光伏鼻祖之一Sunpower发展之路

作为科班出身的光伏人，谨以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。

在过去30年太阳能行业轰轰烈烈的发展历程中，Sunpower不是第一家光伏公司，也不是增长最快的，更不是实力最强的，但是谁都不可否认，他是谁都不可忽视的标杆性企业，他开创了光伏发电普及的时代。因此回顾它的历史，也是对太阳能普及时代这三十年的一个见证。本文旨在介绍，这个公司为什么重要，他有什么样的地位，他对光伏行业乃至能源行业产生了什么样的影响。

要想知道什么是光伏，一切都要从1905年说起。

1905年初春的瑞士依旧很冷。在伯尔尼街头的咖啡馆里面，一张桌子上摆着四篇论文。一个头发蓬乱的年轻人一口一口的喝完手中的咖啡，拿起最上面一篇看了看，放到信封里寄给了德国物理学报。后来他因为这篇文章拿到柏林大学物理系教授教职并且获得1921年诺贝尔奖。这个年轻人的名字叫艾尔伯特爱因斯坦，他的这篇论文叫《光的发生和转化分析》。他当时还没有意识到，这个发现在20世纪80年代给世界带来了一场能源革命。

自从1839年法国摄影师，工程师Alexandre发现光照通过特殊材料会产生电流以来，人们一直对神秘的光电效应充满了好奇。直到1905年这其中的原理才被爱因斯坦利用量子理论解释清楚：光子和电子作为粒子其能量是可以进行离散式的交换的。其量级是一个最小值的整数倍。

这一伟大的发现让刚刚进入电气时代的人类社会激动不已，尤其是学界和工业界。长期以来基于卡诺循环驱动的发电机慢慢占据了整个世界。已经有不少富有远见卓识的物理学家和发明家已经发现，化石燃料(间接太阳能)对人类能源需求的支撑时间尺度是无法和直接利用太阳能能相比的。而如果利用光生伏打效应导出电流，就可以得到及其理想的能源转化系统。

然而，这一理想让学界和工业界努力了50年。

1953年的新泽西的夏天永远是那么的凉爽。在贝尔实验室一间毫不起眼的办公室里，有个身材瘦长的中年人盯着一块黑板很久了。他的名字叫Gerald Pearson，研究光伏效应已经有5年了。那个年代这个研究课题可不新鲜，毕竟爱因斯坦先生的文章已经广为传播，谁都想做出一些有实用前景的东西。和其他人不一样的是，Gerald对在新的系统里观察光伏效应没有什么兴趣，他认为真正有意义的研究是实际的应用。根据他过去5年的研究结果，在半导体里面获得的光伏效应才可以稳定输出电功率，而地壳中含量第二名的硅元素正是新兴的半导体行业中最常用的材料。因此使用硅材料的太阳能电池成为他的研究重心。几个月前刚刚拜访过爱因斯坦，老人家已经顽疾缠身，长年专注大一统理论的研究。不过最终他还是告诉Gerald说：想想普朗克，布洛赫，想想布里渊。他们的研究对你会有帮助的。回到办公室，Gerald和他的老同事William Shockley经过简单的计算，发现硅太阳能电池的效率理论极限高达29%，铺满亚利桑那一半的沙漠就可以给全球供电。(后来Shockley和Han Queisser进一步推导单结太阳能电池理论极限为33.7%)这一结果更加增进了Gerald的信心。

那个时代大家对2维衬底的均匀半导体掺杂还不是很熟练，这样的大面积功率器件很不好制造。Gerald苦思良久，使用了furnace diffusion的方法，高温将P,N杂质通过气相扩散掺入2寸硅片，获得了高质量的大面积PN结。终于在1954年作出世界上第一片基于硅半导体的太阳能电池，获得了6%的光电转换效率。而在这之前，所有的太阳能电池效率都无法超过0.5%。14年之后，Gerald的师侄Bob Noyce使用了类似的办法作出2维逻辑电路，降低了印刷电路成本，创立了一家公司叫英特尔。

这一进步无疑是在黑暗中的一道闪电，突然大家都有了前进的方向。于是美国人，苏联人，日本人和法国人纷纷加入这一行列，太阳能电池效率从1957年的6%一路上扬到70年到中后期的14%。

然而真正的富有远见的人是Gerald，他知道，问题还很多，距离实用还很远。于是他辞掉了贝尔实验室舒适的工作，搬到了西海岸，在斯坦福大学当起了教授，专注于研究硅太阳能电池的商用化研究。

斯坦福大学是个藏龙卧虎的地方。在1960年加入后Gerald又招聘了James Meindl教授。两位世界二次工业革命浪潮中的工程师家庭出身的背景使得他们对理论和相关技术开发实用性的结合异常敏感，对漂亮的实验数据和数学推演都有一种天生的洞察力和穿透力。他们在太阳能光伏技术方面的研究合作更把这个技术向实用化推进了一大步。

1969-70年两位老师招收了两个学生：TJ Rodgers和Bob Swanson。TJ是个大个子+运动狂，看问题直奔主题从不拖泥带水;而Bob则是一副学者风范，善于深挖物理图像，分析探讨问题韧性十足。两位同学当时研究的是类似的问题： 电子电路越来越复杂，如何改进工艺做出功耗更低或者说能量利用效率更高的电子器件呢?大方向上，集成电路(Integrated Circuit)看起来是个答案，但是这个答案没有给大家任何具体操作的方向。

两位同学的兴趣侧重不同，TJ专注于逻辑器件，如SRAM, EEPROM等。而Bob则一直专注于老师Gerald一生的热爱：硅基太阳能电池。那个年代，大部分硅基半导体的前端工艺和封装理论都在慢慢成熟。掺杂，光刻，绝缘层，Metallization都已经渐渐不是问题。因此TJ渐入佳境，在Gerald，James和师伯William Shockley的指导下做出一系列优秀的可商用技术。为计算机的计算速度提升作出了重大贡献。

然而，他的师兄Bob遇到了很多困难。因为大部分硅基半导体器件和工艺设计的方向都是高集成和低功率的方向，而太阳能电池作为功率半导体器件，不太容易被CMOS工艺的进步所帮助。有些看上去可用的工艺如果应用在太阳能电池上只能是个成本噩梦，无法实用。

1975年间，合作了5年多的师兄弟各奔前程。TJ去工业界，Bob留在斯坦福当教授。临走的时候TJ说：“Bob，你在做一件困难但是伟大的事情，如果将来需要我帮助，给我打电话。”

而这一个电话，26年之后才响。

75年-85年是硅谷蓬勃发展继而震惊世界的年代。一群带着啤酒瓶底眼镜的书呆子们带大家进入了第三次工业革命。TJ在加入一间半导体公司工作数年后自己创立Cypress Semiconductor专功集成电路配件已经赚得盆满钵满名动天下。

而Bob还在斯坦福安安静静的做教授，他的收获虽然不小，但是知道的人并不多。他已经明白了硅基太阳能板成本居高不下效率离理论值相去甚远的主要原因主要在器件设计和后端封装工艺，比如电连接结构，比如面板和背板玻璃，比如大面积功率器件的current crowding问题。

85年的时候Bob心中酝酿了15年的光伏发展图景终于基本成型：

1. 未来世界100-200年之内，最可持续的发电方式是光伏。煤炭，柴油，天然气快烧完的时候，光伏是最可靠最可持续最容易获取的能源。(即使在化石燃料没烧完的时候，开采成本和难度也是越来越高)

2. 光伏发电今天(1985年)90%的挑战在于成本.1975年的时候一瓦太阳能板的成本约为100美金。这个成本必须在30年内降下来，最靠谱的办法是技术进步改善工艺成本，产品效率和产品质量。

3. 技术进步首先发生在前端工艺，慢慢过渡到后端，最终在系统产生创新。

那一年，Bob接受了能源部的研究基金，做出了自己20%效率的太阳能电池样品，成立了一间公司叫SunPower。然后他写了两封信给自己的恩师James和Gerald：“我要推动世界普及光伏发电。”

这句话20年后被另一个人引用了一次，他的名字叫Elon Musk。他那一年办了另一家太阳能公司叫做SolarCity。

85-86年刚出道的Bob并不顺利。集成电路半导体的发展已经成为了美国经济发展的支柱和未来希望。当年的里根总统更是深红阵营中的强力领导人，他对石油之外的能源没有半毛钱兴趣。1986年甚至拆除了白宫屋顶的太阳能电池板。Bob在硅谷找了一圈风险投资人，大家听到太阳能这个名词都问：这是能给你免费热水洗澡的技术么?风投不成就去找曾经支持太阳能研发和商用化的石油公司，BP，Chevron，Mobil, Shell等等。很可惜，这些公司丛70年代的石油危机中恢复过来，颇有些好了伤疤忘了痛的感觉。感觉当年的研发完全是浪费钱。因此，同样一份商业计划书，改了又改，静静的在Bob的办公桌抽屉里面放了3年。

功夫不负有心人，只要努力坚持总有人能赏识。到了1990年终于获得风险投资公司AVI的投资，并且拿到了美国电力研究院和能源部的合作合同，共同研发高性能太阳能电池。

根据Bob过去的积累，他总结出来了类似于摩尔定律的光伏Swanson定律：光伏电池的成本在产量每上升3倍的时候会下降20%。在1977年的时候，他的样品成本为每瓦77.67美金。而Bob坚定的认为，这一定律的驱动是技术进步，也就是说他要做质量最好技术最先进的产品。为了达到这一点，他考虑了如下几个问题：

1. 光伏电池为了最大吸光，一定要使用背电极。这样表面就不会有连接线挡住阳光，提高单位吸光面积

2. 表面光学处理，降低产品反射率，提高吸光率

3. 反面镀膜减少透射率

4. 使用最好的单晶硅片，减少杂志和缺陷，提高电流提取效率

5. 高质量绝缘层防止电子空穴对的耦合

很快，公司在92年就做出了接近17%的高效率，脱离了手工作坊的状态，招了20个人，买进了不少半导体行业退休下来的自动化设备。拥有了一套小型量产生产线。然后，他的成本还在50美金一瓦。根据计算，如果给别人家里安装，一度电成本相当于3-4美金。而当时市电均价为6美分以下。看起来离大规模普及还有不少距离。

“随着技术的进步，成本最终会降下来的!”Gerald老师20年前的话语时常在耳边回响。是呀，我要坚持下去!

90年代中期世界经历了历史上最疯狂的石油价格飙升，越来越多的国家开始研究太阳能电池的特性。欧美很多政府和研究机构开始购买sunpower的产品，进行发电效应的测试。公司接了一个又一个研究项目，收入慢慢流入，Bob开始不停地升级设备，提高产能，同时继续研发，降低成本。1993年Sunpower和本田公司合作的太阳能电动车在澳大利亚拉力赛中获得冠军，超过第二名1整天的时间。97年，美国探路者(300005)太阳能驱动飞行器使用了和Sunpower合作开发的太阳能板。2001年，和NASA合作开发的Helios飞行棋飞到了3万3千多米的高空，Sunpower的技术，已经站在了世界之巅。

然而，公司的现金已经不多了。

为了让公司找到可持续发展之路，整个90年代Bob尝试了各种办法，研发聚光太阳能组件，红外探测设备等等。很快他就发现，这些市场都不是他擅长的，最靠谱的还是专注的做太阳能市场。在太阳能市场中，他自然而然的想到了和NASA合作卫星装载的太阳能电池，然而很快就被Boeing Spectral lab的高效太阳能电池所打败。

在持续10年的不断尝试和坚持中，Bob痛苦的意识到，真正能让公司成长的还是自己原有的vision：民用太阳能发电。而自己应该专注于这个方向。然而，2000年初的成本虽然下降到10-15美金一瓦，但是还不足以做到和市电竞争。出路到底在哪里?在这个时候，Bob想起了自己的师弟TJ Rodgers。

2001年的TJ已非当年的吴下阿蒙。他已经一跃成为身家过亿的成功企业家，半导体行业的领军人物。这年的冬天他接到了师兄Bob那个让他等待了26年的电话。两人一聊，让TJ激动不已。他发现太阳能技术在师兄手上已经发展得如此成熟，大规模生产仅仅是欠缺临门一脚。他告诉师兄，只需要将产能规模扩大20-50倍，就可以将成本大幅度下降到1美金以下了。于是，他带着一份完整的商业计划书来找自己公司Cypress Semiconductor的董事会，希望说服董事会投资Sunpower。然而，董事会不相信Bob能够将产品成本从15美金降到1美金。见到这种情况，TJ毫不犹豫，马上写了一张75万美金的支票投资给Sunpower。而这个时候，据说Sunpower的现金只够支持不到5个月公司运营。有了这75万美金，Bob成功的将原来只能用于小规模量产的工艺改进，去掉了那些大规模量产的限制工艺，学会了牺牲暂时的产品性能来专注大规模生产。等到2002年他再次和TJ出现在Cypress Semiconductor董事会面前的时候，他们的全套工艺获得了董事会的赞赏，获得了8百万美金的投资。第一条生产线出来的时候终于越过了10美金一瓦的历史性门槛。

2003年，Bob邀请Silicon Light Machine (Cypress Semi光学分公司)CEO，德国人Tom Werner 担任公司CEO，自己退居二线专管大方向，而Tom Werner主要负责将公司产品成本进一步压缩。

2004年为了达到压缩成本的目的，公司第一个亚洲分工厂在菲律宾开张，出厂产品成本降至5-6美金一瓦。这一年也是欧洲光伏市场启动的元年。处于石油价格失控般的疯长，欧洲国家纷纷推出了激进的光伏政策，尤其是德国和意大利。这一年Sunpower在欧洲的第一家光伏电站在德国巴伐利亚州上线。

2005年公司上市，成为美国资本市场的光伏标杆企业。

2007年，在菲律宾建成第二条生产线，收购太阳能行业下游企业PowerLight成为半垂直一体化的光伏企业。

2008年，光电池效率达到23.4%创下晶硅太阳能电池世界纪录。

到此为止，似乎公司走上了一条康庄大道，有了一个完美的结局。然而并非如此。前三年冒起的中国数家多晶硅公司尚德，英利和天合使用低纯度P型多晶硅正面布线法做出来的产品有着强大的成本优势。而这个时候的欧洲开始进入政府补贴驱动的大规模光伏安装时代。在一波波光伏电站安装的浪潮中，成本，自然成了首要考虑的问题。眼看着欧美市场被来自中国的对手慢慢蚕食，公司2010之后连续亏损，现金再次见底，又到了生死存亡的时候。过去20多年反复遇到的生存问题，再一次摆在Bob和Tom两人面前。

2012年，法国石油公司Total宣布入股Sunpower 66%，并且支持公司进一步研发，改进技术以降低成本，提高质量。

2013年，公司业务全面增长，成本进一步下降，毛利进一步上升，自2010年以来首度扭亏为盈，股票价格4块左右回到30美金。

Bob此时也长期退居二线，回到学校做一些研究和演讲。

作为Gerald的徒孙和Bob的师侄，我有幸数次和Bob见面，听他讲述Sunpower的故事。上次见到他的时候不禁好奇问到：你为什么选择如此困难的光伏行业还能坚持下来?是谁在激励你影响你?

Bob说，我一直记得师叔Gerald说过的一些话。他说，光伏事业是如此的意义重大(meaningful)和激动人心(exciting)，让我想到，如果我死的那一刻还能做光伏研究，才是人生最大的幸福。

再次向为普及光伏能源做出贡献的先驱们致以最高的敬意。