隨著社會(huì)的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來(lái)越大，而現(xiàn)有的能源有限，要人們不斷發(fā)展新能源，而太陽(yáng)能就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，人們開始大力發(fā)展太陽(yáng)能能發(fā)電。能源的發(fā)展與革命推動(dòng)了人類社會(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。從植物的光合用途中找靈感：利用太陽(yáng)能發(fā)電我們都了解，地球上所有生物所能利用的能量基本全部來(lái)自于植物的光合用途。植物的光合用途是指在光照條件下，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，由于糖類物質(zhì)在代謝過(guò)程中可以出現(xiàn)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)程又與什么因素相關(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)槌霈F(xiàn)電子流導(dǎo)致的，因此這一現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。要了解，世界的運(yùn)行原理要符合物理學(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。可以想象，冬天陽(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，假如不注意防護(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)度很低也能出現(xiàn)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。科學(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，但大家可能不了解，這么偉大的科學(xué)家險(xiǎn)些沒(méi)有拿到被稱為科學(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出現(xiàn)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，也了解如何才能出現(xiàn)光電效應(yīng)，那么，出現(xiàn)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，我們稱它處于基態(tài)。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)有獲得電能啊?別著急，要想將光電效應(yīng)出現(xiàn)的電流傳導(dǎo)出來(lái)，我們要構(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，活性層出現(xiàn)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。

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(lái)越好，讓我們向他們致敬!假如某一天人們能高效利用太陽(yáng)能，相信能解決很大的能源問(wèn)題，畢竟太陽(yáng)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，要我們科研人員更加努力。