1821 年，Thomas Seebeck 发现电流将在由两种不同不同温度的金属制成的电路中流动，从而发现“热电效应”并构成了“热电发电机”的基础：将热量直接转化为电能。

1839 年，Antoine Becquerel 发现光也可以转化为电能，此后“光电效应”构成了“光电发电机”的基础 － 我们现在称之为“光伏”发电或太阳能光伏电池。

1941年，第一块单晶硅太阳能电池诞生，1950 年代贝尔实验室推出第一块可商业化的6％转化效率的光伏电池，1955年Hoffman电子推出效率为2％的商业太阳能电池产品，电池为14毫瓦／片，25美元／片，相当于1785 USD／W。

1963年，日本在一个灯塔上安装Sharp公司生产的242W光伏电池阵列，是当时世界最大的光伏电池阵列。1972年法国人在尼日尔一乡村学校安装一个硫化镉光伏系统，用于教育电视供电，这是世界上公认的第一个民用光伏电站。

然而颠覆三观的是，最新的探索发现，早在1905年，也就是爱因斯坦首次解释光电效应后一年，或者说在贝尔实验室工程师发明硅电池之前 40 年，一位名叫George Cove的太阳能先驱，他可能就已经建造了一个高效的光伏系统。

这将把人类的光伏发电的应用提前近60年！

1． 被遗忘的太阳能先驱

在1615年～1900年中，科学家研制成功了许多太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。但是这些动力装置功率不大，几乎全部采用聚光方式才能进行采光，主要是水蒸气为工质，价格昂贵，实用价值不大，但这些太阳能爱好者个人制造的机器却推动了太阳能的研究和发展。

在 1900 年代初期，和众多科学家一样，George Cove 打算建造一个热电发电机，但却意外地制造了一个光伏发电机 － 光伏太阳能电池，效率达到2．75％，这是贝尔实验室科学家在1950年代才实现的转化效率。

一位名叫 Philip Pesavento的光伏爱好者在一个偶然的机会，读到了George Cove的成就。在他看来，George Cove的设计比 1880 年到1940 年之间建造的任何太阳能电池性能更好，并且成功地打造了一个室外的光伏电池阵列，而“如果能证明相对高效的太阳能电池比硅电池的发展早 40 年就发明了，那将是非常令人兴奋的，人类对光伏发电的应用将被提前40年。

更重要的是，如果该发明早就被认识到，并且在第一次世界大战之前有太阳能光伏电池和组件系统，它可能还会将光伏科学史提前，让光伏电池更易于制造，影响当时的化石能源发电进程。

然而 George Cove 和他的发明并没有出现在大多数关于太阳能的历史记载中，但他的太阳能发电装置还是给当时的的流行科技媒体留下了深刻的印象。例如，1909 年，《技术世界》杂志写道：

“这样的机器既便宜又像厨房灶具一样坚不可摧。即使在目前的、有点粗糙和实验性的状态下，如果有两天的阳光，它也能储存足够的电能来照亮一个普通的房子一周。数月以来，这位发明家已经在他的公司中证明了这一点”。

2． George Cove的光伏成就

George Cove 于 1905 年在加拿大新斯科舍省哈利法克斯的大都会大厦展示了他的第一台“太阳能发电机”。目前尽管除了一张图片，没有关于这个面板的数据，然而，它的功率输出和效率足以让美国投资者向加拿大派遣专家进行考察。而当这位专家对机器检查完毕后，他们决定将George Cove 带到美国（马萨诸塞州萨默维尔）继续开发他的设备。

George Cove 于 1909 年在那里展示了他的第二台太阳能发电机。这个 1．5 平方米的面板可以产生 45 瓦的功率，将太阳能转化为电能的效率为 2．75％。到 1909 年中期，Cove 搬到了纽约市，在那里他展示了他的第三个原型，一个太阳能电池阵列，由四个峰值功率为 60 瓦的太阳能电池板组成，共为五个铅酸电池充电，总表面积为 4．5 平方米，最大输出功率为 240 瓦，效率提升至 5％ － 类似于1954年贝尔实验室展示的第一块太阳能电池板。

上图：George的第一块太阳能电池板，于 1905 年展示。资料来源：Technical World Magazine 11， nr．4，1909 年 6 月。

上图：George Cove 的第二块太阳能电池板，其中一个部分缺失。资料来源：技术世界杂志 11，第 4 期，1909 年 6 月。

上图：George的第三块太阳能电池板。资料来源：“利用阳光”，René Homer，Modern Electrics，Vol。II， No．6， 1909 年 9 月。

上图：George的第三块太阳能电池板。面板现在以一定角度倾斜，而不是平放。资料来源：1909 年文学文摘

上图：George Cove的第三个太阳能电池阵列的一块太阳能电池板，表面玻璃盖已拆除。资料来源：“利用阳光”，René Homer，Modern Electrics，Vol。II， No．6， 1909 年 9 月

3． George Cove的光伏研究

George Cove到底是如何制造出领先时代 60 年的太阳能电池板的？

根据拥有半导体工程背景的 Philip Pesavento 的说法，Cove本打算制造更好的热电发电机 （TEG），爱德华韦斯顿在 1888 年制造了第一台实验性太阳能热电发电机（或 STEG），这也是那个时代最流行的科技创新。

Cove将他的发电机暴露在柴炉和直接太阳能的热量下，他的意图也从他描述他的设备的方式中清楚地看出：

“框架包含许多紫罗兰色玻璃窗格，通过沥青复合背衬，在其后面设置了许多小金属塞。插头的一端总是暴露在阳光下，而另一端则凉爽且有遮蔽。”

创造尽可能大的温差是热电发电的关键，因此 Cove 的设计是有道理的。问题是，当他测量发电机的功率输出时，它并没有像热电发电机应该做的那样对热量做出反应。最初，Cove 观察到他的发明在暴露于太阳能时利用热和光来发电：

“我的发明的主要部分是金属插头的特殊成分，它受到太阳的作用，电流不仅由热射线产生，而且由紫色光产生”。

然而，在对柴炉和太阳能进行进一步实验后，Cove认为：

“当机器暴露于各种人工热源时，它根本不供电。除了太阳的热射线（短波红外线）外，紫色光或紫外线可能在建立电流方面是活跃的”。

Cove 太阳能光伏电池板的原电池是一个三英寸长的插头或金属棒，由几种常见金属的合金制成。1．5 平方米的面板有 976 个金属插头，4．5 平方米的阵列则有 4 x 1804 个插头。尽管Cove的试验保持插头一侧冷却而另一侧保持热 – 并由沥青作为隔热层隔开 – 但之后发现隔热并不重要，因为Cove发明的根本不是热电，而是光伏发电。

Cove 在不知不觉中建立了金属 － 半导体接触。

4． 发了电，却不知为何发电

尽管成功地用该装置进行了光伏发电，George Cove 却怎么也不明白他的太阳能发电机是如何工作的，而当时其他人也不明白。

那时已经有科学家知道光伏效应，爱因斯坦在1904年才对光电效应做出了解释。科学家知道理论，知道光能转化为电，但那只是停留在“效应”，却不知道如何实现并利用光伏发电。直到爱因斯坦在1921年因为此前提出的解释光电效应的理论而获得诺贝尔物理奖，科学家才开始了更多光电效应方面的研究工作和1930 年代以后的量子力学工作，才开始提出并了解了“半导体带隙”的概念。

“半导体带隙”是将光伏效应理论变成光伏电池产品的实践基础。电子以不同的“状态”围绕原子核运行，形成称为“带”的区域。这些带将它们的电子牢牢固定在原位。在这些带之间是“带隙” － 没有电子的状态，理解了带隙，才能理解电子的跃迁和载流子的移动。

导体没有带隙，因此电子流过它们，所以金属可以导电。在绝缘体（如木材、玻璃、塑料或陶瓷）中，有一个非常宽的带隙，它会阻止电流流动。而在半导体中，有一个相对较窄的带隙。这使它们可以充当绝缘体或导体。当半导体吸收能量势等于或大于半导体材料带隙的“光子”（光的基本粒子）时，它们就可以成为导体。

理解了“半导体带隙”，科学家就有了方向，要将“光电效应”的电流持续发生并保存下来，需要制造一个肖特基结，抱歉，那时还不叫科学家肖特基还没有发明肖特基结。

为了让光伏效应持续发生，系统中必须存在一些不均匀性。所谓的 pn 结就做到了这一点，它形成了带正电荷和带负电荷的半导体之间的边界。P型半导体具有称为“空穴”（吸引电子）的电子空位，而 N 型半导体具有额外的电子，在两者之间的连接处是电势。

1938年德国的W．H．肖特基提出理论模型，对此特性作了科学的解释，一种简单的金属与半导体的交界面，它与PN结相似，具有非线性阻抗特性（整流特性）。故后来把这种金属与半导体的交界面称为肖特基结或肖特基势垒。

在1950 年代，贝尔实验室的科学家们设法用从所谓的肖特基结制造光伏电池，该结将半导体与金属连接起来。在这种情况下，金属起到n型半导体的作用。

但在科学家理解“半导体带隙”之前，没有人知道该如何让“光伏效应”变成“光伏发电”，更没有肖特基结，这一点，别人不知道，George Cove也不知道。

然而，尽管George Cove不知道半导体带隙和肖特基结，但Philip Pesavento通过调查表示，“我的假设是 George Cove 偶然发现了一种肖特基接触式光伏电池，比真正的肖特基发明人 － 德国的 W．H．肖特基（Walter Schottky）描述它的时间还早了几十年”。

5． George Cove的意外发现

George Cove最初制作的这些设备有可能同时产生光伏（主要）和热电响应。插头是锌和锑的合金 － 我们现在知道这是一种半导体。它的两端交替覆盖着德国银（镍、铜和锌合金）和铜。这就分别形成了欧姆接触和肖特基接触，而有了这两种形式的接触，George Cove的发明就是一个典型的光伏设备。

Philip Pesavento进一步调查发现，George Cove使用“德国银”很可能只是作为插头两端的负极材料，并使用锑锌合金 （ZnSb） 作为正极材料，这些都是当时最好的热电材料。他可能用完了德国银并用铜代替了一堆插头，因为使用铜和德国银之间的热电电压差异很小。然后，在测试过程中，Cove 指出这些插头（一端是德国银帽，另一端是铜帽）提供了更高的电压：100 毫伏，而热电发电机通常为 10 毫伏。

这里究竟发生了什么？

通过使用铜，Cove 在不知不觉中建立了一个肖特基结。这将他的热电发电机变成了“热光伏发电机”。这种设备的工作原理与光伏太阳能电池相同，但波长不同。太阳光谱涵盖从红外线到紫外线的大约 0．5 到 2．9 电子伏特 （eV） 的范围。带隙在 1 到 1．7 eV 之间的半导体可以有效地将可见光转化为电能（光伏发电机），而带隙在 0．4 到 0．7 eV 之间的半导体可以有效地将短波红外太阳能转化为电能（热光伏发电机）。

上图：Cove 1906年的专利图显示了锌锑合金“b”；德国银（欧姆）端盖“c”；以及铜或锡（肖特基）端盖“f”。所有这些都是压配接触，因为焊接连接会降低效率。

我们现在知道 ZnSb，也就是Cove 插头中的负极材料，是一种带隙为 0．5 eV 的半导体。这在很大程度上解释了为什么发明者最初观察到他的太阳能发电机将热能和光能转化为电能。热光伏发电机不仅匹配太阳光谱的红外尾部，它还匹配燃烧火焰或通过燃烧木材或天然气加热的红热发射表面的直接光谱。它还将可见光谱的较低部分转化为电能，但效率非常低。

然而，George Cove并不是科学家，在当时的科学认知上，他也不可能知道带隙，不可能知道为何热量没有发电，光照却产生了电流。

根据 Philip Pesavento 的说法，Cove 随后设法改进了接近 Zn4Sb3 的合金成分，一种锌锑合金，其比例为 4 份锌对 6 份锑。我们现在知道，那也是一种半导体。然而，它的带隙为 1．2 eV，非常接近硅的带隙 （1．1 eV）。因此，它将他的热光伏发电机变成了纯粹的光伏发电机：

Philip Pesavento 继续介绍，“受成果鼓舞，Cove可能制作了更多的插头，并且不知何故在一批中出现了“错误”的比例，然后他测量到了更大的电压。最后他对锌锑合金进行了仔细研究，发现40 － 42％范围的锌合金产生的电压最高（与 ZnSb 中的 35％ 锌相比）。Cove意外地发现了 Zn4Sb3，这种半导体的更高带隙意味着它在暴露于柴炉的热量时不再起作用，而当它暴露在太阳能中时效果更好，可以有效地将更多的可见光光谱转化为电能。”

6． 然后呢？没有然后了

如此颠覆性的发明，然后呢，George Cove怎么了？

如果 Cove 的太阳能电池板如此具有革命性，为什么会被遗忘？在这个问题上，Philip Pesavento 研究发现，Cove此后的命运，读起来就像一本犯罪小说。

Cove于1905年将它的发明申请了专利，并与当年将他的第一块太阳能电池板在加拿大展示。此后Cove的专利于1906年得到批准，他本人则被美国投资者带到美国（马萨诸塞州萨默维尔）继续开发他的设备，以他的聪明才智，一切进展都非常顺利。但当Cove 试图生产和销售他的太阳能设备时，竟然以神秘的方式失败了。

根据Philip Pesavento的研究，在产业化的利益驱动下，这位发明家开始与股票操纵者 Elmer Burlingame 打交道，他在 1909 年和 1910 年在不属于他的企业发行股票，包括 Cove 的初创公司 Sun Electric Generator Company。

1909 年 10 月，Cove据称被绑架，并被告知如果他不停止开发太阳能发明，他的生命就会受到威胁。然而，警方认为关于Cove的绑架是一场骗局。1911 年，Cove 和 Burlingame 都因股票欺诈被捕并入狱一年。尽管在那之后 Cove 致力于其他发明，但这些都与太阳能无关。

George Cove的太阳能研究从此再也没有声音了。他真的是个骗子吗？或者说他是其中一人的受害者吗？还是他的名声因为太阳能发电机威胁到其他公司的利益而被毁？

历史上有很多美国大公司压制技术创新的例子。George Cove 与纽约的 Edison Electric Illuminating Company 在那一时期同样活跃，该公司对竞争对手的不道德行为有据可查。如果 Cove 的太阳能发电机运转正常，它本可以减少对爱迪生的煤炭和燃油发电站不断增长的需求。因为在更早的1880 年代，爱迪生购买了当时最好的热电发电机制造商 － Clamonds 的改进型热电堆，并随后停止了机器的开发。

现在只能推测George Cove可能是受害者。他的专利详细描述了他的 Zn4Sb3 插头的制作过程，这帮助研究人员计算了其太阳能电池板的功率输出和效率。然而，Cove在专利中还描述了这些用于将木炉中的热量转化为电能的插头，这与他选择的材料不兼容，Philip Pesavento觉得，这是 Cove 的误导，以防止人们复制他的炉子专利并使其工作。

但是不管如何，George Cove的发明神话并没有被继续，也没有得到当时科学家的关注。由于那个年代根本没有网络，信息和资料都很难查询，George Cove的发明也就被时间淹没了。此后三十年，德国肖特基才发明了pn结，四十年之后，贝尔实验室才用硅材料做出了第一块可商业化的光伏电池。

George Cove所用的材料，无论是来源，还是制造过程，都比硅材料要容易，也更容易回收，或许如果当时的科学家能够沿着这条路走下去，光伏发电的供应链将是另外一段历史，但也有可能因为效率等原因而像其它光伏材料技术路线一样不被世人看好。

如果George Cove的故事是真的，那光伏的应用历史将被提前40年，这个可以有。但历史没有如果，George Cove，也许就是世界上第一个被耽误了的光伏科学家，也许他本可以成为世界光伏之父。

《全球光伏》编译整理