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【純屬意外的發明與發現】——太陽能電池

【純屬意外的發明與發現】——太陽能電池

【純屬意外的發明與發現】——太陽能電池

科學史上有很多重大的發明與發現,除了有賴努力不懈的長期耕耘,其實也要有一絲運氣,才能開花結果。例如抗生素盤尼西林,就是因為弗萊明 (Alexander Fleming) 在度假前忘了將葡萄球菌的培養皿收好,青黴菌落到上面,等他回來實驗室後才發現的。

除了這個有名的例子,還有許多發現與發明也是拜意外或偶然之賜,只是很多人都不知道。這些背後的機緣還蠻有趣的,值得跟大家介紹,恰好今天 (2月23日) 正是促成太陽能電池誕生的幸運日,那就先來講這個故事。

話說 AT&T 布建橫越全美的電話網後,想要進一步提供越洋電話服務。當時只能靠真空管放大訊號,但真空管又不能放進海底電纜,只好利用無線電波,經由電離層反射到大西洋對岸。AT&T 轄下的貝爾實驗室肩負起開發任務,偏偏真空管在高頻表現不佳,他們不斷改良卻始終無法突破瓶頸,其中一位工程師歐偉 (Russell Ohl) 決定放棄真空管,另闢蹊徑,沒想到因此有了意外的發現……。

歐偉於 1898 年出生在賓州的一個小鎮,從小就自學做各種化學實驗,也曾組裝電報的收發裝置。就讀師範學校時,他在實驗室角落發現一台礦石收音機,十分好奇,便請教授教在課堂上示範講解。

礦石收音機

礦石收音機。圖片來源: 維基百科 (Wikipedia)

礦石收音機是用具有單向導電性的礦石做為檢波器。一般會導電的物體無論正負極接哪一邊都可以,但這類礦石卻有如單行道,只允許一個方向的電流通過,因此也稱為半導體。這個特性恰好可以將交流的無線電波轉為原始的直流聲頻訊號,因此接上天線與耳機,就能收聽廣播,不需要電,1907 年上市後風靡一時。

不過礦石收音機不是很靈光,必須找出礦石表面的「熱點」(hot spot),讓天線不多不少地輕輕接觸熱點,才有良好的收訊效果,因此當更加穩定好用的真空管收音機於 1920 年代問世後,礦石收音機就逐漸被淘汰了。

教授讓每個同學輪流使用礦石收音機,當歐偉戴上耳機時,竟聽到遠在大西洋的英國船隻所發出的求救訊息。原來當時正值第一次世界大戰,那艘英國船艦受到德國潛艇的攻擊,於是用無線電求救。歐偉大受震撼,從此對無線電深深著迷,並決定改念賓州州立大學,立志當一名工程師。

他先在西屋電氣工作一陣子後,再到 AT&T 上班,接著於 1927 年轉調到剛成立的貝爾實驗室,研發高頻無線電。經過多年嘗試都沒有進展後,有一天歐偉想起了當年課堂上那台礦石收音機。如果這類礦石輕易就能收到廣播的頻段,那麼只要去除礦石中的雜質,或許就能接收頻率更高的無線電波。

歐偉 (Russell Ohl) 攝於貝爾實驗室。圖片來源: ETHW

精煉純矽

歐偉重新檢視歷史上的無線電波實驗與論文,發現矽石的效果最好,於是他決定精煉出純度更高的矽,來驗證這個想法。他的同事都覺得他異想天開,竟把腦筋動到早已過時的技術,但他還是說服了冶金部門的同事幫忙,終於在 1939 年以高溫熔製的方法精煉出高純度的矽,讓他進行實驗。

有一次這位同事告訴歐偉,精煉出來的矽石中,有一塊相當奇特,每次量到的導電性都不一樣。歐偉聽到後不是太在意,一直到 1940 年 2 月 23 日才把這塊矽石拿出來檢測。他打開檯燈仔細檢查,發現中間有條裂痕,猜想這就是導電性不一致的原因。接著他接上電表,指針竟然馬上跳到 0.5V 的位置;一關掉檯燈,指針就又歸零。

歐偉大吃一驚,白熾燈泡的光是不足以產生光電效應的;難道是光伏效應?但過去從不曾有如此高的電位差,況且光伏效應必須有兩種不同材料互相接觸,不應該出現在單一矽晶體上。他趕緊找主管來看這個前所未見的現象,同時和同事繼續深入研究這塊矽石。

他們發現裂痕兩邊的矽石分別有不同的雜質:上半部含有少許的硼,而下半部的雜質則是磷。這些雜質應該原本就在原料矽粉中,原料經過高溫熔化再自然冷卻時,較重的磷下沉得比較快,較輕的硼下沉得比較慢。在這過程中,龜裂於恰好的時間發生在恰好的地方,而把這兩種元素分隔兩邊。結果外表看似一塊完整的矽石,其實卻是由兩種特性不同的矽組合而成。

p-n 接面

含有磷的矽多了自由電子,含有硼的矽則多了電洞,因此歐偉把前者命名為「n 型」,後者叫「p 型」,並把兩者的接觸面稱為「p-n接面」(p-n junction);這稱法後來便沿用到各種半導體。歐偉猜測p-n 接面處形成一道能量屏障,平時不會導電,但在白熾燈泡的照射下,n 型矽的自由電子被激發而越過屏障,產生電壓與電流。

這塊矽石的光伏效應轉換效率高達 5%,貝爾實驗室第二年便替歐偉提出史上第一個太陽能電池的專利申請,並著手進行開發。但由於美國隨即加入二次世界大戰,貝爾實驗室直到戰後才又重啟研究。

1954 年,富勒 (Calvin Fuller)、闕平 (Daryl Chapin)、皮爾森 (Gerald Pearson) 三人成功以氣體擴散法在矽中摻入雜質,終於做出第一個具有實用價值的太陽能電池,為太陽能發電揭開序幕。

太陽能電池圖解。圖片來源: Energy Education

如今在氣候變遷的威脅下,太陽能發電更是淨零碳排的首選之一,誰能想到如此重要的技術竟肇因於精煉純矽時,發生的美麗意外。而如果不是歐偉特別檢測這塊矽石,沒有當作瑕疵品置之不理的話,太陽能電池,甚至電晶體,會再拖延多久才發明出來?

後記:當年貝爾實驗室的主管看了歐偉的演示後,馬上叫布拉頓 (Walter Brattain) 過來看。後來他和巴丁 (John Bardeen)、蕭克利 (William Shockley) 三人發明電晶體,並因而獲頒諾貝爾物理獎。布拉頓和巴丁在演講時都特別提及歐偉。

  • 參考資料:
  1. Oral History Interviews | Russell Ohl – Session I | American Institute of Physics
  2. Oral History Interviews | Russell Ohl – Session II | American Institute of Physics
  3. Wiki 相關條目
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