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“实践一号”卫星空间硅太阳电池研制亲历人回顾

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

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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。

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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%。

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