万物皆有裂痕，那是光照进来的地方

1954年4月25日，这是人类光伏历史上里程碑式的重要日子。美国贝尔实验室特意为第一款太阳能电池的诞生举办新闻发布会，《纽约时报》的头版刊文《新电池利用了太阳的巨大能量》（New Battery Taps Sun's Vast Power），文中热情洋溢地写道：“它可能标志着一个崭新时代的开始，最终实现人类最珍视的梦想之一——利用几乎无限的太阳能量为人类文明服务。”

人类第一块可以投入商用的太阳能电池诞生的过程，其实充满着意外。它既是其他研究课题带来的“副产品”，同时也是跨领域科研人员打破壁垒、尽情探索的智慧结晶，这与贝尔实验室的科研制度紧密相关。美国贝尔实验室成立于1925年，前身是贝尔电话实验室公司，一方面这里开发可以供通信业务使用的新技术，另一方面会将所得利润投资于有益于社会的应用。在这个研究机构中工作的人拥有很大的自由权限，可以探索新奇有趣的技术。

20世纪30年代，贝尔实验室的科学家们断断续续地探索着光电效应背后的科学。1940年，工程师拉塞尔·休梅克·奥尔（Russell Shoemaker Ohl）正在研究在无线电传输中使用晶体的方法，他拿起一块硅样品，发现中间有一道裂痕，而当它暴露在阳光下的时候，这块硅料竟然会有电流通过，产生一股强度令人吃惊的电流。一开始他也不明白为什么会这样，而实际上可能是因为样品在制造过程中，裂缝两边偶然渗进了不同的杂质，形成了一个“p-n结”[2]，当它暴露在光线中时就会促进电流的形成。奥尔在跟冶金学家杰克·斯卡夫（Jack Scaff）的一次通话中决定，要把裂缝两侧的其中一侧的硅称为p型（positive，正的，代表积极传导），另一侧的硅称为n型（negative，负的，代表消极传导）。奥尔的同事们花了14年时间，才把这一发现变成第一块“太阳能电池”，而这一过程充满了偶然性。

到了20世纪40年代早期，他们开始确定，这两种硅当中包含着各种极其微量的杂质，因为半导体内的原子很容易与其他元素相结合。他们用电锯把n型硅切成小块，放到鼻子前闻一闻，就能闻到磷的气味，磷的浓度低到当时的测量设备都分辨不出来，同时他们还发现p型硅里含有微量的铝和硼。但是此时硅材料并不是他们重点研究领域的主流材料。20世纪50年代，贝尔实验室的很多人都在研究晶体管，对它的关注起源于第二次世界大战时期，当时需要制造一种用于雷达系统的高纯度锗。但是锗的问题在于，如果晶体管行业发展到一定规模，锗的稀有程度和高昂的价格可能会限制行业发展，而且锗晶体管在高温环境中的性能并不可靠，甚至超过65摄氏度就可能完全失效。在项目研究过程中，科学家们认为在制造晶体管方面，硅有取代锗的潜力，因为它更便宜、更耐用，把硅晶体管扔到沸水里都能正常工作。后来的半导体产业历史证明，硅的确成功地取代了锗。而除了做晶体管，科学家们还发现硅似乎是制造太阳能电池的好材料。

如果想要实现硅的导电性能，硅的纯度要有基本的保证，但是掺杂一定的磷或硼等杂质也是必要的，比如说1000万个硅原子里掺进去一个流动的硼原子，他们把这个硼原子叫作“功能性杂质”（functional impurity）。就像在一群懒洋洋的沙丁鱼里掺进去一条到处乱窜的鲶鱼，把整个半导体的导电性能激活了。贝尔实验室以每千克948美元的高价，从杜邦公司购买纯度极高的硅，然后加热。在冷却前，在熔化物当中加入细微的杂质来故意实现这种掺杂。贝尔实验室的冶金学家们做出了一块11.4厘米长、1.9厘米宽的长方形晶体硅，上面堆着几十个n-p-n型结构，就像一摞叠在一起的方形薄脆小饼干。1954年1月，他们从这摞薄片中切下了一片，制造出世界上第一个有效的硅晶体管。但这种制作方法太过于烦琐，不适合量产，于是化学工程师卡尔文·富勒（Calvin Fuller）又想了新的办法，他发现如果有人摸过黄铜的门把手，再去摸锗质结晶体，晶体就会不纯。那么可不可以利用晶体对杂质的极度敏感来制作“p-n结”呢？富勒找到一根长条形的硅晶体，把它切成很多薄薄的圆片，有硬币那么大，然后将两片之间都分隔开再塞进熔炉，这些硅片在熔炉里会接触高温的气体，气体中含有杂质，比如磷会“袭击”硅片的表面，然后慢慢渗入硅片当中，在硅片表面就会产生一层极薄的p型和n型硅相互堆叠，每一层厚度不超过1/1000英寸，比头发丝还细。这个对硅片进行扩散掺杂的过程已经非常类似于后来整个光伏行业制作电池片当中的“扩散”步骤，而其中要用到的“扩散炉”设备，是中国最早实现国产化的光伏设备之一。

富勒制作出了用来制作硅晶体管的扩散硅，而他的同事杰拉尔德·皮尔森（Gerald Pearson）正在研制一种叫作硅功率整流器的设备，皮尔森也发现硅材料对光线高度敏感。他在大学时期有个老朋友，叫达里尔·查宾（Daryl Chapin），也在贝尔实验室工作，查宾在1952年正在完善硒太阳能电池，想要用它为拉丁美洲偏远地区的电话进行供电，比如用在电话中继器这样的设备上，可以替代柴油发电机。皮尔森知道查宾的研究方向以后，建议查宾用硅来代替硒，因为晶体管项目组也在开发更好的硅晶体管，查宾的项目可以“搭个便车”——晶体管用硅的每一次改进，都能顺带提高硅基太阳能电池的效率。

由于有皮尔森在其中牵线搭桥，查宾、富勒和皮尔森三人开始通力合作，最终共同研制出了贝尔实验室第一块硅太阳能电池。研究期间，每当遭遇光电转化率的“天花板”时，他们三人就像共同调和一款“调味酱汁”一样，要么有人能制作出更高纯度的硅，要么有人能让掺杂过程更加均匀，要么有人能制作出更好的“p-n结”。最终在1954年3月，实现了太阳能电池6%的光电转换率，比此前的太阳能转换器效率提高了15倍以上，比他们三人的第一款装置2.3%的光电转换率也高出不少。他们立即将这一成果发表在学术期刊上，贝尔实验室还为三人的“太阳能转换装置”申请了专利。

当时贝尔实验室的人员规模已经达到了9000人，而这三位科学家平时在不同的楼里工作。他们说之所以能做出这项发明，是因为贝尔实验室的政策没有规定科学家们的合作必须经过老板的同意。在这里，科学家们可以向任何能给他们提供帮助的人直接求助。

尽管一年后，就有人将光电转换率提高到9%，但1956年，查宾计算出每1瓦的太阳能电池成本依然高达几百美元。一个美国家庭如果全部采用太阳能发电，其电力成本高达150万美元，意味着这项技术虽然理论上可以投入商用，但它很难在民用领域立即发挥作用。