用過(guò)這么多太陽(yáng)能電池 光變電原理你不一定知道

:能源的發(fā)展與革命推動(dòng)了人類(lèi)社會(huì)的變遷與進(jìn)步，尤其是兩次工業(yè)革命以后，人們?cè)桨l(fā)意識(shí)到能源發(fā)展的重要。

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展日新月異，但是以化石能源（如煤炭、石油等）為代表的傳統(tǒng)能源因再生周期長(zhǎng)，儲(chǔ)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，新能源的開(kāi)發(fā)和利用因此被提上日程。

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。

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(chǔ)存下來(lái)。

然而，這種能量很難為我們直接利用，一般需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化才能成為我們普遍使用的電能。物理學(xué)原理告訴我們，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程必然會(huì)帶來(lái)能量損失。于是，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電能？這種轉(zhuǎn)化過(guò)程又與哪些因素相關(guān)？這對(duì)19世紀(jì)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(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(chēng)為“光電效應(yīng)”。

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(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(qiáng)度）。

這件事貌似非常符合常理?？梢韵胂螅礻?yáng)光不強(qiáng)，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(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(wú)論光強(qiáng)多少都無(wú)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(chǎng)席卷整個(gè)科學(xué)界的風(fēng)暴正在醞釀。

風(fēng)暴中孕育著毀滅，但隨之而來(lái)的還有新生?？茖W(xué)不會(huì)停滯不前，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(duì)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，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(duì)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(méi)有拿到被稱(chēng)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(zhēng)議的發(fā)現(xiàn)，而對(duì)相對(duì)論的討論和爭(zhēng)議至今仍未停歇）。

愛(ài)因斯坦榮獲1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得益于其對(duì)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(wú)關(guān)。

太陽(yáng)能電池就像一塊“三明治”

以上我們介紹了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程，也知道如何才能產(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(jí)躍遷。

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(chēng)為“能級(jí)”。

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(zhuǎn)移到能量更高的能級(jí)，這便是能級(jí)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(wěn)定，有向低能級(jí)躍遷的趨勢(shì)，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(duì)，能量就這樣散發(fā)了，我們還是沒(méi)有獲得電能?。?/p>

別著急，要想將光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)出來(lái)，我們需要構(gòu)筑合適的器件結(jié)構(gòu)，也就是我們常說(shuō)的太陽(yáng)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(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(zhuǎn)移到能量更高的能級(jí)，這便是能級(jí)躍遷，躍遷后的電子便稱(chēng)它處于“激發(fā)態(tài)”。因?yàn)殡娮觽鬏攲拥募ぐl(fā)態(tài)能級(jí)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(shì)。

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(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(xiàn)。

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(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。

好啦，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化過(guò)程，我們終于從太陽(yáng)能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?yàn)檫@些偉大科學(xué)家們偉大的研究與發(fā)現(xiàn)，人們的生活才能變得越來(lái)越好，讓我們向他們致敬！

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