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。
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：
