玻璃上的光芒---第一太阳能发展史

这个世界上最能让人激动的事情莫过于发明者看到自己的创造从大脑的一个灵感，经过理论，实践和无数的尝试，最终成为现实。这种情绪让人忘却食物，睡眠，一切的一切。---尼古拉特斯拉

此文向那些为了人类能源可持续发展贡献自己才智和心血的科学家，工程师，企业家，以及所有相关的人致敬。本文不可作为股票投资参考依据。资料来自多年整理，积累自业内访谈，学术论文，行业报告，同行吐槽和网络信息。

First Solar作为全球光伏行业的龙头企业，是一个及其有趣的现象。它独辟蹊径，采用和大多数太阳能公司不同的光伏材料并且一路坚持了20多年，却以一个技术少数派的身份在行业中一枝独秀，成为过去3年唯一真正盈利的太阳能公司。本文旨在介绍其技术，产品发展的历史，从一个侧面来探寻其内在原因。

1959年的利物浦西郊的一家工厂里，一个略显秃顶的中年人正和一群工程师讨论者什么，从每个人血红的眼睛来看，大家至少48个小时都没有休息过。末了，那个中年人沙哑的说道：“控制流量，让重力为我们服务。”打开制动开关，20分钟后，全场一片欢呼，一个伟大的时代到来了。

这个中年人的名字叫AlastairPilkington，20世纪最伟大的发明家之一。此人毕业于剑桥三一学院，二战的时候加入英国皇家炮兵，1947年毕业后作为远亲，加入英国著名的玻璃家族企业PilkingtonBrothers。

虽然没有直接的亲属关系，公司总裁还是希望Alastair加入董事会。但是作为三一学院最优秀的学生，Alastair对发明创造的热情远远超过了骑马，打猎，桥牌和看戏。他坚持成为技术经理，并且开始主持公司历史上最具野心的研发计划。

玻璃，无疑是人类历史上最伟大的发明之一。公元前2000年，埃及人发现高温烧灼苏打粉和硅酸盐可以产生的这种奇妙的材料，具有极高的可塑性和装饰性，然而在过去的3000多年里，其发展极其缓慢。Alastair还能记得，只有教堂和贵族的家里才可以使用超过大面积玻璃做窗户。20岁的时候，朋友从新世界美国带回来的Tiffany平板透明玻璃，小小一块居然需要1万美金。（折合今天大约12万美金） 随着近代建筑业和工业的发展，制造大面积平整的玻璃成为其是否能广泛应用的关键，也成为Alastair的梦想。

对于当时的平板玻璃制造主流是两种方法：拉伸法和铸造法。前者因为拉伸过程中手工误差，玻璃很容易有曲率，而后者虽然玻璃可以保证平整，但是铸造用的模具成本非常高，而且很多时候表面还需要抛光，整体材料人工成本非常昂贵。

1843年HenryBessemer提出的“浮法工艺”引起了他的极大兴趣：既然抛光玻璃和保持平整在加工上如此困难，那如果有办法利用自然力才是最佳的选择。浮法工艺就是一种利用重力的方法，使液态的玻璃体漂浮在密度高的液体金属（锡）上，可以产生平整而均匀的玻璃。如果表面张力的关系控制得当，玻璃不需要传统抛光就可以透明。

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这个方法提出之初就获得了很多关注，但是却无人能够成功低价量产。Alastair念的是力学机械工程，对材料特性非常敏感。他仔细研究了这个工艺，得出以下结论：

1.浮法工艺是理论上唯一有可能取代传统工艺，大幅度降低成本，让高质量玻璃走进大众日常生活的途径

2.浮法工艺的成功关键在于金属材料的选取，玻璃的气体环境调整，设备的设计，温度的选取，进料的条件等多方面的设计。

1952年，Alastair带着一份报告和初步实验数据，说服了董事会斥巨资开始了艰苦的浮法玻璃研发之路。经过大量的资金人力投入，多种材料和工艺的实验，失败，重新设计，终于在1959年，也就是本文开头的时候，成功使用浮法玻璃工艺生产出高质量的，平整而无需抛光的高透明玻璃。

这是工业界的一道闪电。浮法工艺也被命名为Pilkington工艺。不到10年的时间，大面积高质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艺，玻璃，作为建筑，运输行业不可或缺的一部分，走进了平常人的生活。Pilkington也在1970年代一跃成为世界最大的玻璃制造商。Alastair也因为这项伟大的发明被授予英国皇家爵士爵位。

然而，玻璃对人类的贡献还远远没有结束。没人能想到，更耀眼的光彩还在后面。

1989年的亚利桑那的夏天仍旧是教科书般的灿烂阳光，在凤凰城市郊的一座豪宅中，高朋满座。众人正在聚精会神的听着主人的演讲。主人的名字叫HaroldMcmaster。

Harold出生于1916年，和他的好朋友Pilkington一样是一位玻璃行业的重量级发明家，拥有超过100项发明。毕业于俄亥俄大学的物理系的他成长与二次工业革命后期的美国。他和他的前辈们如爱迪生，GeorgeWestinghouse这些没有受过高等教育的工匠型发明家不同，他接受过良好的物理学基础教育，对工业应用的发明更具有前瞻性。同Pilkington一样，他也敏锐的发现，随着工业时代的到来，玻璃的应用必将普及。而他更注重应用，他发现在玻璃最大的应用：工业建筑和汽车上，由于其易碎而且碎片容易划伤人，使得其使用成本大大提高。在经过长时间的研究后，他发现玻璃通过淬火工艺能够大大提高强度，还可以降低碎片锋利程度。于是在PilkingtonGlass Co合作紧密的LibbeyOwens Ford Glass公司工作10年后，他创立了自己的玻璃公司，Permaglass。并且使用淬火工艺发明了我们沿用至今的伟大产品：钢化玻璃。毫不夸张的说，钢化玻璃是工业化时代应用最广的玻璃品种之一。之后数年Harold将Permaglass做大，和GuardianIndustries合并，发展到今天已经成为员工18000人业务覆盖21个国家的大型国际玻璃集团。

1980年初退休的Harold仅仅60出头，这对一个精力旺盛充满智慧的发明家和企业家来说并不是一件令人特别高兴的事情。他一直追寻着自己发展玻璃工业的梦想。在工业建筑和汽车行业之后，他一直在寻找下一个玻璃革命的应用。

这个时候的美国已经发生了翻天覆地的变化。能源危机的步步紧逼已经深入美国人民的观念之中。油价一再的飙升，电力行业的不景气让太阳能发电的研究越来越热。西海岸斯坦福大学的GeraldPearson作为第一批先驱者，提出基于半导体光生伏打效应收集电流获取电能的系列理论引起了Harold极大的兴趣。他先后拜访了美国最前沿的光伏研究中心：斯坦福大学和科罗拉多的新能源研究中心（NREL），有一件事情让他特别印象深刻：光伏电池是一层半导体夹在两块玻璃之间。玻璃的重量占整个终端产品的95%以上。

这时候他有了一个奇妙的想法：光伏产品本质上就是玻璃产品的延伸。这对Harold来说是一个惊天的发现。长期工作在工程开发第一线的他有着GeraldPearson和Bob Swanson不具备的敏锐直觉：如果能将夹在玻璃中间的硅片的生产工艺简化成一层薄膜，那制造成本将指数降低（谁也比不过浮法玻璃的成本），光伏发电成本很快就会低于火电。

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这一想法在当时并未受到主流学界的重视。Gerald那个时候已经是行业的泰山北斗，统领光伏行业各大门派。作为一个标准的半导体人，他认为光伏组件本质是一块半导体，玻璃和封胶只是保护半导体的封装结构而已。而Harold看来，他过去20年做的玻璃，不是镀增透膜就是镀反射膜，光伏组件只是镀了吸光膜的玻璃而已。事后的发展证明，Harold的观点更为贴切。因为半导体产品基本都放置在室内应用，而玻璃才需要在户外风吹雨淋，以做玻璃产品为出发点做太阳能产品似乎更为贴切。

在美国国家新能源实验室（NREL），Haroldlicense了他们研究最成熟的薄膜硅技术，融资1千2百万美金成立了GlassTechSolar公司。然而Gerald对基于薄膜不定型硅的PN结结构的评价一针见血：danglingbonds导致缺陷态太多，大大影响了光电转换效率，Harold本身对半导体器件工作原理又不太了解，以至于公司成立了几年，连一片像样的样品都做不出来。

然而，这个世界上，任何努力都不是白费的，哪怕是失败也是有收获的，Harold的收获，就是发现了一种新的光伏材料：碲化镉。

要说这碲化镉并不是什么新鲜事物。早在Gerald和Shockley60年代研究各种半导体光伏材料的时候就提出，单节光伏电池要想接近Shockley-Quessier极限，最好的能带间隙应该在1.5电子伏。经过研究，大家发现碲化镉最接近这一数字，从60年代GE就开始研究这种材料。一直以来，由于碲化镉n型掺杂的困难而进展缓慢。

这一切在1981年得到了解决。华裔科学家田元生博士在柯达北美研究所提交了自己的专利（US4207119 A），首先提出通过近距离升华法（CSS）在透明导电玻璃上沉积n型硫化镉和p型碲化镉得到高质量碲化镉光伏电池。这个解决方案在器件层面如此的优雅，一举解决了碲化镉n型掺杂的困难和高质量薄膜制备的困难。并且异质结的能级排列还可以进一步提高光电转换效率。果不其然的是，和过去大家得到的3-4%的效率不同，田博士一举获得10%的转换效率。不过可惜的是，田老兄限于CSS量产的困难并没有坚持下去，若干年后回中国大陆搞起了OLED。

然而，田博士的研究激励了更多的科学家，其中包括他的同胞，碲化镉泰山北斗级人物朱挺教授。朱教授在南佛罗里达大学教书，是科班半导体出身，很快发现了田博士方案的美中不足：硫化镉不透明而呈浅黄色，大大影响了转换效率。朱教授通过减小硫化镉厚度和优化透明电极的方法得到了16%以上的转换效率，至此，碲化镉光伏电池已经快追上传统晶硅电池的性能了。

这一切都被Harold看在了眼里，他知道他的机会来了。向朱教授和其同事经过充分调研和学习后，他发现，传统的CSS近距离升华工艺对研发是一个很好的工具，但是并不适合量产，速度太慢质量也不好控制。在玻璃上大面积快速均匀镀膜的技术成为碲化镉薄膜太阳能电池是否能商用化的关键。而这正是Harold钻研一生的技术。

而这时，薄膜太阳能板最关键的技术之一，TCO导电玻璃，已经在PilkingtonGlass公司开发出了成熟的产品。

于是，这个1989年凤凰城的夏天，Harold找来了过去投资GlassTechSolar的投资人，把之前的投资资金大部分还给他们，说我要关掉这个公司，重新成立新的公司做碲化镉光伏电池。在讲完此技术的发展历程之后，Harold成功融资1千5百万，和好朋友JimNolan共同成立了SolarCell, Inc请来朱挺教授做高级技术顾问，专注于碲化镉薄膜的商用化产品开发。

遵循自己的设想，Harold首先专注在碲化镉镀膜工艺和设备开发上。CSS的限制在于材料升华沉积的速度太慢。根据自己多年经验，他决定使用气体喷涂的方法，即在一个腔体内将碲化镉微小粉末充分混合均匀，然后通过气体（carriergas）将其搬到基板上喷涂附着。这有一点借用喷墨打印机的原理。这样的工艺听起来简单但是实现起来及其困难。耗费了大量的时间和精力，终于在90年代中期在手下天才工程师RickPowell的领导下开发成功，Harold管他的工艺叫气相传输沉积（VTD）。

直到90年代末，SolarCell, Inc在工艺量产化和薄膜质量上已经做到世界顶尖。Harold也拿出很多自己私人的积蓄用于公司技术研发，他甚至请来了老朋友Pilkington，花巨资和PilkingtonGlass合作开发世界上最好的透明导电玻璃。然而，由于当时前端工艺和封装工艺的技术限制，公司的样品效率始终在7%左右，在实际应用中不具有成本上的吸引力。

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1998年，83岁高龄的Harold考虑到身体每况愈下，公司需要新的领导者和投资人，开始了艰难的融资历程。当时的美国只有两家正经的太阳能公司，SolarCell, Inc和BobSwanson的Sunpower。大部分风险投资人对太阳能及其陌生，Harold无数次碰壁，然而他坚信：太阳能商用的时代，就要到来了。终于有一天，他坐在了正确的人面前，这个人叫John。

John问：为什么是碲化镉？

答：最好的光伏材料，从光学特性和可制造性来说。

问：为什么是薄膜？

答：薄膜本质就是镀膜玻璃，这是光伏电池最经济最可靠的制造方法，最可能低价普及，还可很方便的应用与建筑。

John说：你说的很有道理，我要买你的公司。

John的全名叫JohnWalton，沃尔玛家族第二代核心成员，SamWalton的小儿子。他一直在寻找颠覆性的技术创新，直到他找到了Harold。于是，他旗下的TrueNorth Partner于1999年注资4千5百万美金，收购了SolarCell,Inc，然后给公司起了一个霸气的名字：FirstSolar （第一太阳能）。

接手公司后John干的第一件事情就是给自己的老朋友MikeAhearn打电话：哥们儿，我要大干一场，你来帮我吧。

Mike是一个低调的人，律师出身的他有着强大的逻辑思维。90年代初和John认识，帮他投资了很多成功的公司，及得沃尔玛家族的信任。这次，他被John任命为公司的CEO。

新上任的Mike并没有急于采取行动。经过数月的观察，他发现公司还是一个科学家氛围的研究所。于是，他进行了一系列的人员重组和战略调整，发出了强力而明确的信号：公司的一切工作，都围绕大规模低价量产这唯一的目标，包括了工艺优化，流水线建设，研发方向可行性等。他大刀阔斧的裁员，走了一大批元老，然后引入了很多从英特尔这样的优秀半导体公司来的行内先进制造业专家。为了解决量产问题，他甚至从丰田公司不惜重金挖来专攻six-sigma制造管理的专家。

然而，上天并没有在一开始就回报Mike的努力。2002年，花光了公司几乎所有的现金的第一条试运营生产线未达到目标，模组效率仅为9%左右。公司员工感觉，可能这次真的要关门大吉了。然而，Mike的小宇宙也爆发了。

在持续的，马拉松式的沟通说服过程中，Mike向John介绍了FirstSolar成立3年来过去的工作，展示了过去的技术进步和未来的展望。末了，Mike说，我们离光伏平价上网很接近了。你设想的人人都能从电网外获得电能的理想快要实现了，我们不需要理论突破，我们只需要一点点工艺的最优化。John说：好的，我相信你。于是沃尔玛家族继续投资1亿美金。

在JimNolan和RickPowell这两位世界级技术专家的领军下，辅以碲化镉泰斗朱挺教授的理论指导，这一次没有让Mike和John失望。FirstSolar在2004-2005年第一条生产线成功量产，规模25兆瓦，组件效率10%左右。

之后的事情就众人皆知了：

2006年，FirstSolar登陆纽交所，当天价格27美金；

2009年，FirstSolar成为世界第一家将组件成本降至1美金每瓦以下的太阳能公司；

2009年，FirstSolar成为世界第一家产能超过1GW的太阳能公司

2010年，FirstSolar成为世界第一家成功从组件制造商转型成太阳能项目开发，建设到售后服务垂直整合的太阳能集团

2011-至今，FirstSolar成为世界上市值最大的太阳能公司。

2013年，FirstSolar连续两次破了碲化镉模组和电池板效率的世界纪录。（16.1%和18.7%）

First Solar，真的成为了第一太阳能。

如今，为薄膜太阳能技术做出重大贡献的Pilkington爵士和Harold已经离开了我们，无缘见到。Mike也退休在家，专职早期风险投资。公司新的一代领导人是CEOJim Hughes和CTORaffi Garabedian。

在最近的一次Raffi主持的Seminar上，有人问出了那个经典的，贯穿FirstSolar整个发展历史的质疑问题：碲化镉薄膜和晶硅电池相比，先天性效率较低，为什么公司还专注于相关技术的开发？在列举了诸多理论上，工程上和实际应用中的比较数据之后，他坚定的说：“Thekey things is, there is a lot of headroom up there （关键是，还有很多上升空间）”

正像特斯拉说的，从理论到实践不是一蹴而就的，但是有了理论的指导和持续的尝试，实践最终会向理论看齐。而且，在Headroom中前行的过程是激动人心的。