萬物皆有裂痕，那是光照進來的地方

1954年4月25日，這是人類光伏歷史上里程碑式的重要日子。美國貝爾實驗室特意為第一款太陽能電池的誕生舉辦新聞發布會，《紐約時報》的頭版刊文《新電池利用了太陽的巨大能量》（New Battery Taps Sun's Vast Power），文中熱情洋溢地寫道：“它可能標志著一個嶄新時代的開始，最終實現人類最珍視的夢想之一——利用幾乎無限的太陽能量為人類文明服務。”

人類第一塊可以投入商用的太陽能電池誕生的過程，其實充滿著意外。它既是其他研究課題帶來的“副產品”，同時也是跨領域科研人員打破壁壘、盡情探索的智慧結晶，這與貝爾實驗室的科研制度緊密相關。美國貝爾實驗室成立于1925年，前身是貝爾電話實驗室公司，一方面這里開發可以供通信業務使用的新技術，另一方面會將所得利潤投資于有益于社會的應用。在這個研究機構中工作的人擁有很大的自由權限，可以探索新奇有趣的技術。

20世紀30年代，貝爾實驗室的科學家們斷斷續續地探索著光電效應背后的科學。1940年，工程師拉塞爾·休梅克·奧爾（Russell Shoemaker Ohl）正在研究在無線電傳輸中使用晶體的方法，他拿起一塊硅樣品，發現中間有一道裂痕，而當它暴露在陽光下的時候，這塊硅料竟然會有電流通過，產生一股強度令人吃驚的電流。一開始他也不明白為什么會這樣，而實際上可能是因為樣品在制造過程中，裂縫兩邊偶然滲進了不同的雜質，形成了一個“p-n結”[2]，當它暴露在光線中時就會促進電流的形成。奧爾在跟冶金學家杰克·斯卡夫（Jack Scaff）的一次通話中決定，要把裂縫兩側的其中一側的硅稱為p型（positive，正的，代表積極傳導），另一側的硅稱為n型（negative，負的，代表消極傳導）。奧爾的同事們花了14年時間，才把這一發現變成第一塊“太陽能電池”，而這一過程充滿了偶然性。

到了20世紀40年代早期，他們開始確定，這兩種硅當中包含著各種極其微量的雜質，因為半導體內的原子很容易與其他元素相結合。他們用電鋸把n型硅切成小塊，放到鼻子前聞一聞，就能聞到磷的氣味，磷的濃度低到當時的測量設備都分辨不出來，同時他們還發現p型硅里含有微量的鋁和硼。但是此時硅材料并不是他們重點研究領域的主流材料。20世紀50年代，貝爾實驗室的很多人都在研究晶體管，對它的關注起源于第二次世界大戰時期，當時需要制造一種用于雷達系統的高純度鍺。但是鍺的問題在于，如果晶體管行業發展到一定規模，鍺的稀有程度和高昂的價格可能會限制行業發展，而且鍺晶體管在高溫環境中的性能并不可靠，甚至超過65攝氏度就可能完全失效。在項目研究過程中，科學家們認為在制造晶體管方面，硅有取代鍺的潛力，因為它更便宜、更耐用，把硅晶體管扔到沸水里都能正常工作。后來的半導體產業歷史證明，硅的確成功地取代了鍺。而除了做晶體管，科學家們還發現硅似乎是制造太陽能電池的好材料。

如果想要實現硅的導電性能，硅的純度要有基本的保證，但是摻雜一定的磷或硼等雜質也是必要的，比如說1000萬個硅原子里摻進去一個流動的硼原子，他們把這個硼原子叫作“功能性雜質”（functional impurity）。就像在一群懶洋洋的沙丁魚里摻進去一條到處亂竄的鯰魚，把整個半導體的導電性能激活了。貝爾實驗室以每千克948美元的高價，從杜邦公司購買純度極高的硅，然后加熱。在冷卻前，在熔化物當中加入細微的雜質來故意實現這種摻雜。貝爾實驗室的冶金學家們做出了一塊11.4厘米長、1.9厘米寬的長方形晶體硅，上面堆著幾十個n-p-n型結構，就像一摞疊在一起的方形薄脆小餅干。1954年1月，他們從這摞薄片中切下了一片，制造出世界上第一個有效的硅晶體管。但這種制作方法太過于煩瑣，不適合量產，于是化學工程師卡爾文·富勒（Calvin Fuller）又想了新的辦法，他發現如果有人摸過黃銅的門把手，再去摸鍺質結晶體，晶體就會不純。那么可不可以利用晶體對雜質的極度敏感來制作“p-n結”呢？富勒找到一根長條形的硅晶體，把它切成很多薄薄的圓片，有硬幣那么大，然后將兩片之間都分隔開再塞進熔爐，這些硅片在熔爐里會接觸高溫的氣體，氣體中含有雜質，比如磷會“襲擊”硅片的表面，然后慢慢滲入硅片當中，在硅片表面就會產生一層極薄的p型和n型硅相互堆疊，每一層厚度不超過1/1000英寸，比頭發絲還細。這個對硅片進行擴散摻雜的過程已經非常類似于后來整個光伏行業制作電池片當中的“擴散”步驟，而其中要用到的“擴散爐”設備，是中國最早實現國產化的光伏設備之一。

富勒制作出了用來制作硅晶體管的擴散硅，而他的同事杰拉爾德·皮爾森（Gerald Pearson）正在研制一種叫作硅功率整流器的設備，皮爾森也發現硅材料對光線高度敏感。他在大學時期有個老朋友，叫達里爾·查賓（Daryl Chapin），也在貝爾實驗室工作，查賓在1952年正在完善硒太陽能電池，想要用它為拉丁美洲偏遠地區的電話進行供電，比如用在電話中繼器這樣的設備上，可以替代柴油發電機。皮爾森知道查賓的研究方向以后，建議查賓用硅來代替硒，因為晶體管項目組也在開發更好的硅晶體管，查賓的項目可以“搭個便車”——晶體管用硅的每一次改進，都能順帶提高硅基太陽能電池的效率。

由于有皮爾森在其中牽線搭橋，查賓、富勒和皮爾森三人開始通力合作，最終共同研制出了貝爾實驗室第一塊硅太陽能電池。研究期間，每當遭遇光電轉化率的“天花板”時，他們三人就像共同調和一款“調味醬汁”一樣，要么有人能制作出更高純度的硅，要么有人能讓摻雜過程更加均勻，要么有人能制作出更好的“p-n結”。最終在1954年3月，實現了太陽能電池6%的光電轉換率，比此前的太陽能轉換器效率提高了15倍以上，比他們三人的第一款裝置2.3%的光電轉換率也高出不少。他們立即將這一成果發表在學術期刊上，貝爾實驗室還為三人的“太陽能轉換裝置”申請了專利。

當時貝爾實驗室的人員規模已經達到了9000人，而這三位科學家平時在不同的樓里工作。他們說之所以能做出這項發明，是因為貝爾實驗室的政策沒有規定科學家們的合作必須經過老板的同意。在這里，科學家們可以向任何能給他們提供幫助的人直接求助。

盡管一年后，就有人將光電轉換率提高到9%，但1956年，查賓計算出每1瓦的太陽能電池成本依然高達幾百美元。一個美國家庭如果全部采用太陽能發電，其電力成本高達150萬美元，意味著這項技術雖然理論上可以投入商用，但它很難在民用領域立即發揮作用。