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社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，離不開“能源”的推動(dòng)和幫助。尤其是兩次工業(yè)革命以后，人們越發(fā)意識到能源發(fā)展的重要性。

試想一下，如果沒有了能源，我們的生活還會(huì)如此多彩嗎？

但是，隨著社會(huì)日新月異的變化，以化石能源（如煤炭、石油等）為代表的傳統(tǒng)能源因再生周期長，儲(chǔ)量和質(zhì)量逐年下降等問題，越來越難以滿足與日俱增的能源需求。

因此，科學(xué)家們將投向了可再生的、可持續(xù)發(fā)展的新能源開發(fā)工作上，一個(gè)“能源寶藏”便進(jìn)入了科學(xué)家們的眼簾——太陽。

從植物的光合作用中找靈感：利用太陽能發(fā)電

我們都知道，地球上所有生物所能利用的能量基本全部來自于植物的光合作用。

光合作用示意圖（圖片來源：http://www.1010jiajiao.com/czsw/shiti_id_d623a67f6a9c974e1647ce187eb3f72a）

植物的光合作用是指在光照條件下，在植物葉綠體中以二氧化碳和水為原料合成糖的生物過程。由于糖類物質(zhì)在代謝過程中可以產(chǎn)生能量，太陽能便通過這種方式被儲(chǔ)存下來。

然而，這種能量一般需要經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能成為我們普遍使用的電能，因此很難被我們直接利用。而且物理學(xué)原理告訴我們，能量轉(zhuǎn)化過程必然會(huì)帶來能量損失。將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的課題因此提上了日程。

那么，太陽能是否可以直接轉(zhuǎn)化為電能？這種轉(zhuǎn)化過程又與哪些因素相關(guān)？這對19世紀(jì)初的科學(xué)家們來講，這可是一個(gè)了不得的命題。慶幸的是，這一難題在19世紀(jì)末取得了巨大突破。

擁有“最強(qiáng)大腦”的他，發(fā)現(xiàn)了光與電的奧秘

1887年，著名物理學(xué)家赫茲（現(xiàn)今頻率的單位就是以他的名字命名的）在一次研究中偶然發(fā)現(xiàn)：光照射到某些物質(zhì)表面，會(huì)引起物質(zhì)電性質(zhì)的改變。之后的研究證明，這是因?yàn)楫a(chǎn)生電子流導(dǎo)致的，因此這一現(xiàn)象被稱為“光電效應(yīng)”。

光電效應(yīng)示意圖（圖片來源：http://img.mp.itc.cn/upload/20160511/076aa3518f444e0c902e391fe7613d1e_th.jpg）

要知道，世界的運(yùn)行原理需要符合物理學(xué)原理。在當(dāng)時(shí)，牛頓建立的經(jīng)典物理學(xué)原理統(tǒng)治著人們的思想。該原理認(rèn)為光是在以太（古希臘哲學(xué)家亞里士多德設(shè)想的一種物質(zhì)，19世紀(jì)被物理學(xué)家借用代指光傳播的介質(zhì)）這種介質(zhì)中傳遞的一種波（可以想象一下石子投入湖中的場景，湖面蕩起一圈圈以水為介質(zhì)向外傳遞的波紋），而波的能量與振幅（振動(dòng)幅度）有關(guān)（光波的振幅即為光的強(qiáng)度）。

這件事貌似非常符合常理?？梢韵胂螅礻柟獠粡?qiáng)，曬在身上有暖洋洋的感覺；而夏日里，陽光刺眼，如果不注意防護(hù)皮膚都有可能被曬傷。因此，在經(jīng)典物理學(xué)下，光電效應(yīng)能否發(fā)生取決于光的強(qiáng)度。然而，這一理論與當(dāng)時(shí)的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果相悖離。

研究表明，同一種物質(zhì)，有些顏色的光，無論光強(qiáng)多少都無法發(fā)生光電效應(yīng)，有些顏色的光即使強(qiáng)度很低也能產(chǎn)生電流。經(jīng)典物理學(xué)隨之陷入危機(jī)，一場席卷整個(gè)科學(xué)界的風(fēng)暴正在醞釀。

風(fēng)暴意味著毀滅，但隨之而來的還有新生。一位位科學(xué)巨匠在風(fēng)暴中心劈波斬浪，經(jīng)典物理學(xué)在相對論物理與量子物理的雙重修正下再次揚(yáng)帆起航。

而解決光電效應(yīng)難題的巨匠，正是我們所熟知的阿爾伯特·愛因斯坦。

愛因斯坦因建立相對論而廣為人知，但大家可能不知道，這么偉大的科學(xué)家險(xiǎn)些沒有拿到被稱為科學(xué)界至高榮譽(yù)的諾貝爾獎(jiǎng)（諾貝爾獎(jiǎng)從不頒發(fā)給有爭議的發(fā)現(xiàn)，而對相對論的討論和爭議至今仍未停歇）。

愛因斯坦榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得益于其對光電效應(yīng)的創(chuàng)造性解釋。他提出，光是由光子組成的，而光子的本質(zhì)是一個(gè)個(gè)能量包，每一個(gè)能量包所蘊(yùn)含的能量與它的頻率（單位時(shí)間（1s）內(nèi)的變化次數(shù)）有關(guān)，因此光照射到物體上能否產(chǎn)生電子完全取決于能量包（光子）的能量（頻率），與能量包的數(shù)量（光強(qiáng)）無關(guān)。

“三明治”般的太陽能電池如何發(fā)揮作用？

以上我們介紹了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程，也知道了如何才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。那么，產(chǎn)生的電子該如何被我們所利用呢？

這就牽扯到了另外一個(gè)概念——能級躍遷。

能級躍遷示意圖（圖片來源：青島生物能源與過程研究所，碳基能源轉(zhuǎn)換材料研究組）

原子由原子核和核外電子構(gòu)成，原子核外的電子并非是散亂排布的，而是遵循物理學(xué)原理分層排布的，靠近原子核的電子能量低，越遠(yuǎn)離原子核的電子能量越高，不同層的電子能量不同，這些能量值也被稱為“能級”。

在正常條件下，核外電子總是趨近于以總能量最低的形式進(jìn)行排布，這樣的電子，我們稱它處于“基態(tài)”。基態(tài)的原子接收到某種形式的能量（如光子）后，便會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷后的電子便稱它處于“激發(fā)態(tài)”。

但是很不幸，激發(fā)態(tài)的電子并不穩(wěn)定，有向低能級躍遷的趨勢，電子具有的多余能量便以光能或者熱能的形式散發(fā)掉了。

不對，能量就這樣散發(fā)了，我們還是沒有獲得電能??？

別著急，要想將光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)出來，我們需要構(gòu)筑合適的器件結(jié)構(gòu)，也就是我們常說的太陽能電池（如圖2所示）。

器件結(jié)構(gòu)形似三明治，具有光電效應(yīng)的活性層被電子傳輸層和空穴（電子躍遷后形成的局部缺電子部分稱為空穴）傳輸層夾在中間，兩端為電極材料，一般是金屬和氧化銦錫（ITO）。

基態(tài)的原子接收到某種形式的能量（如光子）后，便會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷后的電子便稱它處于“激發(fā)態(tài)”。因?yàn)殡娮觽鬏攲拥募ぐl(fā)態(tài)能級比活性層的略低一些，所以活性層激發(fā)態(tài)的電子容易傳遞到電子傳輸層，而不是回到活性層的基態(tài)；而空穴傳輸層基態(tài)比活性層基態(tài)電子能量略高，電子有向活性層基態(tài)傳遞的趨勢。

這就好像給電子設(shè)置了一個(gè)個(gè)小臺(tái)階，讓電子只需“抬抬腳”就邁過去了，而不是艱難的跳躍（躍遷），因而整個(gè)過程很容易實(shí)現(xiàn)。

通過電子傳輸層和空穴傳輸層的有效配合，整個(gè)器件構(gòu)成了一個(gè)完整的回路，活性層產(chǎn)生的電子就可以被導(dǎo)出進(jìn)而為我們所用了。

常見的太陽能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：青島生物能源與過程研究所，碳基能源轉(zhuǎn)換材料研究組）

經(jīng)過轉(zhuǎn)化過程，我們終于從太陽能中直接獲得了電能，而這就是太陽能電池的原理?？茖W(xué)探索的腳步永不停歇，也正因?yàn)檫@些偉大科學(xué)家們偉大的研究與發(fā)現(xiàn)，有力地緩解了能源緊張的問題，幫助人類走向可持續(xù)發(fā)展的未來。

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