這個世界上最能讓人激動的事情莫過于發明者看到自己的創造從大(dà)腦的一(yī)個靈感，經過理論，實踐和無數的嘗試，最終成爲現實。這種情緒讓人忘卻食物(wù)，睡眠，一(yī)切的一(yī)切。——尼古拉特斯拉

　　此文向那些爲了人類能源可持續發展貢獻自己才智和心血的科學家，工(gōng)程師，企業家，以及所有相關的人緻敬。本文不可作爲股票(piào)投資(zī)參考依據。資(zī)料來自多年整理，積累自業内訪談，學術論文，行業報告，同行吐槽和網絡信息。


　　FirstSolar作爲全球光伏行業的龍頭企業，是一(yī)個及其有趣的現象。它獨辟蹊徑，采用和大(dà)多數太陽能公司不同的光伏材料并且一(yī)路堅持了20多年，卻以一(yī)個技術少數派的身份在行業中(zhōng)一(yī)枝獨秀，成爲過去(qù)3年唯一(yī)真正盈利的太陽能公司。本文旨在介紹其技術，産品發展的曆史，從一(yī)個側面來探尋其内在原因。


　　1959年的利物(wù)浦西郊的一(yī)家工(gōng)廠裏，一(yī)個略顯秃頂的中(zhōng)年人正和一(yī)群工(gōng)程師讨論者什麽，從每個人血紅的眼睛來看，大(dà)家至少48個小(xiǎo)時都沒有休息過。末了，那個中(zhōng)年人沙啞的說道：“控制流量，讓重力爲我(wǒ)們服務。”打開(kāi)制動開(kāi)關，20分(fēn)鍾後，全場一(yī)片歡呼，一(yī)個偉大(dà)的時代到來了。


　　這個中(zhōng)年人的名字叫AlastairPilkington，20世紀最偉大(dà)的發明家之一(yī)。此人畢業于劍橋三一(yī)學院，二戰的時候加入英國皇家炮兵，1947年畢業後作爲遠親，加入英國著名的玻璃家族企業PilkingtonBrothers。


　　雖然沒有直接的親屬關系，公司總裁還是希望Alastair加入董事會。但是作爲三一(yī)學院最優秀的學生(shēng)，Alastair對發明創造的熱情遠遠超過了騎馬，打獵，橋牌和看戲。他堅持成爲技術經理，并且開(kāi)始主持公司曆史上最具野心的研發計劃。


　　玻璃，無疑是人類曆史上最偉大(dà)的發明之一(yī)。公元前2000年，埃及人發現高溫燒灼蘇打粉和矽酸鹽可以産生(shēng)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(qù)的3000多年裏，其發展極其緩慢(màn)。Alastair還能記得，隻有教堂和貴族的家裏才可以使用超過大(dà)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平闆透明玻璃，小(xiǎo)小(xiǎo)一(yī)塊居然需要1萬美金。（折合今天大(dà)約12萬美金）随着近代建築業和工(gōng)業的發展，制造大(dà)面積平整的玻璃成爲其是否能廣泛應用的關鍵，也成爲Alastair的夢想。


　　對于當時的平闆玻璃制造主流是兩種方法：拉伸法和鑄造法。前者因爲拉伸過程中(zhōng)手工(gōng)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抛光，整體(tǐ)材料人工(gōng)成本非常昂貴。


　　1843年HenryBessemer提出的“浮法工(gōng)藝”引起了他的極大(dà)興趣：既然抛光玻璃和保持平整在加工(gōng)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(gōng)藝就是一(yī)種利用重力的方法，使液态的玻璃體(tǐ)漂浮在密度高的液體(tǐ)金屬（錫）上，可以産生(shēng)平整而均勻的玻璃。如果表面張力的關系控制得當，玻璃不需要傳統抛光就可以透明。


　　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産。Alastair念的是力學機械工(gōng)程，對材料特性非常敏感。他仔細研究了這個工(gōng)藝，得出以下(xià)結論：


　　1.浮法工(gōng)藝是理論上唯一(yī)有可能取代傳統工(gōng)藝，大(dà)幅度降低成本，讓高質量玻璃走進大(dà)衆日常生(shēng)活的途徑


　　2.浮法工(gōng)藝的成功關鍵在于金屬材料的選取，玻璃的氣體(tǐ)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帶着一(yī)份報告和初步實驗數據，說服了董事會斥巨資(zī)開(kāi)始了艱苦的浮法玻璃研發之路。經過大(dà)量的資(zī)金人力投入，多種材料和工(gōng)藝的實驗，失敗，重新設計，終于在1959年，也就是本文開(kāi)頭的時候，成功使用浮法玻璃工(gōng)藝生(shēng)産出高質量的，平整而無需抛光的高透明玻璃。


　　這是工(gōng)業界的一(yī)道閃電(diàn)。浮法工(gōng)藝也被命名爲Pilkington工(gōng)藝。不到10年的時間，大(dà)面積高質量玻璃的成本下(xià)降了接近100-1000倍。全世界99%的玻璃都使用浮法工(gōng)藝，玻璃，作爲建築，運輸行業不可或缺的一(yī)部分(fēn)，走進了平常人的生(shēng)活。Pilkington也在1970年代一(yī)躍成爲世界最大(dà)的玻璃制造商(shāng)。Alastair也因爲這項偉大(dà)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(jiù)是教科書(shū)般的燦爛陽光，在鳳凰城市郊的一(yī)座豪宅中(zhōng)，高朋滿座。衆人正在聚精會神的聽(tīng)着主人的演講。主人的名字叫HaroldMcmaster。


　　Harold出生(shēng)于1916年，和他的好朋友Pilkington一(yī)樣是一(yī)位玻璃行業的重量級發明家，擁有超過100項發明。畢業于俄亥俄大(dà)學的物(wù)理系的他成長與二次工(gōng)業革命後期的美國。他和他的前輩們如愛迪生(shēng)，GeorgeWestinghouse這些沒有受過高等教育的工(gōng)匠型發明家不同，他接受過良好的物(wù)理學基礎教育，對工(gōng)業應用的發明更具有前瞻性。同Pilkington一(yī)樣，他也敏銳的發現，随着工(gōng)業時代的到來，玻璃的應用必将普及。而他更注重應用，他發現在玻璃最大(dà)的應用：工(gōng)業建築和汽車(chē)上，由于其易碎而且碎片容易劃傷人，使得其使用成本大(dà)大(dà)提高。在經過長時間的研究後，他發現玻璃通過淬火(huǒ)工(gōng)藝能夠大(dà)大(dà)提高強度，還可以降低碎片鋒利程度。于是在PilkingtonGlassCo合作緊密的LibbeyOwensFordGlass公司工(gōng)作10年後，他創立了自己的玻璃公司，Permaglass。并且使用淬火(huǒ)工(gōng)藝發明了我(wǒ)們沿用至今的偉大(dà)産品：鋼化玻璃。毫不誇張的說，鋼化玻璃是工(gōng)業化時代應用最廣的玻璃品種之一(yī)。之後數年Harold将Permaglass做大(dà)，和GuardianIndustries合并，發展到今天已經成爲員(yuán)工(gōng)18000人業務覆蓋21個國家的大(dà)型國際玻璃集團。


　　1980年初退休的Harold僅僅60出頭，這對一(yī)個精力旺盛充滿智慧的發明家和企業家來說并不是一(yī)件令人特别高興的事情。他一(yī)直追尋着自己發展玻璃工(gōng)業的夢想。在工(gōng)業建築和汽車(chē)行業之後，他一(yī)直在尋找下(xià)一(yī)個玻璃革命的應用。


　　這個時候的美國已經發生(shēng)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(zhōng)。油價一(yī)再的飙升，電(diàn)力行業的不景氣讓太陽能發電(diàn)的研究越來越熱。西海岸斯坦福大(dà)學的GeraldPearson作爲第一(yī)批先驅者，提出基于半導體(tǐ)光生(shēng)伏打效應收集電(diàn)流獲取電(diàn)能的系列理論引起了Harold極大(dà)的興趣。他先後拜訪了美國最前沿的光伏研究中(zhōng)心：斯坦福大(dà)學和科羅拉多的新能源研究中(zhōng)心(NREL)，有一(yī)件事情讓他特别印象深刻：光伏電(diàn)池是一(yī)層半導體(tǐ)夾在兩塊玻璃之間。玻璃的重量占整個終端産品的95%以上。


　　這時候他有了一(yī)個奇妙的想法：光伏産品本質上就是玻璃産品的延伸。這對Harold來說是一(yī)個驚天的發現。長期工(gōng)作在工(gōng)程開(kāi)發第一(yī)線的他有着GeraldPearson和BobSwanson不具備的敏銳直覺：如果能将夾在玻璃中(zhōng)間的矽片的生(shēng)産工(gōng)藝簡化成一(yī)層薄膜，那制造成本将指數降低（誰也比不過浮法玻璃的成本），光伏發電(diàn)成本很快就會低于火(huǒ)電(diàn)。


　　這一(yī)想法在當時并未受到主流學界的重視。Gerald那個時候已經是行業的泰山北(běi)鬥，統領光伏行業各大(dà)門派。作爲一(yī)個标準的半導體(tǐ)人，他認爲光伏組件本質是一(yī)塊半導體(tǐ)，玻璃和封膠隻是保護半導體(tǐ)的封裝結構而已。而Harold看來，他過去(qù)20年做的玻璃，不是鍍增透膜就是鍍反射膜，光伏組件隻是鍍了吸光膜的玻璃而已。事後的發展證明，Harold的觀點更爲貼切。因爲半導體(tǐ)産品基本都放(fàng)置在室内應用，而玻璃才需要在戶外(wài)風吹雨淋，以做玻璃産品爲出發點做太陽能産品似乎更爲貼切。


　　在美國國家新能源實驗室（NREL），Haroldlicense了他們研究最成熟的薄膜矽技術，融資(zī)1千2百萬美金成立了GlassTechSolar公司。然而Gerald對基于薄膜不定型矽的PN結結構的評價一(yī)針見血：danglingbonds導緻缺陷态太多，大(dà)大(dà)影響了光電(diàn)轉換效率，Harold本身對半導體(tǐ)器件工(gōng)作原理又(yòu)不太了解，以至于公司成立了幾年，連一(yī)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(bái)費(fèi)的，哪怕是失敗也是有收獲的，Harold的收獲，就是發現了一(yī)種新的光伏材料：碲化镉。


　　要說這碲化镉并不是什麽新鮮事物(wù)。早在Gerald和Shockley60年代研究各種半導體(tǐ)光伏材料的時候就提出，單節光伏電(diàn)池要想接近Shockley-Quessier極限，最好的能帶間隙應該在1.5電(diàn)子伏。經過研究，大(dà)家發現碲化镉最接近這一(yī)數字，從60年代GE就開(kāi)始研究這種材料。一(yī)直以來，由于碲化镉n型摻雜(zá)的困難而進展緩慢(màn)。


　　這一(yī)切在1981年得到了解決。華裔科學家田元生(shēng)博士在柯達北(běi)美研究所提交了自己的專利（US4207119A），首先提出通過近距離(lí)升華法(CSS)在透明導電(diàn)玻璃上沉積n型硫化镉和p型碲化镉得到高質量碲化镉光伏電(diàn)池。這個解決方案在器件層面如此的優雅，一(yī)舉解決了碲化镉n型摻雜(zá)的困難和高質量薄膜制備的困難。并且異質結的能級排列還可以進一(yī)步提高光電(diàn)轉換效率。果不其然的是，和過去(qù)大(dà)家得到的3-4%的效率不同，田博士一(yī)舉獲得10%的轉換效率。不過可惜的是，田老兄限于CSS量産的困難并沒有堅持下(xià)去(qù)，若幹年後回中(zhōng)國大(dà)陸搞起了OLED。


　　然而，田博士的研究激勵了更多的科學家，其中(zhōng)包括他的同胞，碲化镉泰山北(běi)鬥級人物(wù)朱挺教授。朱教授在南(nán)佛羅裏達大(dà)學教書(shū)，是科班半導體(tǐ)出身，很快發現了田博士方案的美中(zhōng)不足：硫化镉不透明而呈淺黃色，大(dà)大(dà)影響了轉換效率。朱教授通過減小(xiǎo)硫化镉厚度和優化透明電(diàn)極的方法得到了16%以上的轉換效率，至此，碲化镉光伏電(diàn)池已經快追上傳統晶矽電(diàn)池的性能了。


　　這一(yī)切都被Harold看在了眼裏，他知(zhī)道他的機會來了。向朱教授和其同事經過充分(fēn)調研和學習後，他發現，傳統的CSS近距離(lí)升華工(gōng)藝對研發是一(yī)個很好的工(gōng)具，但是并不适合量産，速度太慢(màn)質量也不好控制。在玻璃上大(dà)面積快速均勻鍍膜的技術成爲碲化镉薄膜太陽能電(diàn)池是否能商(shāng)用化的關鍵。而這正是Harold鑽研一(yī)生(shēng)的技術。


　　而這時，薄膜太陽能闆最關鍵的技術之一(yī)，TCO導電(diàn)玻璃，已經在PilkingtonGlass公司開(kāi)發出了成熟的産品。


　　于是，這個1989年鳳凰城的夏天，Harold找來了過去(qù)投資(zī)GlassTechSolar的投資(zī)人，把之前的投資(zī)資(zī)金大(dà)部分(fēn)還給他們，說我(wǒ)要關掉這個公司，重新成立新的公司做碲化镉光伏電(diàn)池。在講完此技術的發展曆程之後，Harold成功融資(zī)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，專注于碲化镉薄膜的商(shāng)用化産品開(kāi)發。


　　遵循自己的設想，Harold首先專注在碲化镉鍍膜工(gōng)藝和設備開(kāi)發上。CSS的限制在于材料升華沉積的速度太慢(màn)。根據自己多年經驗，他決定使用氣體(tǐ)噴塗的方法，即在一(yī)個腔體(tǐ)内将碲化镉微小(xiǎo)粉末充分(fēn)混合均勻，然後通過氣體(tǐ)(carriergas)将其搬到基闆上噴塗附着。這有一(yī)點借用噴墨打印機的原理。這樣的工(gōng)藝聽(tīng)起來簡單但是實現起來及其困難。耗費(fèi)了大(dà)量的時間和精力，終于在90年代中(zhōng)期在手下(xià)天才工(gōng)程師RickPowell的領導下(xià)開(kāi)發成功，Harold管他的工(gōng)藝叫氣相傳輸沉積(VTD)。


　　直到90年代末，SolarCell,Inc在工(gōng)藝量産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于公司技術研發，他甚至請來了老朋友Pilkington，花巨資(zī)和PilkingtonGlass合作開(kāi)發世界上最好的透明導電(diàn)玻璃。然而，由于當時前端工(gōng)藝和封裝工(gōng)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(zhōng)不具有成本上的吸引力。


　　1998年，83歲高齡的Harold考慮到身體(tǐ)每況愈下(xià)，公司需要新的領導者和投資(zī)人，開(kāi)始了艱難的融資(zī)曆程。當時的美國隻有兩家正經的太陽能公司，SolarCell,Inc和BobSwanson的Sunpower。大(dà)部分(fēn)風險投資(zī)人對太陽能及其陌生(shēng)，Harold無數次碰壁，然而他堅信：太陽能商(shāng)用的時代，就要到來了。終于有一(yī)天，他坐在了正确的人面前，這個人叫John。


　　John問：爲什麽是碲化镉？


　　答：最好的光伏材料，從光學特性和可制造性來說。


　　問：爲什麽是薄膜？


　　答：薄膜本質就是鍍膜玻璃，這是光伏電(diàn)池最經濟最可靠的制造方法，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(wǒ)要買你的公司。


　　John的全名叫JohnWalton，沃爾瑪家族第二代核心成員(yuán)，SamWalton的小(xiǎo)兒子。他一(yī)直在尋找颠覆性的技術創新，直到他找到了Harold。于是，他旗下(xià)的TrueNorthPartner于1999年注資(zī)4千5百萬美金，收購了SolarCell,Inc，然後給公司起了一(yī)個霸氣的名字：FirstSolar(第一(yī)太陽能)。


　　接手公司後John幹的第一(yī)件事情就是給自己的老朋友MikeAhearn打電(diàn)話(huà)：哥們兒，我(wǒ)要大(dà)幹一(yī)場，你來幫我(wǒ)吧。


　　Mike是一(yī)個低調的人，律師出身的他有着強大(dà)的邏輯思維。90年代初和John認識，幫他投資(zī)了很多成功的公司，及得沃爾瑪家族的信任。這次，他被John任命爲公司的CEO。


　　新上任的Mike并沒有急于采取行動。經過數月的觀察，他發現公司還是一(yī)個科學家氛圍的研究所。于是，他進行了一(yī)系列的人員(yuán)重組和戰略調整，發出了強力而明确的信号：公司的一(yī)切工(gōng)作，都圍繞大(dà)規模低價量産這唯一(yī)的目标，包括了工(gōng)藝優化，流水線建設，研發方向可行性等。他大(dà)刀闊斧的裁員(yuán)，走了一(yī)大(dà)批元老，然後引入了很多從英特爾這樣的優秀半導體(tǐ)公司來的行内先進制造業專家。爲了解決量産問題，他甚至從豐田公司不惜重金挖來專攻six-sigma制造管理的專家。


　　然而，上天并沒有在一(yī)開(kāi)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(yī)條試運營生(shēng)産線未達到目标，模組效率僅爲9%左右。公司員(yuán)工(gōng)感覺，可能這次真的要關門大(dà)吉了。然而，Mike的小(xiǎo)宇宙也爆發了。


　　在持續的，馬拉松式的溝通說服過程中(zhōng)，Mike向John介紹了FirstSolar成立3年來過去(qù)的工(gōng)作，展示了過去(qù)的技術進步和未來的展望。末了，Mike說，我(wǒ)們離(lí)光伏平價上網很接近了。你設想的人人都能從電(diàn)網外(wài)獲得電(diàn)能的理想快要實現了，我(wǒ)們不需要理論突破，我(wǒ)們隻需要一(yī)點點工(gōng)藝的最優化。John說：好的，我(wǒ)相信你。于是沃爾瑪家族繼續投資(zī)1億美金。


　　在JimNolan和RickPowell這兩位世界級技術專家的領軍下(xià)，輔以碲化镉泰鬥朱挺教授的理論指導，這一(yī)次沒有讓Mike和John失望。FirstSolar在2004-2005年第一(yī)條生(shēng)産線成功量産，規模25兆瓦，組件效率10%左右。


　　之後的事情就衆人皆知(zhī)了：


　　2006年，FirstSolar登陸紐交所，當天價格27美金；


　　2009年，FirstSolar成爲世界第一(yī)家将組件成本降至1美金每瓦以下(xià)的太陽能公司；


　　2009年，FirstSolar成爲世界第一(yī)家産能超過1GW的太陽能公司


　　2010年，FirstSolar成爲世界第一(yī)家成功從組件制造商(shāng)轉型成太陽能項目開(kāi)發，建設到售後服務垂直整合的太陽能集團


　　2011-至今，FirstSolar成爲世界上市值最大(dà)的太陽能公司。


　　2013年，FirstSolar連續兩次破了碲化镉模組和電(diàn)池闆效率的世界紀錄。（16.1%和18.7%）


　　FirstSolar，真的成爲了第一(yī)太陽能。


　　如今，爲薄膜太陽能技術做出重大(dà)貢獻的Pilkington爵士和Harold已經離(lí)開(kāi)了我(wǒ)們，無緣見到。Mike也退休在家，專職早期風險投資(zī)。公司新的一(yī)代領導人是CEOJimHughes和CTORaffiGarabedian。


　　在最近的一(yī)次Raffi主持的Seminar上，有人問出了那個經典的，貫穿FirstSolar整個發展曆史的質疑問題：碲化镉薄膜和晶矽電(diàn)池相比，先天性效率較低，爲什麽公司還專注于相關技術的開(kāi)發？在列舉了諸多理論上，工(gōng)程上和實際應用中(zhōng)的比較數據之後，他堅定的說：“Thekeythingsis,thereisalotofheadroomupthere(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(yī)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(zhōng)前行的過程是激動人心的。

來源：新力光源有限公司