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3． George Cove的光伏研究

George Cove到底是如何制造出領(lǐng)先時代 60 年的太陽能電池板的？

根據(jù)擁有半導體工程背景的 Philip Pesavento 的說法，Cove本打算制造更好的熱電發(fā)電機 （TEG），愛德華韋斯頓在 1888 年制造了第一臺實驗性太陽能熱電發(fā)電機（或 STEG），這也是那個時代最流行的科技創(chuàng)新。

Cove將他的發(fā)電機暴露在柴爐和直接太陽能的熱量下，他的意圖也從他描述他的設(shè)備的方式中清楚地看出：

“框架包含許多紫羅蘭色玻璃窗格，通過瀝青復合背襯，在其后面設(shè)置了許多小金屬塞。插頭的一端總是暴露在陽光下，而另一端則涼爽且有遮蔽�！�

創(chuàng)造盡可能大的溫差是熱電發(fā)電的關(guān)鍵，因此 Cove 的設(shè)計是有道理的。問題是，當他測量發(fā)電機的功率輸出時，它并沒有像熱電發(fā)電機應該做的那樣對熱量做出反應。最初，Cove 觀察到他的發(fā)明在暴露于太陽能時利用熱和光來發(fā)電：

“我的發(fā)明的主要部分是金屬插頭的特殊成分，它受到太陽的作用，電流不僅由熱射線產(chǎn)生，而且由紫色光產(chǎn)生”。

然而，在對柴爐和太陽能進行進一步實驗后，Cove認為：

“當機器暴露于各種人工熱源時，它根本不供電。除了太陽的熱射線（短波紅外線）外，紫色光或紫外線可能在建立電流方面是活躍的”。

Cove 太陽能光伏電池板的原電池是一個三英寸長的插頭或金屬棒，由幾種常見金屬的合金制成。1．5 平方米的面板有 976 個金屬插頭，4．5 平方米的陣列則有 4 x 1804 個插頭。盡管Cove的試驗保持插頭一側(cè)冷卻而另一側(cè)保持熱 – 并由瀝青作為隔熱層隔開 – 但之后發(fā)現(xiàn)隔熱并不重要，因為Cove發(fā)明的根本不是熱電，而是光伏發(fā)電。

Cove 在不知不覺中建立了金屬 － 半導體接觸。

4． 發(fā)了電，卻不知為何發(fā)電

盡管成功地用該裝置進行了光伏發(fā)電，George Cove 卻怎么也不明白他的太陽能發(fā)電機是如何工作的，而當時其他人也不明白。

那時已經(jīng)有科學家知道光伏效應，愛因斯坦在1904年才對光電效應做出了解釋�？茖W家知道理論，知道光能轉(zhuǎn)化為電，但那只是停留在“效應”，卻不知道如何實現(xiàn)并利用光伏發(fā)電。直到愛因斯坦在1921年因為此前提出的解釋光電效應的理論而獲得諾貝爾物理獎，科學家才開始了更多光電效應方面的研究工作和1930 年代以后的量子力學工作，才開始提出并了解了“半導體帶隙”的概念。

“半導體帶隙”是將光伏效應理論變成光伏電池產(chǎn)品的實踐基礎(chǔ)。電子以不同的“狀態(tài)”圍繞原子核運行，形成稱為“帶”的區(qū)域。這些帶將它們的電子牢牢固定在原位。在這些帶之間是“帶隙” － 沒有電子的狀態(tài)，理解了帶隙，才能理解電子的躍遷和載流子的移動。

導體沒有帶隙，因此電子流過它們，所以金屬可以導電。在絕緣體（如木材、玻璃、塑料或陶瓷）中，有一個非常寬的帶隙，它會阻止電流流動。而在半導體中，有一個相對較窄的帶隙。這使它們可以充當絕緣體或?qū)�體。當半導體吸收能量勢等于或大于半導體材料帶隙的“光子”（光的基本粒子）時，它們就可以成為導體。

理解了“半導體帶隙”，科學家就有了方向，要將“光電效應”的電流持續(xù)發(fā)生并保存下來，需要制造一個肖特基結(jié)，抱歉，那時還不叫科學家肖特基還沒有發(fā)明肖特基結(jié)。

為了讓光伏效應持續(xù)發(fā)生，系統(tǒng)中必須存在一些不均勻性。所謂的 pn 結(jié)就做到了這一點，它形成了帶正電荷和帶負電荷的半導體之間的邊界。P型半導體具有稱為“空穴”（吸引電子）的電子空位，而 N 型半導體具有額外的電子，在兩者之間的連接處是電勢。

1938年德國的W．H．肖特基提出理論模型，對此特性作了科學的解釋，一種簡單的金屬與半導體的交界面，它與PN結(jié)相似，具有非線性阻抗特性（整流特性）。故后來把這種金屬與半導體的交界面稱為肖特基結(jié)或肖特基勢壘。

在1950 年代，貝爾實驗室的科學家們設(shè)法用從所謂的肖特基結(jié)制造光伏電池，該結(jié)將半導體與金屬連接起來。在這種情況下，金屬起到n型半導體的作用。

但在科學家理解“半導體帶隙”之前，沒有人知道該如何讓“光伏效應”變成“光伏發(fā)電”，更沒有肖特基結(jié)，這一點，別人不知道，George Cove也不知道。

然而，盡管George Cove不知道半導體帶隙和肖特基結(jié)，但Philip Pesavento通過調(diào)查表示，“我的假設(shè)是 George Cove 偶然發(fā)現(xiàn)了一種肖特基接觸式光伏電池，比真正的肖特基發(fā)明人 － 德國的 W．H．肖特基（Walter Schottky）描述它的時間還早了幾十年”。