早期硅电池

(上一页的延续。摘自 ^[Green1990])

大约在 20 世纪 30 年代开发硒电池的同时，硅因其在点接触整流器中的应用而受到越来越多的关注。至少从 1874 年起，人们就知道尖锐的金属点接触与各种晶体的整流特性 ^[Braun1874]。在无线电的早期，这种晶体整流器是无线电接收器中最常用的探测器，但随着热电子管的发展，晶体整流器在除超高频应用之外的所有应用中都被替换。事实证明，钨尖是与硅表面接触的最合适的材料。对硅纯度的研究也导致了对其特性的进一步了解。

在为此目的制备的纯硅重结晶熔体的研究中，Ohl ^[Ohl1941] 发现在由市售高纯度硅生长的硅锭中存在明确的势垒。

(a)铸锭显示出熔化过程中杂质偏析形成的自然接合；(b)垂直于结切割的光伏器件；(c)平行于连接处切割的装置；(d)平行于结点切割的器件顶面。

1941 年，甚至在对掺杂剂的了解还很有限之前，就描述了基于这些自然结的硅光伏器件 ^[Ohl1941]。在上图中，(a) 显示了硅铸锭中自然生长的结。铸锭由酸浸冶金级硅制成，熔化后从顶部冷却。如(a)所示，通过从锭切割来制备电池。或者，可以平行于连接处切割器件，如 (c) 所示。

这种天然屏障首先是在用于电阻率测量的锭切下的棒中发现的。该棒表现出良好的光伏响应，具有高热电系数，并且具有良好的整流性能。当照射或加热时，棒的一端产生负电势，并且必须施加负偏压，以便对流过势垒或流过与该材料的点接触的电流表现出低电阻。具有这些特性的材料被称为负型或 n 型硅，相反类型的材料被称为正型或 p 型。随后显示了施主和受主杂质在产生这些特性中的作用。

尽管这些器件的性能与当时可用的薄膜器件类似，但其制备方法显然不适合方便制造。然而，很明显，如果能找到一种合适的方法来均匀地激活大面积的硅表面，就可以制造出有竞争力的电池。 1952 年，Kingsbury 和 Ohl ^{[Kingsbury1952]} 报道了改进的硅太阳能电池，使用更纯的硅来防止生长结的形成和表面的离子轰击以形成整流结。

与此同时，晶体生长技术和通过扩散形成结的技术的发展导致Chapin, Fuller 和 Pearson ^[Chapin1954]于 1954 年宣布了第一个现代硅电池。这些电池具有下图所示的双后接触结构，并且具有较高的效率6%，约为早期设备的 15 倍，开启了光伏发电的第一个真正前景。引起了极大的兴趣 ^[Bell1955]。然而，鉴于硅制备工业的不成熟，人们很快就发现最初的热情还为时过早。然而，这些电池被证明适合太空使用，并成为其主要应用，直到 1970 年代初期。

早期的硅太阳能电池结构。

References

1. M. Green, “Photovoltaics: coming of age,” IEEE, pp. 1-8, 1990. https://doi.org/10.1109/PVSC.1990.111582
2. F. Braun, “On Conductance in Metal Sulphides,” Ann. d. Physik, vol. 153, pp. 556, 1874.
3. R.S. Ohl, “Light-Sensitive Electric Device,” U.S. Patent, vol. 2, pp. 402, 602, 1941.
4. E.F. Kingsbury and R.S. Ohl, “Photoelectric Properties of Tonically Bombarded Silicon,” Bell Systems Technical Journal, vol. 31, pp. 802-815, 1952.
5. D.M. Chapin, C.S. Fuller and G.L. Pearson, “A New Silicon P-N Junction Photocell for Converting Solar Radiation into Electrical Power,” Journal of Applied Physics, vol. 25, pp. 676-677, 1954.
6. “Bell Laboratories Record,” 1955.