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社會(hui) 的進步和發展，離不開“能源”的推動和幫助。尤其是兩(liang) 次工業(ye) 革命以後，人們(men) 越發意識到能源發展的重要性。

試想一下，如果沒有了能源，我們(men) 的生活還會(hui) 如此多彩嗎？

但是，隨著社會(hui) 日新月異的變化，以化石能源（如煤炭、石油等）為(wei) 代表的傳(chuan) 統能源因再生周期長，儲(chu) 量和質量逐年下降等問題，越來越難以滿足與(yu) 日俱增的能源需求。

因此，科學家們(men) 將投向了可再生的、可持續發展的新能源開發工作上，一個(ge) “能源寶藏”便進入了科學家們(men) 的眼簾——太陽。

從(cong) 植物的光合作用中找靈感：利用太陽能發電

我們(men) 都知道，地球上所有生物所能利用的能量基本全部來自於(yu) 植物的光合作用。

光合作用示意圖（圖片來源：https://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(ti) 中以二氧化碳和水為(wei) 原料合成糖的生物過程。由於(yu) 糖類物質在代謝過程中可以產(chan) 生能量，太陽能便通過這種方式被儲(chu) 存下來。

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

那麽(me) ，太陽能是否可以直接轉化為(wei) 電能？這種轉化過程又與(yu) 哪些因素相關(guan) ？這對19世紀初的科學家們(men) 來講，這可是一個(ge) 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，發現了光與(yu) 電的奧秘

1887年，著名物理學家赫茲(zi) （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現：光照射到某些物質表麵，會(hui) 引起物質電性質的改變。之後的研究證明，這是因為(wei) 產(chan) 生電子流導致的，因此這一現象被稱為(wei) “光電效應”。

光電效應示意圖（圖片來源：https://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原理。在當時，牛頓建立的經典物理學原理統治著人們(men) 的思想。該原理認為(wei) 光是在以太（古希臘哲學家亞(ya) 裏士多德設想的一種物質，19世紀被物理學家借用代指光傳(chuan) 播的介質）這種介質中傳(chuan) 遞的一種波（可以想象一下石子投入湖中的場景，湖麵蕩起一圈圈以水為(wei) 介質向外傳(chuan) 遞的波紋），而波的能量與(yu) 振幅（振動幅度）有關(guan) （光波的振幅即為(wei) 光的強度）。

這件事貌似非常符合常理。可以想象，冬天陽光不強，曬在身上有暖洋洋的感覺；而夏日裏，陽光刺眼，如果不注意防護皮膚都有可能被曬傷(shang) 。因此，在經典物理學下，光電效應能否發生取決(jue) 於(yu) 光的強度。然而，這一理論與(yu) 當時的一係列實驗結果相悖離。

研究表明，同一種物質，有些顏色的光，無論光強多少都無法發生光電效應，有些顏色的光即使強度很低也能產(chan) 生電流。經典物理學隨之陷入危機，一場席卷整個(ge) 科學界的風暴正在醞釀。

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

而解決(jue) 光電效應難題的巨匠，正是我們(men) 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(wei) 人知，但大家可能不知道，這麽(me) 偉(wei) 大的科學家險些沒有拿到被稱為(wei) 科學界至高榮譽的諾貝爾獎（諾貝爾獎從(cong) 不頒發給有爭(zheng) 議的發現，而對相對論的討論和爭(zheng) 議至今仍未停歇）。

愛因斯坦榮獲1921年諾貝爾物理學獎得益於(yu) 其對光電效應的創造性解釋。他提出，光是由光子組成的，而光子的本質是一個(ge) 個(ge) 能量包，每一個(ge) 能量包所蘊含的能量與(yu) 它的頻率（單位時間（1s）內(nei) 的變化次數）有關(guan) ，因此光照射到物體(ti) 上能否產(chan) 生電子完全取決(jue) 於(yu) 能量包（光子）的能量（頻率），與(yu) 能量包的數量（光強）無關(guan) 。

“三明治”般的太陽能電池如何發揮作用？

以上我們(men) 介紹了光電效應的發現曆程，也知道了如何才能產(chan) 生光電效應。那麽(me) ，產(chan) 生的電子該如何被我們(men) 所利用呢？

這就牽扯到了另外一個(ge) 概念——能級躍遷。

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

原子由原子核和核外電子構成，原子核外的電子並非是散亂(luan) 排布的，而是遵循物理學原理分層排布的，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，這些能量值也被稱為(wei) “能級”。

在正常條件下，核外電子總是趨近於(yu) 以總能量最低的形式進行排布，這樣的電子，我們(men) 稱它處於(yu) “基態”。基態的原子接收到某種形式的能量（如光子）後，便會(hui) 自發轉移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷後的電子便稱它處於(yu) “激發態”。

但是很不幸，激發態的電子並不穩定，有向低能級躍遷的趨勢，電子具有的多餘(yu) 能量便以光能或者熱能的形式散發掉了。

不對，能量就這樣散發了，我們(men) 還是沒有獲得電能啊？

別著急，要想將光電效應產(chan) 生的電流傳(chuan) 導出來，我們(men) 需要構築合適的器件結構，也就是我們(men) 常說的太陽能電池（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(chuan) 輸層和空穴（電子躍遷後形成的局部缺電子部分稱為(wei) 空穴）傳(chuan) 輸層夾在中間，兩(liang) 端為(wei) 電極材料，一般是金屬和氧化銦錫（ITO）。

基態的原子接收到某種形式的能量（如光子）後，便會(hui) 自發轉移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷後的電子便稱它處於(yu) “激發態”。因為(wei) 電子傳(chuan) 輸層的激發態能級比活性層的略低一些，所以活性層激發態的電子容易傳(chuan) 遞到電子傳(chuan) 輸層，而不是回到活性層的基態；而空穴傳(chuan) 輸層基態比活性層基態電子能量略高，電子有向活性層基態傳(chuan) 遞的趨勢。

這就好像給電子設置了一個(ge) 個(ge) 小台階，讓電子隻需“抬抬腳”就邁過去了，而不是艱難的跳躍（躍遷），因而整個(ge) 過程很容易實現。

通過電子傳(chuan) 輸層和空穴傳(chuan) 輸層的有效配合，整個(ge) 器件構成了一個(ge) 完整的回路，活性層產(chan) 生的電子就可以被導出進而為(wei) 我們(men) 所用了。

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

經過轉化過程，我們(men) 終於(yu) 從(cong) 太陽能中直接獲得了電能，而這就是太陽能電池的原理。科學探索的腳步永不停歇，也正因為(wei) 這些偉(wei) 大科學家們(men) 偉(wei) 大的研究與(yu) 發現，有力地緩解了能源緊張的問題，幫助人類走向可持續發展的未來。

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