太阳能电池板正迅速成为家庭中常见的景象，但曾几何时，它们只不过是一种罕见的好奇心。我们如何从在卫星上使用太阳能到成为最便宜的电力来源？它的历史轨迹有什么可以暗示它下一步的发展方向吗？
为了深入探讨这些有趣的问题，我们采访了太阳能历史书的作者约翰·佩林（John Perlin）。他带我们经历的历史发生了一些意想不到的曲折。
太阳能电池板是如何工作的？
让我们从光伏发电的基础知识开始。相信我，这是解释技术如何随时间演变的有用背景。
从根本上讲，电是电子的流动。与稳定状态相比，一些分子缺少电子。其他分子有太多电子。如果能量足够，电子可以从能量过多的分子上跳到能量过少的分子上。电子的运动可以变成电流。
太阳能电池板利用这一点，将一个电子过多的硅片（称为 N 型，因为电子引入负电荷）夹在另一个电子过少的硅片（称为 P 型，因为它实际上带正电）的顶部。当阳光照射到 N 型层时，面板可以吸收足够的能量来驱逐多余的电子。起初，这些电子将直接进入 P 型以填充任何可用的空穴，但这些间隙很快就会被填充。这会在两层相交处留下一个耗尽区域。附近的电子空穴被填满，更多的电子无法轻易通过。
幸运的是，还有一条替代路线。碰巧的是，采取这条路线将为我们在此过程中的所有产品提供动力。沿着 N 型层的顶部应用薄导电条，以沿着这条路径发送电子。
从上层硅层中分离出来后，电子通过逆变器，将直流电转换为日常设备可用的交流电。然后电子在任何需要电力的地方运行。
电子完成工作后，当它返回到硅的底层时，电路就完成了。在耗尽区之外，P型层的电子仍然太少，并准备在另一端接收。事情可能会以电子最终找到它们的家而结束，但是太阳能电池板的 N 型层足够薄，光可以到达 P 型层，驱逐那里的电子，并将它们撞回到上层再次经历整个过程。
如果您想深入了解细节，我们在这里有一个关于太阳能电池板如何工作的更长的解释。
坎坷的开始
1884 年，查尔斯·弗里茨 (Charles Fritts) 在纽约安装了第一块有记录的光伏太阳能电池板。它是建立在法国物理学家埃德蒙贝克勒尔的工作基础上的，他在几年前制造出了第一个单独的太阳能电池。 Fritts 的电池板效率不是很高，仅捕获了 1% 的太阳能作为电力。
另一位发明家乔治·科夫采取了不同的策略。他的机器没有使用太阳光，而是使用太阳的热量来产生电流。这个概念在当时并不新鲜，但该理论至今仍在热电发电机中使用。看起来科夫接管了弗里茨的实验室，但这只是短暂的。科夫的工作饱受争议。
在他的太阳能公司获得大量外部投资后，科夫被美国资本家绑架，目的是让他停止工作。这可能与声称他的太阳能电池板实际上只是从电网获取电力而不是自己发电有关，这构成了欺诈。其他人则认为科夫根本没有被绑架，只是为了寻求公众关注。同样，这也可能是那些业务依赖化石燃料动力的紧张竞争对手所为。
不管情况如何，到 1911 年，煤炭和石油的崛起掩盖了这些早期太阳能电池板在未来几十年的前景。
爱因斯坦改变了一切
经典的爱因斯坦，颠覆了我们所知道的一切。在他大摇大摆地走来之前，金属丝的头发在微风中飘扬，人们普遍认为光就像一种波浪。例如，来自两个不同光源的光不会相互反射，就像光是粒子时的情况一样。来自任一光源的光就像波一样相互穿过。
然而，爱因斯坦能够证明光既可以作为粒子，也可以作为波。他通过观察金属在受到特定波长的光照射时如何反应来做到这一点。简而言之，他证明了某些光具有足够的粒子特性，可以将金属中的电子打乱。
这对太阳能电池板的影响是巨大的。爱因斯坦证明，较短的波长携带较高的能量。然而，较短的波长并没有那么深入地渗透到材料中。这意味着太阳能电池板需要让其更活跃的元素（例如 P 型层和 N 型层相遇的地方）更靠近表面，以便光粒子（光子）可以击倒该连接处的电子。提高效率的潜力重新激发了人们对太阳能技术的兴趣。
硅得到升级
太阳能电池板的前景在电信领域重新出现。 20 世纪 50 年代，贝尔实验室的任务是寻找干电池的替代品，这种电池在热带气候下会不断退化并影响当地电话服务。首席研究员达里尔·查平 (Daryl Chapin) 开始探索太阳能作为解决方案。
“掺杂”这个词并不具有积极的含义，但它是太阳能电池板技术的一项重要进步。那时，太阳能电池板半导体相当有限。硒元素正在被使用，但效率仍然不够实用。经过一些实验，贝尔实验室发现，向硅中引入杂质可以显着提高其半导体性能。
人们发现，在硅的上层添加（或掺杂）磷会向混合物中添加更多的电子。同样，在下层添加硼会增加更多的电子空穴来填充。这种更大的电荷差异增加了它们相遇的两层之间的电子流。太阳能电池板的效率达到 6%，终于可以投入实际使用了。
太空竞赛
嗯，也许只是在这个世界之外一点。此时，苏联和美国陷入了太空竞赛。卫星已经发射，但由于发射时所用的电池，它们的寿命仅限于几周。美国政府热衷于资助能够帮助他们在冷战中取得领先的解决方案。前纳粹分子汉斯·齐格勒在回形针行动的支持下来到美国。 “回形针”是美国的一项秘密计划，旨在让德国科学家在二战后融入其中，同时规避国内对纳粹移民的禁令。
“整个历史的讽刺之处在于，人们认为太阳能电池是一种嬉皮士般的东西。它实际上是由美国军工联合体推动的。” — 约翰·佩林
齐格勒试图将太阳能电池引入卫星。尽管内部存在质疑，齐格勒对先锋 1 号卫星的首次测试还是于 1958 年获得批准并发射。虽然该任务原定持续 90 天，但由于其太阳能电池板，该卫星能够在六年多的时间里与地球进行通信。事实上，先锋一号今天仍然在轨道上运行。这个案例是为太阳能而设计的，它很快成为所有卫星发射的标准。
石油巨头押注太阳能
埃克森美孚被誉为气候运动的宿敌，这就是为什么当佩林告诉我们埃克森美孚部署了第一个商业化的地面太阳能电池板时如此令人惊讶。
埃克森美孚有大量的海上钻井和其他远程作业需要电力。其中许多依赖于相当昂贵且无法充电的原电池。细胞耗尽后有时会被丢弃到海洋中。有一次，一堆电子垃圾被冲到休斯顿海岸，这让一些人感到愤怒，这是可以理解的。
这场争议之后，埃克森美孚开始寻找替代品。研究员埃利奥特·伯曼（Elliot Berman）一直在广泛推广太阳能，在与埃克森美孚合作探索这一机会后，他被选为埃克森美孚全资太阳能子公司太阳能电力公司的负责人。在这里，伯曼开发了一种降低成本的好方法。大多数硅是通过将石英（沙子）熔炼成大锭，然后将其切成晶片而制成的。这个过程创造了一种单晶原子结构，在太阳能生产方面非常有效，但还有另一种选择。
伯曼想要利用不适合太空旅行的太阳能电池板。他能够利用这些库存，通过组合硅废料来生产多晶硅。他还能够使用来自更广泛的电子行业的硅。由于晶体生长的混杂，由此产生的多晶硅太阳能电池板的效率不如单晶硅太阳能电池板，但其制造成本大约是单晶硅太阳能电池板的五倍。
随着太阳能在太空的成功应用以及伯曼的工作降低了成本，埃克森美孚开始在其平台上尝试太阳能电池板。果然，太阳能效果很好。没过多久，其他行业就注意到并开始采用太阳能进行其他远程操作。
美国的能源独立
石油在太阳能发展中的作用尚未结束。 1973 年欧佩克在全球范围内收紧石油供应，促使美国寻找方法减少对动荡的中东市场的依赖。尽管埃克森美孚因无法继续从事石油业务而积极努力实现多元化，但太阳能在政府的优先事项中排名较低。
尽管吉米·卡特因在白宫屋顶安装太阳能热水器而受到媒体的关注，但他仍然拥有核工程师的背景。虽然他提倡将太阳能与节能并举作为实现能源独立的手段，但他的政策却大力支持核电和煤炭。卡特甚至拒绝了军方采用太阳能以满足其远程操作需求的请求。贝尔实验室在 20 世纪 50 年代也遇到了类似的阻力，当时艾森豪威尔的“原子促进和平”计划将核电推崇为未来的发展方向。
最终，美国最终发现了更多的国内石油储备，并在整个 80 年代拥有大量盈余。
中国介入
到目前为止，美国已成为太阳能电池板开发的中心。毕竟，美国人开创了早期研究，将技术带入外太空，并推动权力独立。这种情况即将改变。
你看，澳大利亚电信服务提供商已被立法在农村地区提供服务，他们遇到了贝尔实验室曾经遇到过的同样类型的问题。澳大利亚大片地区气候炎热，将天然气或电池输送到内陆的中继塔并不实际。
这个问题促使人们对解决方案进行投资，包括新南威尔士大学的 Martin Green 最终开发出无源发射极和背面电池（或 PERC）。至关重要的是，这减少了太阳能电池板的吸热，因此它们可以在高温下继续运行。它还具有将光反射回硅以获得第二次吸收机会的优点。这将效率提高了 25%。如今，约90%的太阳能电池板使用PERC电池。
“悲剧在于，唯一真正对太阳能表现出热情的政府是中国政府。最初是美国发明的贝尔太阳能电池，现在中国生产了世界上 80% 或 90% 的太阳能材料。” — 约翰·佩林
尽管有国内需求，但政治形势并不利于格林推进其技术。与美国一样，澳大利亚在化石燃料方面也拥有既得利益，因此积极反对光伏发电。邻国中国没有这样的联系。在那里，格林能够吸引潜在的学生。
格林的博士之一。学生施正荣将新的 PERC 技术带到了中国，并筹集了足够的资金，于 2002 年开始生产太阳能电池，并成立了一家名为尚德的制造商。除了解决澳大利亚的电信电力需求之外，大多数电池板还将运往德国，以利用政府对可再生能源生产的大规模激励措施。
尚德的许多投资者都是通过格林与美国技术专家的接触而来的。这些接触最终使尚德成为第一家在纽约证券交易所上市的中国私营公司。人们的兴趣日益浓厚，以至于其他多家中国太阳能制造商纷纷涌入美国投资。它们之间的激烈竞争导致价格下降。
即使有美国的资金和中国政府的支持，2008 年的金融危机也让一些参与者无法维持这些低价。尽管如此，许多中国大型太阳能电池板制造商还是成功地尽早获得了美国投资，并以足够快的速度进行大规模生产，以度过金融危机，并最终确保太阳能发电价格持续处于历史低位。 Vanguard 1 上的太阳能电池板每瓦成本为 100 美元，但现在每瓦成本低于 3 美元。
太阳能电池板的下一步是什么？
太阳能电池板似乎只是在最近几年才随处可见，但一个多世纪以来，它们一直在慢慢走向阳光下的这一刻。早期的光伏理论为爱因斯坦发现光作为波和粒子铺平了道路。贝尔实验室将理论转化为现实，将太阳能电池板送入太空，这反过来又向埃克森美孚证明，它（以及随后的其他行业）可以使用太阳能进行远程操作。尽管美国开始更多地转向化石燃料，但事实证明，中国是投资者和研究人员开始大规模生产太阳能电池板并压低价格的沃土。
现在，美国各地的太阳能安装正以前所未有的速度加速发展。佩林对下一阶段保持乐观。虽然流行的乌托邦愿景可能是在每个屋顶上安装太阳能电池板，但佩林认为最大的进步发生在商业规模的太阳能发电厂。因此，虽然我们可能不会每天都抬头看到硅，但它很可能会继续在幕后为越来越多的现代生活提供动力。