，在適宜溫度（如500℃）下，鋰擴(kuò)散進(jìn)入硅并形成大面積的結(jié)，皮爾森將擴(kuò)散后的晶片的兩面進(jìn)行連接后發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)對(duì)光線極其敏感。然而，即使在室溫下，這一結(jié)構(gòu)也能隨著鋰快速擴(kuò)散進(jìn)入硅而適時(shí)改變其電氣性能。福勒隨后開(kāi)始了最早對(duì)于硼擴(kuò)散進(jìn)入N型硅芯片的研究，其需要更高的溫度（約1000℃），產(chǎn)生的p-n結(jié)在室溫下也是穩(wěn)定的。皮爾森之后將電流計(jì)接到此硅片，對(duì)它照射陽(yáng)光，電流計(jì)明顯跳升。皮爾森將這個(gè)喜訊告訴喬賓，讓他不要再把時(shí)間浪費(fèi)在硒太陽(yáng)能電池上，喬賓立即轉(zhuǎn)而采用硅。這3位科學(xué)家用幾個(gè)月的時(shí)間改進(jìn)了硅太陽(yáng)能電池。他們碰到的共同問(wèn)題是，要制造出能與硅電池接頭良好導(dǎo)電之電極很難；且在常溫下，鋰會(huì)隨著時(shí)間在硅中移動(dòng)，讓p-n結(jié)距離進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光更遠(yuǎn)。為了解決此問(wèn)題，他們?cè)囍褂貌煌碾s質(zhì)，最后選用砷和硼，可以造出停留在表面附近的p-n結(jié)，他們還發(fā)現(xiàn)電極可以與硼-砷硅電池有好的導(dǎo)電接觸。所以在設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)后，便將幾個(gè)太陽(yáng)能電池連結(jié)在一起，創(chuàng)造出人們現(xiàn)在所稱的“太陽(yáng)能電池”。
1954年，3人在《應(yīng)用物理學(xué)期刊》上發(fā)表了重要文章，宣布貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一塊單晶硅太陽(yáng)能電池，效率高達(dá)6%。在進(jìn)行演示時(shí)，他們示范了太陽(yáng)能電池板，用它來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)一座小的玩具摩天輪和一個(gè)以太陽(yáng)能發(fā)電的無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)?！都~約時(shí)報(bào)》評(píng)論說(shuō)，硅太陽(yáng)能電池可能標(biāo)記著新時(shí)代的開(kāi)始，最終會(huì)實(shí)現(xiàn)人類最渴望的夢(mèng)想之一，即利用幾乎無(wú)限量的太陽(yáng)能于人類的文明上。隨后幾年，電池的轉(zhuǎn)換率在研發(fā)中持續(xù)提升，從8%逐步提升至11%，貝爾實(shí)驗(yàn)室的母公司西部電工開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)化許可轉(zhuǎn)讓，在亞利桑那大學(xué)召開(kāi)國(guó)際太陽(yáng)能會(huì)議。但是，最初的硅太陽(yáng)能電池制造費(fèi)用昂貴，早期將它商業(yè)化并不是很成功，但在幾年間，太陽(yáng)能電池已普遍應(yīng)用于供應(yīng)人造衛(wèi)星，之后也應(yīng)用于其他用途。喬賓很快地簡(jiǎn)化了太陽(yáng)能電池的制造過(guò)程，甚至還為中學(xué)生開(kāi)放了太陽(yáng)能電池科學(xué)的實(shí)驗(yàn)。
3.商業(yè)帝國(guó)
1954年,研究員韋克爾首次發(fā)現(xiàn)了砷化鎵有光伏效應(yīng),并在玻璃上沉積硫化鎘薄膜,制成了第一塊薄膜太陽(yáng)電池，人們稱之為“來(lái)自太陽(yáng)的無(wú)限能量的源泉”。
美國(guó)成為太陽(yáng)能光伏應(yīng)用的先鋒，這當(dāng)中，無(wú)線電和電視業(yè)務(wù)起家的霍夫曼電子作為光伏商業(yè)化的代表，在西電公司商業(yè)化許可轉(zhuǎn)讓光伏電池后開(kāi)始了將每瓦近2000美元的光伏電池商業(yè)化歷程——每片功率只有14毫瓦、單價(jià)為25美元、轉(zhuǎn)換率為2%。也就是說(shuō)，以光伏發(fā)電成本計(jì)算，為100瓦的白熾燈供電，費(fèi)用相當(dāng)于建造中型城市的兩居室。顯然，這在任何時(shí)候都不是一件劃算的事情。
霍夫曼隨即將目光投向了軍事領(lǐng)域。
時(shí)值冷戰(zhàn)時(shí)期，蘇美在軍事、科技領(lǐng)域持續(xù)開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)，這當(dāng)中，空間領(lǐng)域是兵家必爭(zhēng)之地。因?yàn)槿嗽煨l(wèi)星需要持久的電源供給，當(dāng)時(shí)一般的蓄電池和后來(lái)的鋰電池?zé)o法滿足，而光伏可以有效解決能源永久性供應(yīng)的問(wèn)題，因此研發(fā)出的電池起初主要用于空間領(lǐng)域。
1957年，全球第一顆衛(wèi)星于蘇聯(lián)升空，這一壯舉極大地刺激了美國(guó)人的神經(jīng)，加緊了對(duì)于人造衛(wèi)星的研究。此時(shí)，霍夫曼電子已經(jīng)將光伏電池的效率提升到了8%。其對(duì)行業(yè)發(fā)展的最大貢獻(xiàn)之一，就是將光伏作為人造衛(wèi)星升天后的電源進(jìn)行使用，并為1958年發(fā)射上天的先鋒1號(hào)人造衛(wèi)星提供了光伏電池。這是光伏電池第一次作為能源的主要供應(yīng)方式。
隨后，霍夫曼又拓展了太陽(yáng)能光伏應(yīng)用的范疇。1959年，光伏電池效率已經(jīng)達(dá)到了10%，經(jīng)過(guò)改進(jìn)，霍夫曼電子推出了新的系統(tǒng)模型，使大量的電池矩陣減少串聯(lián)電阻的使用，美國(guó)探索者6號(hào)人造衛(wèi)星就使用了高達(dá)9600塊霍夫曼光伏電池組成的光伏組件陣列，每個(gè)電池只有2平方厘米。不僅如此，其消費(fèi)分支也開(kāi)始嘗試將其導(dǎo)入消費(fèi)品，如收音機(jī)電源。1959年，霍夫曼開(kāi)發(fā)出集合了晶體管、光伏在內(nèi)的新型收音機(jī)KP706,這使其既可以依賴電池，也可以利用太陽(yáng)能電池陣列。
1960年，霍夫曼又將電池轉(zhuǎn)換效率提高到了14%。3年提升3倍的效率，進(jìn)步和貢獻(xiàn)巨大，也這使得光伏電池造價(jià)從每瓦高達(dá)近2000美元急劇削減到幾百美元，使得遙不可及的太陽(yáng)能光伏電池具備了初步市場(chǎng)化應(yīng)用的可能性。