作者:孟凌霄 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/3/21 21:36:59
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华人首度获奖!这对科研伉俪曾靠二手旧设备,不断刷新世界纪录

 

“从来没想过,搞工程的还能有这样一份大奖。”
近日,年近70岁的华人光伏科学家赵建华、王艾华夫妇,荣获被誉为“工程界诺贝尔奖”的伊丽莎白女王工程奖。这是该奖创设立10年来,华人科学家首度获此殊荣。
赵建华、王艾华夫妇因共同发明PERC(钝化发射极和背面点接触)太阳能电池技术,与澳大利亚新南威尔士大学教授Martin Green、澳大利亚国立大学荣誉教授Andrew Blakers共同获得该奖项,分享50万英镑奖金,相当于415万人民币。
刚得知获奖消息时,赵建华有点不敢相信:“几乎国际上所有的知名奖项,都是奖励给理论上有建树的科学家的,像奖给工程人员的,这还真是独一份!”
40多年前,这对夫妇“偶然”步入光伏工程领域,便一次又一次打破晶体硅太阳能电池转换效率的世界纪录。在获得新南威尔士大学的稳定教职后,他们却举家辞职回国创业。这一路,有雄踞近30年的太阳能电池效率世界纪录,有美国纳斯达克敲钟上市的高光时刻,也有几经受挫的至暗低谷……成败得失,难于一言以蔽。
赵建华、王艾华夫妇在接受《中国科学报》采访时,对40余年的光伏之路如此总结:“都是偶然性凑到一起。不过,人生机遇,多是一步一步走出来的”。
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90年代,赵建华与王艾华在新南威尔士大学光伏实验室。 受访者供图(下同)

花一个月工资,买一台打字机

故事要从一台“蛮贵的”打字机说起。
1984年,29岁的赵建华是山东工业大学(后并入山东大学)的讲师,凭借“费劲”的英语水平,“偶然”考中了山东省公费出国留学的名额(全省第二名)——不限国家、不限方向,“自己联系,爱上哪去上哪去”。
于是,赵建华专门花了几十块钱(整整一个月工资)购买了一台机械打字机,打出一份申请信草稿,然后复印出20份申请信,再填写上实验室、导师的名字,最后用英文花体签上自己的姓名,寄给世界各地的实验室。
其中,10份申请信寄给了微电子方向的实验室,这是赵建华在南京工学院(后改名为东南大学)的学士专业领域;另外10份,寄给了新兴的太阳能电池方向的实验室,这是赵建华在南京工学院攻读硕士的研究方向。
出乎赵建华意料的是,最早向他抛出橄榄枝的,不是“讲究快节奏”的美国人,而是他在硕士时期追寻的著名的澳大利亚新南威尔士大学的Martin Green 教授。
如今看来,那台“蛮贵的”打字机真值了。
很快,在大洋彼岸的澳洲,Martin Green迎来了第一位来自中国的博士生。仅仅三个月后,这个年轻中国小伙子就刷新了太阳能电池效率的世界纪录。Martin Green向《中国科学报》形容,赵建华几乎立即就成为了实验室的宝贵成员。
1985年年底,赵建华向Martin Green力荐自己的妻子、南京工学院的同班同学王艾华。Martin Green回忆,当时赵建华向他保证,妻子在微电子方面比自己更出色。Martin“赌了一把”,也“赌对了”。由此,王艾华成为Martin Green实验室第二位来自中国的博士生。
放眼当时的澳洲,只有约110位中国留学生,在悉尼有70位,其中30来位在新南威尔士大学。自赵建华和王艾华之后,Martin Green出于对中国科学家的好印象,陆续接收了施正荣、戴熙明等中国学生和同事。这些“门徒”日后将以“新南威尔士大学帮”的集体形象,撑起中国光伏产业的半壁江山。
多年后,业内流传着对Martin Green青睐中国“门徒”的猜测:会拿筷子的中国人,想必手巧、细致。

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赵建华在新南威尔士大学光伏实验室进行批量生产的实验

用美国人淘汰的二手旧设备,不断刷新世界纪录

往回倒退30年,做太阳能电池的圈子太小了。
“那时候,我到哪儿去开会,都是这帮人,还是这些教授,还是这些学校。工业界就是那么几个小公司,也生产不了几个电池。”赵建华回忆。
在当时的小圈子里,德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所、美国斯坦福大学微电子实验室都以“财大气粗”、设备高精尖著称。美国佐治亚理工学院、比利时微电子研究中心、德国康斯坦茨大学的光伏实验室等都有着集成电路水平的实验设备。然而,一次又一次打破晶体硅太阳能电池效率世界纪录,并保持了近30年的实验室,却是“条件相当差”的新南威尔士大学高级硅光伏和光子学研究中心。
 
欧美各国的同行上门拜访时,总诧异于在这里的所“闻”所见:赵建华和王艾华的实验室外,是学生露天聚餐的好去处,“外面烧烤什么味儿,实验室里就有什么味儿”,这个实验室的空气净化系统也“不太净化呀”。实验室内,多是二手、三手设备,其中不乏美国人50年代淘汰的老旧设备。
太阳能电池使用与微电子技术类似的技术,所需的设备造价高昂、更新换代快,当时新南威尔士大学光伏实验室的经费微薄,无法负担。因此,当高精尖半导体企业设备升级,老旧设备被拉到库房处理时,新南威尔士大学光伏实验室的人员才开始“进货”——往往以5%、10%的价格买下这些淘汰设备。
二手设备买回去,还得自己改造控制电路、组装炉管,重新调试测试指标,才能制做电池。
有一次,实验室的光刻机坏了,技术人员找到原厂维修。原厂负责外联工作的是一位老太太,她问清光刻机的型号后,惊呼:“我在公司工作了35年,从没听说过这个型号!你们怎么还有这个型号的机器?”
凭借这些设备,赵建华在1988年制造了第一个高效PERC电池,实现了创纪录的21.8%效率。上世纪90年代,赵建华和王艾华共同将这一数值逐步提升到25%。
如今,PERC技术是太阳能电池板的最具商业可行性的硅太阳能电池技术,已使太阳能发电的成本在过去10年下降了80%以上,在全球太阳能电池市场中占比超过90%。
可以想见,这项技术一旦成为专利,Martin Green团队也许再也不用为科研经费发愁。不过,实验室从一开始就没打算为PERC技术申请专利。
对此,Martin Green告诉《中国科学报》,在PERC首个结果发表前,团队本有机会在1983年到1988年间申请专利,但他们正确地预见了PERC的未来:这项技术需要很多年才能商业化,而在那之前,任何专利都会过期。

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1985年,Martin Green实验室达到20%太阳能电池转换效率的世界纪录,右下紧挨 Martin Green 教授的是赵建华。

唯一的窍门:“照着极限,优化全部”

“你们是怎么做到的?”
在不断打破世界纪录的那些年,几乎所有同行都问过这个问题;在新南威尔士大学成为光伏从业者的“朝圣地”后,几乎所有实验室来访者都问过这个问题;获得伊丽莎白女王工程奖时,几乎所有记者也问过这个问题。
首先可以排除的答案,是实验室的硬件设施。
早在南京工学院期间,赵建华和王艾华就习惯了“简陋”的实验条件。当时电子工程系微电子专业,甚至没有完整的半导体实验室。在楼道里一块墙板竖起来,一边是教研室,一边是研究室,只能在这样的环境里搭设备、做实验。
创造多项世界纪录的新南威尔士大学实验室,依旧以“简陋”著称。赵建华提及,在“全世界都在盯着我们的PERC电池”时,甚至有某位同行上门参观后,“在他自己的研究所里,照着我们这样也搭了一个实验室,想是不是我们实验室搭的结构,有什么诀窍?”但照搬结构的办法,显然没有找对窍门。
窍门是什么?半官方的回答是,1983年,Martin Green提出了能将电池效率提高到25%以上的PERC技术。该技术在电池背面制造电介质钝化层,使得光电转换效率得以提高。由此,才有了21.8%、22.8%,乃至接近极限的25%。
更为外人所接受的答案,是“自由的氛围”。在赵建华、王艾华读博阶段,导师Martin Green只给一个课题,剩下的设计实验、安排工作,到实现目标,全都“自己自由发挥“。Martin Green从不介意赵建华与王艾华“夫妻档”工作,也不介意他们在实验室用中文交流,而这在美国几乎是不可能被允许的。
不过,“自由的氛围”还不够具体。在不断的追问下,赵建华和王艾华只得给出一个“略微详细一点的结论”:“照着极限,优化全部”,即不断地改造提高实验室环境与设备,精益求精地保持自己精准的工艺操作,优化每一个可能的角落,仔细测量分析电池结果,并在理论支持下不断改进电池的设计,从而不断突破以前的效率记录。
1999年,太阳能电池效率已逼近25%,接近Martin Green预测的实践极限。没有人知道下一步实验怎么设计、怎么能让结果比上一次更好一点,唯一能做的,就是不断尝试0.1%的突破。
在近30年间,除了1988年,斯坦福大学以0.1%的优势暂时领先了6个星期,新南威尔士实验室所打破的几乎都是自己创下的世界纪录。
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赵建华和王爱华在中电光伏公司

一个时代的结束,一个时代的开始

千禧年后,赵建华和王艾华第一次萌生了回国创业的念头。
彼时,赵建华已经是新南威尔士大学高级硅光伏和光子学研究中心副主任、副教授,王艾华则在该中心任研究员。
2004年赵建华夫妇决定回国,与杨怀进等人共同创办中电电气(南京)光伏有限公司(下简称中电光伏)。2006年,中电光伏日渐步入正轨,赵建华和王艾华向Martin Green提出离职,全职回国创业,在中电光伏担任首席技术官和副总裁。此时,Martin Green对学生展现出很大的宽容,他同意了赵建华、王艾华夫妇离职。
“一个时代结束了!(End of an era)”,这是赵建华、王艾华的告别宴上,实验室的一位澳洲同事发出的感叹。此言不虚,在所谓的“后赵-王时代”,新南威尔士大学的高效太阳能电池项目基本停滞。以当时有限的实验设备,很难再突破太阳能电池25%的效率极限。
是时候把眼光转移到大洋彼岸了,另一个时代的大幕正在千禧年后的中国缓缓开启。
1999年,杨怀进归国创业。2001年,赵建华的师弟施正荣回国,与杨怀进等共同创立了无锡尚德公司。2004年,赵建华夫妇回国,与杨怀进等一起创立了中电光伏公司。
仅仅三年时间,中电光伏成功在美国纳斯达克上市。也是在这一年,中国光伏电池产量首次超过德国和日本,占居世界第一位。
最早在美国上市的10家中国光伏公司中,有8家企业的技术带头人是新南威尔士大学Martin Green 教授的学生。光伏圈子中的“扬中三杰”赵建华、施正荣、杨怀进,前两位均是Martin Green的“门徒”。(值得一提的是,“扬中三杰”中施正荣、杨怀进确系江苏镇江扬中人,而赵建华祖籍山东,生于北京,是个不折不扣的北方人。)至此,“新南威尔士帮”可以说撑起了中国光伏业的半壁江山。

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王爱华,赵建华在中电光伏研发中心(左三为赵建华,左四为王艾华)

王冠与权杖

时隔多年,你很难从赵建华和王艾华夫妇的生活中,窥见昔日的影子。
随着2008年经济危机、2011年美国对中国出口的光伏产品实行“双反”,以及光伏补贴调整,光伏企业遭到不同程度的打击。
十年一觉光伏梦,扬中三杰今何在?
公开资料显示,曾经的尚德电力公司,巅峰时刻使施正荣身家高达186亿元,成为中国大陆首富,已于2013年破产重整。海润光伏原董事长、澳大利亚籍华人杨怀进,因犯内幕交易罪,被南京中院一审判处有期徒刑2年10个月,并处罚金100万元人民币。杨怀进没有上诉。
赵建华、王艾华夫妇说,他们已经退休了。
国内一些企业,想找他们做顾问。王艾华说:“想想人家都是新技术了,我们也没什么可贡献的,就不去掺和人家。”赵建华说:“我们有那么多学生,都做得挺好的,让他们去做吧。”
他们很少旅游,只有在今年2月初收到获得伊丽莎白女王工程奖的消息时,坐了22个小时飞机,从悉尼前往伦敦。
今年5月或6月,赵建华、王艾华夫妇会再往伦敦,英国国王查尔斯三世将为他们颁发伊丽莎白女王工程奖。10月,是伊丽莎白女王工程奖建立的10周年庆典,所有获奖人将齐聚伦敦参与庆祝大会。
在2月伊丽莎白女王工程奖发布会前,他们按照颁奖方的要求,严格保守着获奖的消息。如普通游客一般,在白金汉宫、大英博物馆,艺术馆,大本钟等地驻足。
发布会后,飞回悉尼前的那个上午,赵建华和王艾华为消磨时间,再次去了皇家工程院(获奖人发布会召开地)拍照留念,然后去了著名的伦敦塔。这座标志性的宫殿历尽沧桑,是曾经的堡垒、军械库、国库和避难所,如今它作为博物馆,展出过去镶嵌着巨大钻石的王冠与权杖。
参考资料:
https://qeprize.org/about-us

 

 
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