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社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展，離不開(kāi)“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(méi)有了能源，我們的生活還會(huì )如此多彩嗎？

但是，隨著(zhù)社會(huì )日新月異的變化，以化石能源（如煤炭、石油等）為代表的傳統能源因再生周期長(cháng)，儲量和質(zhì)量逐年下降等問(wèn)題，越來(lái)越難以滿(mǎn)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、可持續發(fā)展的新能源開(kāi)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(yáng)。

從植物的光合作用中找靈感：利用太陽(yáng)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(lái)自于植物的光合作用。

光合作用示意圖（圖片來(lái)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(guò)程。由于糖類(lèi)物質(zhì)在代謝過(guò)程中可以產(chǎn)生能量，太陽(yáng)能便通過(guò)這種方式被儲存下來(lái)。

然而，這種能量一般需要經(jīng)過(guò)轉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，能量轉化過(guò)程必然會(huì )帶來(lái)能量損失。將太陽(yáng)能直接轉化為電能的課題因此提上了日程。

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

擁有“最強大腦”的他，發(fā)現了光與電的奧秘

1887年，著(zhù)名物理學(xué)家赫茲（現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：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，這是因為產(chǎn)生電子流導致的，因此這一現象被稱(chēng)為“光電效應”。

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

要知道，世界的運行原理需要符合物理學(xué)原理。在當時(shí)，牛頓建立的經(jīng)典物理學(xué)原理統治著(zhù)人們的思想。該原理認為光是在以太（古希臘哲學(xué)家亞里士多德設想的一種物質(zhì)，19世紀被物理學(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(chǎng)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度）。

這件事貌似非常符合常理?？梢韵胂?，冬天陽(yáng)光不強，曬在身上有暖洋洋的感覺(jué)；而夏日里，陽(yáng)光刺眼，如果不注意防護皮膚都有可能被曬傷。因此，在經(jīng)典物理學(xué)下，光電效應能否發(fā)生取決于光的強度。然而，這一理論與當時(shí)的一系列實(shí)驗結果相悖離。

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

風(fēng)暴意味著(zhù)毀滅，但隨之而來(lái)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帆起航。

而解決光電效應難題的巨匠，正是我們所熟知的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦。

愛(ài)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)家險些沒(méi)有拿到被稱(chēng)為科學(xué)界至高榮譽(yù)的諾貝爾獎（諾貝爾獎從不頒發(fā)給有爭議的發(fā)現，而對相對論的討論和爭議至今仍未停歇）。

愛(ài)因斯坦榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎得益于其對光電效應的創(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)能量包所蘊含的能量與它的頻率（單位時(shí)間（1s）內的變化次數）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），與能量包的數量（光強）無(wú)關(guān)。

“三明治”般的太陽(yáng)能電池如何發(fā)揮作用？

以上我們介紹了光電效應的發(fā)現歷程，也知道了如何才能產(chǎn)生光電效應。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(lái)源：青島生物能源與過(guò)程研究所，碳基能源轉換材料研究組）

原子由原子核和核外電子構成，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(chēng)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(chēng)它處于“基態(tài)”?；鶓B(tài)的原子接收到某種形式的能量（如光子）后，便會(huì )自發(fā)轉移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷后的電子便稱(chēng)它處于“激發(fā)態(tài)”。

但是很不幸，激發(fā)態(tài)的電子并不穩定，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(méi)有獲得電能??？

別著(zhù)急，要想將光電效應產(chǎn)生的電流傳導出來(lái)，我們需要構筑合適的器件結構，也就是我們常說(shuō)的太陽(yáng)能電池（如圖2所示）。

器件結構形似三明治，具有光電效應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(chēng)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)轉移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷后的電子便稱(chēng)它處于“激發(fā)態(tài)”。因為電子傳輸層的激發(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。

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

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

常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池器件結構示意圖（圖片來(lái)源：青島生物能源與過(guò)程研究所，碳基能源轉換材料研究組）

經(jīng)過(guò)轉化過(guò)程，我們終于從太陽(yáng)能中直接獲得了電能，而這就是太陽(yáng)能電池的原理?？茖W(xué)探索的腳步永不停歇，也正因為這些偉大科學(xué)家們偉大的研究與發(fā)現，有力地緩解了能源緊張的問(wèn)題，幫助人類(lèi)走向可持續發(fā)展的未來(lái)。

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