能源的發(fā)展和革命促進(jìn)了人類社會(huì)的變革和進(jìn)步。特別是兩次工業(yè)革命之后，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到能源發(fā)展的重要性。
隨著當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展，以化石能源為代表的傳統(tǒng)能源(如煤炭和石油)由于可再生周期長(zhǎng)、儲(chǔ)量和質(zhì)量逐年下降等原因，越來(lái)越難以滿足日益增長(zhǎng)的能源需求。因此，開發(fā)和利用新能源被提上了日程。
來(lái)自植物的光合作用
太陽(yáng)能發(fā)電
我們都知道，地球上所有生物可利用的能量幾乎都來(lái)自植物的光合作用。
植物光合作用是指植物葉綠體在光照條件下，由二氧化碳和水合成糖的生物過程。太陽(yáng)能是以這種方式儲(chǔ)存的，因?yàn)樘强梢栽谛玛惔x過程中產(chǎn)生能量。
然而，這種能源是非常困難的，我們直接使用，一般需要轉(zhuǎn)換成電力為我們的一般使用。物理學(xué)告訴我們，能量在能量轉(zhuǎn)換的過程中必然會(huì)損耗。因此，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的想法被提上了議事日程。
那么太陽(yáng)能可以直接轉(zhuǎn)化為電能嗎?與此轉(zhuǎn)換過程相關(guān)的因素有哪些?對(duì)于19世紀(jì)早期的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)大問題。
幸運(yùn)的是，19世紀(jì)末取得了重大突破。
他有“最強(qiáng)的大腦”
發(fā)現(xiàn)了光和電的秘密
年，著名的物理學(xué)家赫茲(現(xiàn)在以他的名字命名頻率單位)在一項(xiàng)研究中偶然發(fā)現(xiàn)，光線照射到某些物質(zhì)的表面會(huì)改變其電學(xué)性質(zhì)。后來(lái)的研究表明，這是由電子流動(dòng)引起的，因此這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。
你知道，世界運(yùn)行的方式需要符合物理原理。當(dāng)時(shí)，由牛頓建立的經(jīng)典物理學(xué)原理支配著人們的思想。原理光以太,古希臘哲學(xué)家亞里士多德的一種物質(zhì),是19世紀(jì)物理學(xué)家借一代指的是光傳播的介質(zhì))中傳播的波(可以想象現(xiàn)場(chǎng)石頭變成一個(gè)湖,湖的一次線圈在水的漣漪中轉(zhuǎn)移),波的能量和振幅的振動(dòng)振幅()(波的振幅光強(qiáng)度)。
這似乎很有道理。可以想象，冬天的陽(yáng)光不強(qiáng)，曬在身上有一種溫暖的感覺;在夏天，太陽(yáng)太刺眼了，如果你不保護(hù)你的皮膚，你會(huì)被曬傷的。因此，在經(jīng)典物理學(xué)中，光電效應(yīng)取決于光的強(qiáng)度;然而，這一理論與當(dāng)時(shí)一系列實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相矛盾。
經(jīng)典物理學(xué)正處于危機(jī)之中:一場(chǎng)風(fēng)暴正在科學(xué)界醞釀，研究表明，有些顏色的光無(wú)論多么強(qiáng)都不能產(chǎn)生光電效應(yīng)，有些顏色甚至在低強(qiáng)度下也能發(fā)電。
暴風(fēng)雨帶來(lái)毀滅，但隨之而來(lái)的是新的生命。科學(xué)不會(huì)停滯不前，科學(xué)巨人在風(fēng)暴的中心，經(jīng)典物理學(xué)在相對(duì)論物理學(xué)和量子物理學(xué)的雙重修正下?lián)P帆遠(yuǎn)航。
正如我們所知，阿爾伯特·愛因斯坦解決了光電問題。
愛因斯坦最著名的是他的相對(duì)論，但你可能不知道的是，這樣一位偉大的科學(xué)家?guī)缀鯖]有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，這是科學(xué)界的最高榮譽(yù)。
愛因斯坦因創(chuàng)造性地解釋了光電效應(yīng)而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他認(rèn)為光是由光子,光子能量的本質(zhì)是一個(gè)包,每包包含能源的能量和頻率(單位時(shí)間內(nèi)(1)數(shù)量的變化),所以光線的物體可以產(chǎn)生電子完全取決于電池組的能量(光子)(頻率),無(wú)關(guān)權(quán)力包(強(qiáng)度)的數(shù)量。
太陽(yáng)能電池就像三明治
我們已經(jīng)描述了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，我們知道如何產(chǎn)生光電效應(yīng)，那么我們?nèi)绾卫卯a(chǎn)生的電子呢
這就引出了另一個(gè)概念，能級(jí)躍遷。
原子由原子核和原子核外的電子組成。原子核外的電子不是散射的，而是根據(jù)物理原理分層排列的。離原子核較近的電子能量較低，離原子核較遠(yuǎn)的電子能量較高。
在正常情況下，電子傾向于排列在可能的最低總能量，而這些電子被稱為“基態(tài)”。當(dāng)基態(tài)的原子接收到某種形式的能量(如光子)時(shí)，它會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)移到更高的能級(jí)。
不幸的是，處于激發(fā)態(tài)的電子是不穩(wěn)定的，并且傾向于躍遷到較低的能級(jí)。電子的過剩能量以光能或熱能的形式失去。
不，能量耗盡了，我們?nèi)匀粵]有電，對(duì)吧
不要擔(dān)心，為了傳導(dǎo)光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流，我們需要構(gòu)建合適的器件結(jié)構(gòu)，通常稱為太陽(yáng)能電池(見圖2)。
該設(shè)備的結(jié)構(gòu)就像一個(gè)三明治。具有光電效應(yīng)的活性層夾在電子輸運(yùn)層和空穴(電子躍遷后形成的局部缺電子部分稱為空穴)輸運(yùn)層之間。兩端為電極材料，一般為金屬和氧化銦錫(ITO)。
當(dāng)基態(tài)的原子接收到某種形式的能量(如光子)時(shí)，它會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)移到更高的能級(jí)。由于電子輸運(yùn)層的激發(fā)態(tài)略低于活性層的激發(fā)態(tài)，因此活性層中電子的激發(fā)態(tài)較容易轉(zhuǎn)移到電子輸運(yùn)層而不易返回到活性層的基態(tài)。空穴輸運(yùn)層的基態(tài)比活動(dòng)層的基態(tài)具有略高的電子能量。
整個(gè)過程似乎很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼮殡娮拥耐ㄟ^設(shè)置了一些小步驟，而不是進(jìn)行艱難的跳躍。
通過電子輸運(yùn)層與空穴輸運(yùn)層的有效配合，整個(gè)器件形成了完整的電路，可以得到有源層所產(chǎn)生的電子供我們使用。
圖5常見太陽(yáng)能電池板工作原理器件結(jié)構(gòu)示意圖(碳基能量轉(zhuǎn)換材料課題組青島生物能源與工藝研究所
通過轉(zhuǎn)換過程，我們最終直接從太陽(yáng)獲得電能，這就是太陽(yáng)能電池的工作原理。科學(xué)探索的步伐從未停止，正是因?yàn)檫@些偉大的科學(xué)家的偉大研究和發(fā)現(xiàn)，人們的生活可以變得越來(lái)越好，讓我們向他們致敬
資料來(lái)源:《中國(guó)科普》
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