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摘得“工程界诺奖”!这对科研伉俪,靠二手设备刷新世界纪录 ...

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发表于 2023-4-2 01:01:33 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 美国
文 | 《中国科学报》 见习记者 孟凌霄+ B: {$ w/ r- G6 i' u  h- l- U

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“从来没想过,搞工程的还能获得这样一份大奖。”& G7 ?( h! s, y& N

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! {% K! o+ R6 b' l近日,年近七十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。这是该奖项设立10年来,华人科学家首度获此殊荣。
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+ U9 ^- b( t( ]2 [: x( w; ]这对科研伉俪因共同发明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(415万元人民币)。
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刚得知获奖消息时,赵建华有点不敢相信:“国际上所有的知名奖项,几乎都奖励给理论上有建树的科学家,奖励给工程人员的还真是独一份!”- Q* Z9 c5 g8 m. S, `
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7 @- l* x1 g' \6 l0 d7 X40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。但在获得新南威尔士大学的稳定教职后,他们却辞职回国创业。这一路走来,他们见证了保持近30年的太阳能电池效率世界纪录的诞生、美国纳斯达克敲钟上市的高光时刻,也经历过至暗低谷……成败得失,难于一言以蔽之。0 {" `$ U; g8 p$ w. b7 ]1 ]$ T. f$ Z

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0 a4 n( X& {9 r  T/ s赵建华、王艾华夫妇在接受《中国科学报》采访时,如此总结40余年的光伏之路:“都是偶然凑到一起。不过,人生机遇多是一步一步走出来的。”
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' o3 f0 |! N" V  [5 D8 K上世纪90年代,赵建华与王艾华在澳大利亚新南威尔士大学光伏实验室。
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5 P& [+ C5 w# x: j5 {: f3 J

# A3 p4 B0 c6 ?' n; E花一个月工资,买一台打字机
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故事要从一台“蛮贵的”打字机说起。! j: E0 H1 d) `

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1984年,29岁的赵建华在山东工业大学(后并入山东大学)当讲师,凭借“费劲”的英语水平,“偶然”考中了山东省公费出国留学名额——不限国家、不限方向,“自己联系,爱上哪儿就上哪儿去”。7 @6 L+ G3 {. ^5 A) K5 S, Q7 l
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7 q9 H1 l2 O+ x" o9 n2 U" o  y于是,赵建华花了几十块钱,也是整整一个月的工资购买了一台机械打字机,打出一封申请信并复印20份,再填写上实验室、导师的名字,最后用英文花体签上姓名,寄给世界各地的实验室。
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其中,10封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封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时的研究方向。5 k9 X' `( r! y) j

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出乎意料的是,最早向他抛来橄榄枝的,不是“讲究快节奏”的美国人,而是他在读硕士时期追寻的著名的澳大利亚新南威尔士大学教授Martin Green。
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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。仅用3个月,这个小伙子就刷新了太阳能电池效率世界纪录。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”。' K5 k, _- l8 a8 S6 _& ]

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1985年底,赵建华向Martin Green力荐妻子、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,王艾华在微电子研究方面比自己更出色。Martin“赌了一把”,也“赌对了”。由此,王艾华成为Martin Green实验室第二位中国博士生。
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# v; N9 ]' ]& h8 L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多位在新南威尔士大学。继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。
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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。0 z! V& Y5 \: A' g2 }* j
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) N# Q! o6 o, u0 R$ T. F用二手旧设备刷新世界纪录
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( S3 D2 j! h7 i& ~0 S* w时间倒退30年,当时做太阳能电池的圈子太小了。9 E( A- b7 {# Z5 H9 W) X1 I; O

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8 }9 l" g# J7 G$ z# m“那时候,我到哪儿去开会,碰到的都是同一帮人。工业界就那么几家小公司,也生产不了几个电池。”赵建华回忆说。
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  a% p8 L+ h3 H2 @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、德国康斯坦茨大学光伏实验室等都有具有集成电路水平的实验设备。
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然而,一次又一次打破晶体硅太阳能电池效率世界纪录,并将这一纪录保持了近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。' p7 t4 m: S. |  d- v
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当欧美同行上门拜访时,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“不太净化”。实验室内多是二手、三手设备,其中不乏美国人20世纪50年代淘汰的老旧设备。; I0 z( E1 o9 F2 o* f

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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、老旧设备需要处理时,新南威尔士大学光伏实验室才开始“进货”——以5%、10%的价格买下这些被淘汰的设备。4 G  f4 S+ A5 t% Y& X4 j

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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,才能制造电池。
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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人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?”( u$ c1 y- y0 i( u
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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%的电池效率。上世纪90年代,赵建华和王艾华将这一数值逐步提升到25%。
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) E1 `: C/ [" }0 j# C2 Z$ U如今,PERC技术是太阳能电池板最具商业可行性的硅太阳能电池技术,已使太阳能的发电成本在过去10年下降了80%以上,在全球太阳能电池市场中占比超过90%。0 p+ T; f/ z. h, ?2 E/ e
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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。6 J' n+ L! w8 S9 o/ p1 I

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( \( T: S& D& A4 N0 h$ E对此,Martin Green告诉《中国科学报》,在PERC首个成果发表前,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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赵建华和王艾华在中电光伏公司。
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) W, u( L' n, N+ O唯一的窍门:照着极限,优化全部
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“你们是怎么做到的?”
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2 u( X: |/ L+ r5 h5 Z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。
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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。
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8 `& k9 y3 I9 }/ l7 w# |更为外人接受的答案,是“自由的氛围”。在赵建华、王艾华读博阶段,导师Martin Green只给出一个课题,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。. X6 w* b( H7 J, b2 {8 b6 M
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7 a# u+ o5 C5 p% f0 S在记者不断追问下,赵建华和王艾华又给出一个“略微详细一点的结论”——“照着极限,优化全部”,即不断改善实验室环境与设备,工艺操作精益求精,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,从而不断打破以前的效率纪录。& ?/ B: C8 f4 a

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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该怎么设计、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。7 S# ~+ e6 l" t2 K7 R$ M7 L
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$ F- p; ]. ^* ?8 R# E8 A在近30年间,除了1988年,斯坦福大学以0.1%的优势暂时领先6个星期外,新南威尔士大学光伏实验室所打破的世界纪录几乎都是自己创下的。' F+ E, ^; V: q8 Z

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- r) V+ k, L$ a9 o一个时代结束,一个时代开始. O0 W' v% x" \! {

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千禧年后,赵建华和王艾华萌生了回国创业的念头。, @3 I  u1 k8 T3 B

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( |6 u1 v9 ?# l# V: c9 w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,王艾华则在该中心担任研究员。8 A  X- L% H* ?  q
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* k7 s) d3 g5 v; l1 [1 Q5 K2004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(以下简称中电光伏)。2006年,中电光伏逐渐步入正轨,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。- E$ Z* Z2 L# p2 `  Y8 ~% r

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“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,此后,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。
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- u9 C& X- V1 v9 X- o# p, Z# j另一个时代的大幕正在中国缓缓开启。; S7 z0 p3 [/ q# n

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$ \6 i% Y: _: @$ }" K( l+ S4 w' L1999年,杨怀进归国创业。2001年,赵建华的师弟施正荣回国,与杨怀进等人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。' `2 w( V- v  Y- q7 h' \

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) u+ G  W4 C. i仅仅3年时间,中电光伏就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,位居世界第一。
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最早在美国上市的10家中国光伏公司中,有8家公司的技术带头人是Martin Green 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”。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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: h) [" D* K) T/ O/ v赵建华(右二)与Martin Green实验室成员合影。受访者供图. N$ O+ l& L1 C6 C2 T

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7 w+ d# V1 E9 \) l十年一觉光伏梦
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, L7 ~0 [" j* T( h& i' J' f6 g; f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。
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  d4 V3 R; i0 s% M4 {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”等,光伏企业遭到不同程度的打击。! {$ h. \) k7 h* g0 a0 S% d
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十年一觉光伏梦,“扬中三杰”今何在?
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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。6 x, r! \0 d0 n! u
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6 H; m+ \5 N7 _# E; r; ^( U6 Y赵建华、王艾华夫妇说,他们已经退休了。1 `) @4 e2 P$ J9 N5 D" X: P' f
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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,就不去掺和了。”赵建华说:“我们有那么多学生,都做得挺好,让他们去做吧。”5 e5 V, s& _. s& P5 Y6 j6 b* w; V

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* f& e3 e" o* Z9 p$ B& C4 D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。
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今年5月或6月,赵建华、王艾华夫妇还会再次前往伦敦,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加庆祝大会。) {  F' I$ V: f) }; e/ l

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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,对获奖的消息严格保密。他们如普通游客一般,在白金汉宫、大英博物馆、大本钟等地驻足。8 \5 p6 ~6 B8 u# G8 i" V

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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,再次去了获奖人发布会召开地皇家工程院拍照留念,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,如今作为博物馆,展出昔日镶嵌着巨大钻石的王冠与权杖。

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