太阳电池发展的一段有趣史话——记德国奎瑟尔教授在中国的访问

2017 年 12 月 8 日 中国物理学会期刊网 江德生

作者：江德生 (中国科学院半导体研究所)

2010年10月24日,德国斯图加特马普固体研究所退休的荣誉教授奎瑟尔(H. J. Queisser)应邀来中国访问,在中国科学院硅酸盐研究所作了一个题目为《细致平衡———Shockley-Queisser极限》的报告,精彩地叙述了一段有关50多年前半导体太阳电池发展过程的有趣历史故事,受到了热烈的欢迎.奎瑟尔教授是有名的物理学家,马普固体物理研究所的创建所长,当过德国物理学会会长,已经80岁了.我本人在1979-1981年期间由中国科学院公派第一次出国进修访问时,就有幸在他领导的研究室工作过两年,后来又去访问过几次,参加中德双方的合作研究,得到过他很多帮助和指导.这次我到上海去欢迎他的访问,听了他关于他和肖克莱合作研究太阳电池的报告,又读了教授本人在2006年回答记者采访的一份回忆录,觉得这一段历史确实令人深受启发,值得报道出来,以飨读者.

奎瑟尔教授说,他们是在1959年接受美国军方的委托,研究有关太阳电池最高极限效率问题.他们的目的是,要从理论上研究,究竟什么样的材料做太阳电池最好,如果器件质量做得极其完善了,太阳电池能够达到的最高效率(即所谓理想情况下的“极限效率”)究竟会有多大? 当时,奎瑟尔正好在诺贝尔奖获得者肖克莱(Schockley)创办的一个公司做博士后研究工作,任务之一是制备半导体太阳电池材料和器件.而那时太阳电池的研究还处于初级阶段, 工艺很不成熟,太阳电池成本很高,效率却相当低. 在美国,特别是在军方的拨款部门,这个研究项目曾非常不被人看好,认为太阳电池最多也只能用于袖珍收音机或其他便携式电子产品,意义并不太大.在1957年苏联人造卫星成功发射之后,美国人对体积小、重量轻、能够适合于空间应用的半导体太阳电池研究才开始重视起来.在国际上起步不久的半导体器件研究方面,肖克莱创办的公司重点研究硅工艺, 但美国其他研究小组主要研究对象是熔点更低、工艺上更成熟的锗材料而不是硅.研究人员心里也并不清楚,用硅p-n结材料来做太阳电池到底最后会达到什么样的结果.此外,也有人指出,从理论上讲,似乎像砷化镓、碲化镉之类的化合物半导体才应该是更佳的高效率太阳电池材料.有关这些问题争议很多.

肖克莱坚持认为,他们所研究的硅是做太阳电池最合适的材料.硅在地球上来源多,又比较便宜.他和奎瑟尔认为,硅的禁带宽度大小也应该适合做太阳电池.于是,他们决定重点用热力学方法计算单个硅的p-n结所能达到的最高极限效率.当时没有计算机,所有计算都是用拉计算尺的办法做的,费时费力,速度是很慢的.好在计算极限效率时,只考虑在太阳光谱下材料的本征吸收和复合,假定电子空穴对的发光复合是载流子复合的唯一机制,不必考虑那些复杂的、由各种非辐射复合造成的能量转换效率的损失,计算相对比较简单.他们根据细致平衡原理,确定了计算的原则和方法,算出了禁带宽度为1.1eV 的硅的p-n结电池的极限效率最高可以达到大约30%,并很快写出了一篇题目为《p-n结太阳电池的细致平衡极限效率》的稿件,投到了美国物理学会主办的《应用物理杂志》(Journalof Applied Physics,简称JAP)上.这篇文章第一作者是肖克莱,第二作者是奎瑟尔.必须指出的是,投稿那年(1960年),肖克莱已是蜚声国际的诺贝尔奖获得者了.

不料,他们投出去的稿子居然被JAP 杂志拒绝了.收到编辑部回信后,肖克莱曾经很生气,对奎瑟尔说,“你看,他们拒绝了我们的文章,说没有新的东西!”但他们知道这一评审结果之后,还是做了认真考虑,对文章进行了修改,加了一些内容,还通过改写使文字表述更清晰易读.他们把修改后的稿子再次投了出去.这次才被编辑部接受发表了.今天看来,这类学术刊物坚持严谨学风的精神是非常值得提倡的,它不因人而异,而是坚持发表的论文应具有一定质量的原则.这种态度对科学发展至关重要.

奎瑟尔说,有趣的是,一开始这篇文章并没有引起读者很大重视,在很长时间内,引用的次数很少,似乎有点默默无闻.但是,在文章发表了几十年以后,到今天,随着人们对太阳电池研究的重视和半导体材料工艺水平的提高,太阳电池效率可以做得越来越接近“极限效率”了.肖克莱和奎瑟尔的文章预言了太阳电池效率所能够达到的最高水平,为新材料的选用和太阳电池工艺技术的改进提供了必要的科学依据,凸显出其重要的意义和学术价值.人们对这篇文章也越来越重视了.特别是在最近5年来,该文的引用频率越来越高.据2010年统计,他们这篇文章总共已被引用850次以上,而且还在不断迅速增加,可谓影响深远.现在,太阳电池的极限效率已被普遍称为“Shockley-Queisser极限”,以他们两人的名字来命名了.看来,对一项科研工作意义和作用的评价,特别是对基础研究方面的工作,不应该过于短视,急功求利.科研工作追求的目标和考核的标准必须经得起时间的考验.

按照肖克莱和奎瑟尔细致平衡原理的计算结果,具有直接带隙的、而且禁带宽度又合适的III-V族或II-VI族化合物半导体,如果用它们来制作太阳电池,可能获得比硅更高的能量转换效率.但在他们文章发表之后的4到5年时间里,最有希望的化合物半导体砷化镓材料制作的太阳电池效率实际上却一直提不上去,仍低于硅太阳电池的水平.后来的深入研究才发现,砷化镓电池效率提不上去不是理论预计不对,而是工艺上有问题.这是因为,砷化镓的表面复合速率比硅大得多,这就降低了光生载流子的寿命,因此大大降低了电池的效率.当人们采用了防止载流子向表面扩散的措施以后,电池的效率就大大提高了.现在,化合物半导体,包括它们的固溶体和异质结材料,已能制作出高效率太阳电池,其效率已经几乎接近预言的极限效率,被广泛应用于人造卫星和其他空间飞行器中,发挥了很大的作用.