隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，而現(xiàn)有的能源有限，需要人們不斷發(fā)展新能源，而太陽能就是一個不錯的選擇，人們開始大力發(fā)展太陽能能發(fā)電。能源的發(fā)展與革命推動了人類社會的變遷與進(jìn)步，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。
當(dāng)今社會發(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，儲量和質(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，新能源的開發(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。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存下來。然而，這種能量很難為我們直接利用，一般需要經(jīng)過轉(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)化過程必然會帶來能量損失。
于是，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)”。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，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?，冬天陽光不強(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，但隨之而來的還有新生?？茖W(xué)不會停滯不前，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)家險些沒有拿到被稱為科學(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(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)是一個個能量包，每一個能量包所蘊(yùn)含的能量與它的頻率(單位時間(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)。
太陽能電池就像一塊“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概念——能級躍遷。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)”?；鶓B(tài)的原子接收到某種形式的能量(如光子)后，便會自發(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啊?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)?；鶓B(tài)的原子接收到某種形式的能量(如光子)后，便會自發(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)置了一個個小臺階，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，整個器件構(gòu)成了一個完整的回路，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)過轉(zhuǎn)化過程，我們終于從太陽能直接獲得了電能而這就是太陽能電池的原理。
科學(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越好，讓我們向他們致敬!如果某一天人們能高效利用太陽能，相信能解決很大的能源問題，畢竟太陽能是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的，能保證人類的永續(xù)發(fā)展，需要我們科研人員更加努力。
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