前沿拓展：

社會的進步和發展，離不開“能源”的推動和幫助。尤其是兩次工業革命以后，人們越發意識到能源發展的重要性。

　　試想一下，如果沒有了能源，我們的生活還會如此多彩嗎？

　　但是，隨著社會日新月異的變化，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，儲量和質量逐年下降等問題，越來越難以滿足與日俱增的能源需求。

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

　　從植物的光合作用中找靈感：利用太陽能發電

　　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。

　　光合作用示意圖（圖片來源：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程。由于糖類物質在代謝過程中可以產生能量，太陽能便通過這種方式被儲存下來。

　　然而，這種能量一般需要經過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。而且物理學原理告訴我們，能量轉化過程必然會帶來能量損失。將太陽能直接轉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化為電能？這種轉化過程又與哪些因素相關？這對19世紀初的科學家們來講，這可是一個了不得的命題。慶幸的是，這一難題在19世紀末取得了巨大突破。

　　擁有“最強大腦”的他，發現了光與電的奧秘

　　1887年，著名物理學家赫茲（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現：光照射到某些物質表面，會引起物質電性質的改變。之后的研究證明，這是因為產生電子流導致的，因此這一現象被稱為“光電效應”。

　　光電效應示意圖（圖片來源：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原理。在當時，牛頓建立的經典物理學原理統治著人們的思想。該原理認為光是在以太（古希臘哲學家亞里士多德設想的一種物質，19世紀被物理學家借用代指光傳播的介質）這種介質中傳遞的一種波（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向外傳遞的波紋），而波的能量與振幅（振動幅度）有關（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?，冬天陽光不強，曬在身上有暖洋洋的感覺；而夏日里，陽光刺眼，如果不注意防護皮膚都有可能被曬傷。因此，在經典物理學下，光電效應能否發生取決于光的強度。然而，這一理論與當時的一系列實驗結果相悖離。

　　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生電流。經典物理學隨之陷入危機，一場席卷整個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，這么偉大的科學家險些沒有拿到被稱為科學界至高榮譽的諾貝爾獎（諾貝爾獎從不頒發給有爭議的發現，而對相對論的討論和爭議至今仍未停歇）。

　　愛因斯坦榮獲1921年諾貝爾物理學獎得益于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個能量包，每一個能量包所蘊含的能量與它的頻率（單位時間（1s）內的變化次數）有關，因此光照射到物體上能否產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）無關。

　　“三明治”般的太陽能電池如何發揮作用？

　　以上我們介紹了光電效應的發現歷程，也知道了如何才能產生光電效應。那么，產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。

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

　　原子由原子核和核外電子構成，原子核外的電子并非是散亂排布的，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“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行排布，這樣的電子，我們稱它處于“基態”?；鶓B的原子接收到某種形式的能量（如光子）后，便會自發轉移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷后的電子便稱它處于“激發態”。

　　但是很不幸，激發態的電子并不穩定，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掉了。

　　不對，能量就這樣散發了，我們還是沒有獲得電能啊？

　　別著急，要想將光電效應產生的電流傳導出來，我們需要構筑合適的器件結構，也就是我們常說的太陽能電池（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）。

　　基態的原子接收到某種形式的能量（如光子）后，便會自發轉移到能量更高的能級，這便是能級躍遷，躍遷后的電子便稱它處于“激發態”。因為電子傳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遞到電子傳輸層，而不是回到活性層的基態；而空穴傳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遞的趨勢。

　　這就好像給電子設置了一個個小臺階，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現。

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

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

　　經過轉化過程，我們終于從太陽能中直接獲得了電能，而這就是太陽能電池的原理?？茖W探索的腳步永不停歇，也正因為這些偉大科學家們偉大的研究與發現，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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