玻璃上的光芒---第一太陽能發展史

這個世界上最能讓人激動的事情莫過於發明者看到自己的創造從大腦的一個靈感，經過理論，實踐和無數的嘗試，最終成為現實。這種情緒讓人忘卻食物，睡眠，一切的一切。---尼古拉特斯拉

此文向那些為了人類能源可持續發展貢獻自己才智和心血的科學家，工程師，企業家，以及所有相關的人致敬。本文不可作為股票投資參考依據。資料來自多年整理，積累自業內訪談，學術論文，行業報告，同行吐槽和網路信息。

First Solar作為全球光伏行業的龍頭企業，是一個及其有趣的現象。它獨闢蹊徑，採用和大多數太陽能公司不同的光伏材料並且一路堅持了20多年，卻以一個技術少數派的身份在行業中一枝獨秀，成為過去3年唯一真正盈利的太陽能公司。本文旨在介紹其技術，產品發展的歷史，從一個側面來探尋其內在原因。

1959年的利物浦西郊的一家工廠里，一個略顯禿頂的中年人正和一群工程師討論者什麼，從每個人血紅的眼睛來看，大家至少48個小時都沒有休息過。末了，那個中年人沙啞的說道：「控制流量，讓重力為我們服務。」打開制動開關，20分鐘後，全場一片歡呼，一個偉大的時代到來了。

這個中年人的名字叫AlastairPilkington，20世紀最偉大的發明家之一。此人畢業於劍橋三一學院，二戰的時候加入英國皇家炮兵，1947年畢業後作為遠親，加入英國著名的玻璃家族企業PilkingtonBrothers。

雖然沒有直接的親屬關係，公司總裁還是希望Alastair加入董事會。但是作為三一學院最優秀的學生，Alastair對發明創造的熱情遠遠超過了騎馬，打獵，橋牌和看戲。他堅持成為技術經理，並且開始主持公司歷史上最具野心的研發計劃。

玻璃，無疑是人類歷史上最偉大的發明之一。公元前2000年，埃及人發現高溫燒灼蘇打粉和硅酸鹽可以產生的這種奇妙的材料，具有極高的可塑性和裝飾性，然而在過去的3000多年裡，其發展極其緩慢。Alastair還能記得，只有教堂和貴族的家裡才可以使用超過大面積玻璃做窗戶。20歲的時候，朋友從新世界美國帶回來的Tiffany平板透明玻璃，小小一塊居然需要1萬美金。（摺合今天大約12萬美金） 隨著近代建築業和工業的發展，製造大面積平整的玻璃成為其是否能廣泛應用的關鍵，也成為Alastair的夢想。

對於當時的平板玻璃製造主流是兩種方法：拉伸法和鑄造法。前者因為拉伸過程中手工誤差，玻璃很容易有曲率，而後者雖然玻璃可以保證平整，但是鑄造用的模具成本非常高，而且很多時候表面還需要拋光，整體材料人工成本非常昂貴。

1843年HenryBessemer提出的「浮法工藝」引起了他的極大興趣：既然拋光玻璃和保持平整在加工上如此困難，那如果有辦法利用自然力才是最佳的選擇。浮法工藝就是一種利用重力的方法，使液態的玻璃體漂浮在密度高的液體金屬（錫）上，可以產生平整而均勻的玻璃。如果表面張力的關係控制得當，玻璃不需要傳統拋光就可以透明。

這個方法提出之初就獲得了很多關注，但是卻無人能夠成功低價量產。Alastair念的是力學機械工程，對材料特性非常敏感。他仔細研究了這個工藝，得出以下結論：

1.浮法工藝是理論上唯一有可能取代傳統工藝，大幅度降低成本，讓高質量玻璃走進大眾日常生活的途徑

2.浮法工藝的成功關鍵在於金屬材料的選取，玻璃的氣體環境調整，設備的設計，溫度的選取，進料的條件等多方面的設計。

1952年，Alastair帶著一份報告和初步實驗數據，說服了董事會斥巨資開始了艱苦的浮法玻璃研發之路。經過大量的資金人力投入，多種材料和工藝的實驗，失敗，重新設計，終於在1959年，也就是本文開頭的時候，成功使用浮法玻璃工藝生產出高質量的，平整而無需拋光的高透明玻璃。

這是工業界的一道閃電。浮法工藝也被命名為Pilkington工藝。不到10年的時間，大面積高質量玻璃的成本下降了接近100-1000倍。全世界99%的玻璃都使用浮法工藝，玻璃，作為建築，運輸行業不可或缺的一部分，走進了平常人的生活。Pilkington也在1970年代一躍成為世界最大的玻璃製造商。Alastair也因為這項偉大的發明被授予英國皇家爵士爵位。

然而，玻璃對人類的貢獻還遠遠沒有結束。沒人能想到，更耀眼的光彩還在後面。

1989年的亞利桑那的夏天仍舊是教科書般的燦爛陽光，在鳳凰城市郊的一座豪宅中，高朋滿座。眾人正在聚精會神的聽著主人的演講。主人的名字叫HaroldMcmaster。

Harold出生於1916年，和他的好朋友Pilkington一樣是一位玻璃行業的重量級發明家，擁有超過100項發明。畢業於俄亥俄大學的物理系的他成長與二次工業革命後期的美國。他和他的前輩們如愛迪生，GeorgeWestinghouse這些沒有受過高等教育的工匠型發明家不同，他接受過良好的物理學基礎教育，對工業應用的發明更具有前瞻性。同Pilkington一樣，他也敏銳的發現，隨著工業時代的到來，玻璃的應用必將普及。而他更注重應用，他發現在玻璃最大的應用：工業建築和汽車上，由於其易碎而且碎片容易劃傷人，使得其使用成本大大提高。在經過長時間的研究後，他發現玻璃通過淬火工藝能夠大大提高強度，還可以降低碎片鋒利程度。於是在PilkingtonGlass Co合作緊密的LibbeyOwens Ford Glass公司工作10年後，他創立了自己的玻璃公司，Permaglass。並且使用淬火工藝發明了我們沿用至今的偉大產品：鋼化玻璃。毫不誇張的說，鋼化玻璃是工業化時代應用最廣的玻璃品種之一。之後數年Harold將Permaglass做大，和GuardianIndustries合併，發展到今天已經成為員工18000人業務覆蓋21個國家的大型國際玻璃集團。

1980年初退休的Harold僅僅60出頭，這對一個精力旺盛充滿智慧的發明家和企業家來說並不是一件令人特別高興的事情。他一直追尋著自己發展玻璃工業的夢想。在工業建築和汽車行業之後，他一直在尋找下一個玻璃革命的應用。

這個時候的美國已經發生了翻天覆地的變化。能源危機的步步緊逼已經深入美國人民的觀念之中。油價一再的飆升，電力行業的不景氣讓太陽能發電的研究越來越熱。西海岸斯坦福大學的GeraldPearson作為第一批先驅者，提出基於半導體光生伏打效應收集電流獲取電能的系列理論引起了Harold極大的興趣。他先後拜訪了美國最前沿的光伏研究中心：斯坦福大學和科羅拉多的新能源研究中心(NREL)，有一件事情讓他特別印象深刻：光伏電池是一層半導體夾在兩塊玻璃之間。玻璃的重量占整個終端產品的95%以上。

這時候他有了一個奇妙的想法：光伏產品本質上就是玻璃產品的延伸。這對Harold來說是一個驚天的發現。長期工作在工程開發第一線的他有著GeraldPearson和Bob Swanson不具備的敏銳直覺：如果能將夾在玻璃中間的矽片的生產工藝簡化成一層薄膜，那製造成本將指數降低（誰也比不過浮法玻璃的成本），光伏發電成本很快就會低於火電。

這一想法在當時並未受到主流學界的重視。Gerald那個時候已經是行業的泰山北斗，統領光伏行業各大門派。作為一個標準的半導體人，他認為光伏組件本質是一塊半導體，玻璃和封膠只是保護半導體的封裝結構而已。而Harold看來，他過去20年做的玻璃，不是鍍增透膜就是鍍反射膜，光伏組件只是鍍了吸光膜的玻璃而已。事後的發展證明，Harold的觀點更為貼切。因為半導體產品基本都放置在室內應用，而玻璃才需要在戶外風吹雨淋，以做玻璃產品為出發點做太陽能產品似乎更為貼切。

在美國國家新能源實驗室（NREL），Haroldlicense了他們研究最成熟的薄膜硅技術，融資1千2百萬美金成立了GlassTechSolar公司。然而Gerald對基於薄膜不定型硅的PN結結構的評價一針見血：danglingbonds導致缺陷態太多，大大影響了光電轉換效率，Harold本身對半導體器件工作原理又不太了解，以至於公司成立了幾年，連一片像樣的樣品都做不出來。

然而，這個世界上，任何努力都不是白費的，哪怕是失敗也是有收穫的，Harold的收穫，就是發現了一種新的光伏材料：碲化鎘。

要說這碲化鎘並不是什麼新鮮事物。早在Gerald和Shockley60年代研究各種半導體光伏材料的時候就提出，單節光伏電池要想接近Shockley-Quessier極限，最好的能帶間隙應該在1.5電子伏。經過研究，大家發現碲化鎘最接近這一數字，從60年代GE就開始研究這種材料。一直以來，由於碲化鎘n型摻雜的困難而進展緩慢。

這一切在1981年得到了解決。華裔科學家田元生博士在柯達北美研究所提交了自己的專利（US4207119 A），首先提出通過近距離升華法(CSS)在透明導電玻璃上沉積n型硫化鎘和p型碲化鎘得到高質量碲化鎘光伏電池。這個解決方案在器件層面如此的優雅，一舉解決了碲化鎘n型摻雜的困難和高質量薄膜製備的困難。並且異質結的能級排列還可以進一步提高光電轉換效率。果不其然的是，和過去大家得到的3-4%的效率不同，田博士一舉獲得10%的轉換效率。不過可惜的是，田老兄限於CSS量產的困難並沒有堅持下去，若干年後回中國大陸搞起了OLED。

然而，田博士的研究激勵了更多的科學家，其中包括他的同胞，碲化鎘泰山北斗級人物朱挺教授。朱教授在南佛羅里達大學教書，是科班半導體出身，很快發現了田博士方案的美中不足：硫化鎘不透明而呈淺黃色，大大影響了轉換效率。朱教授通過減小硫化鎘厚度和優化透明電極的方法得到了16%以上的轉換效率，至此，碲化鎘光伏電池已經快追上傳統晶硅電池的性能了。

這一切都被Harold看在了眼裡，他知道他的機會來了。向朱教授和其同事經過充分調研和學習後，他發現，傳統的CSS近距離升華工藝對研發是一個很好的工具，但是並不適合量產，速度太慢質量也不好控制。在玻璃上大面積快速均勻鍍膜的技術成為碲化鎘薄膜太陽能電池是否能商用化的關鍵。而這正是Harold鑽研一生的技術。

而這時，薄膜太陽能板最關鍵的技術之一，TCO導電玻璃，已經在PilkingtonGlass公司開發出了成熟的產品。

於是，這個1989年鳳凰城的夏天，Harold找來了過去投資GlassTechSolar的投資人，把之前的投資資金大部分還給他們，說我要關掉這個公司，重新成立新的公司做碲化鎘光伏電池。在講完此技術的發展歷程之後，Harold成功融資1千5百萬，和好朋友JimNolan共同成立了SolarCell, Inc請來朱挺教授做高級技術顧問，專註於碲化鎘薄膜的商用化產品開發。

遵循自己的設想，Harold首先專註在碲化鎘鍍膜工藝和設備開發上。CSS的限制在於材料升華沉積的速度太慢。根據自己多年經驗，他決定使用氣體噴塗的方法，即在一個腔體內將碲化鎘微小粉末充分混合均勻，然後通過氣體(carriergas)將其搬到基板上噴塗附著。這有一點借用噴墨印表機的原理。這樣的工藝聽起來簡單但是實現起來及其困難。耗費了大量的時間和精力，終於在90年代中期在手下天才工程師RickPowell的領導下開發成功，Harold管他的工藝叫氣相傳輸沉積(VTD)。

直到90年代末，SolarCell, Inc在工藝量產化和薄膜質量上已經做到世界頂尖。Harold也拿出很多自己私人的積蓄用於公司技術研發，他甚至請來了老朋友Pilkington，花巨資和PilkingtonGlass合作開發世界上最好的透明導電玻璃。然而，由於當時前端工藝和封裝工藝的技術限制，公司的樣品效率始終在7%左右，在實際應用中不具有成本上的吸引力。

1998年，83歲高齡的Harold考慮到身體每況愈下，公司需要新的領導者和投資人，開始了艱難的融資歷程。當時的美國只有兩家正經的太陽能公司，SolarCell, Inc和BobSwanson的Sunpower。大部分風險投資人對太陽能及其陌生，Harold無數次碰壁，然而他堅信：太陽能商用的時代，就要到來了。終於有一天，他坐在了正確的人面前，這個人叫John。

John問：為什麼是碲化鎘？

答：最好的光伏材料，從光學特性和可製造性來說。

問：為什麼是薄膜？

答：薄膜本質就是鍍膜玻璃，這是光伏電池最經濟最可靠的製造方法，最可能低價普及，還可很方便的應用與建築。

John說：你說的很有道理，我要買你的公司。

John的全名叫JohnWalton，沃爾瑪家族第二代核心成員，SamWalton的小兒子。他一直在尋找顛覆性的技術創新，直到他找到了Harold。於是，他旗下的TrueNorth Partner於1999年注資4千5百萬美金，收購了SolarCell,Inc，然後給公司起了一個霸氣的名字：FirstSolar (第一太陽能)。

接手公司後John乾的第一件事情就是給自己的老朋友MikeAhearn打電話：哥們兒，我要大幹一場，你來幫我吧。

Mike是一個低調的人，律師出身的他有著強大的邏輯思維。90年代初和John認識，幫他投資了很多成功的公司，及得沃爾瑪家族的信任。這次，他被John任命為公司的CEO。

新上任的Mike並沒有急於採取行動。經過數月的觀察，他發現公司還是一個科學家氛圍的研究所。於是，他進行了一系列的人員重組和戰略調整，發出了強力而明確的信號：公司的一切工作，都圍繞大規模低價量產這唯一的目標，包括了工藝優化，流水線建設，研發方向可行性等。他大刀闊斧的裁員，走了一大批元老，然後引入了很多從英特爾這樣的優秀半導體公司來的行內先進位造業專家。為了解決量產問題，他甚至從豐田公司不惜重金挖來專攻six-sigma製造管理的專家。

然而，上天並沒有在一開始就回報Mike的努力。2002年，花光了公司幾乎所有的現金的第一條試運營生產線未達到目標，模組效率僅為9%左右。公司員工感覺，可能這次真的要關門大吉了。然而，Mike的小宇宙也爆發了。

在持續的，馬拉松式的溝通說服過程中，Mike向John介紹了FirstSolar成立3年來過去的工作，展示了過去的技術進步和未來的展望。末了，Mike說，我們離光伏平價上網很接近了。你設想的人人都能從電網外獲得電能的理想快要實現了，我們不需要理論突破，我們只需要一點點工藝的最優化。John說：好的，我相信你。於是沃爾瑪家族繼續投資1億美金。

在JimNolan和RickPowell這兩位世界級技術專家的領軍下，輔以碲化鎘泰斗朱挺教授的理論指導，這一次沒有讓Mike和John失望。FirstSolar在2004-2005年第一條生產線成功量產，規模25兆瓦，組件效率10%左右。

之後的事情就眾人皆知了：

2006年，FirstSolar登陸紐交所，當天價格27美金；

2009年，FirstSolar成為世界第一家將組件成本降至1美金每瓦以下的太陽能公司；

2009年，FirstSolar成為世界第一家產能超過1GW的太陽能公司

2010年，FirstSolar成為世界第一家成功從組件製造商轉型成太陽能項目開發，建設到售後服務垂直整合的太陽能集團

2011-至今，FirstSolar成為世界上市值最大的太陽能公司。

2013年，FirstSolar連續兩次破了碲化鎘模組和電池板效率的世界紀錄。（16.1%和18.7%）

First Solar，真的成為了第一太陽能。

如今，為薄膜太陽能技術做出重大貢獻的Pilkington爵士和Harold已經離開了我們，無緣見到。Mike也退休在家，專職早期風險投資。公司新的一代領導人是CEOJim Hughes和CTORaffi Garabedian。

在最近的一次Raffi主持的Seminar上，有人問出了那個經典的，貫穿FirstSolar整個發展歷史的質疑問題：碲化鎘薄膜和晶硅電池相比，先天性效率較低，為什麼公司還專註於相關技術的開發？在列舉了諸多理論上，工程上和實際應用中的比較數據之後，他堅定的說：「Thekey things is, there is a lot of headroom up there (關鍵是，還有很多上升空間)」

正像特斯拉說的，從理論到實踐不是一蹴而就的，但是有了理論的指導和持續的嘗試，實踐最終會向理論看齊。而且，在Headroom中前行的過程是激動人心的。
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