世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国):科普知识
出品：科普中国
制作：陈浩（中科院青岛生物能源与过程研究所碳基能源转换材料研究组）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
能源的发展与革命推动了人类社会的变迁与进步，尤其是两次工业革命以后，人们越发意识到能源发展的重要。
当今社会发展日新月异，但是以化石能源（如煤炭、石油等）为代表的传统能源因再生周期长，储量和质量逐年下降等问题，越来越难以满足与日俱增的能源需求，新能源的开发和利用因此被提上日程。
从植物的光世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国)用中找灵感：利用太阳能发电
我们都知道，地球上所有生物所能利用的能量基本全部来自于植物的光世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国)用。
图1 光世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国)用示意图（图片来源：http://www.1010jiajiao.com/czsw/shiti_id_d623a67f6a9c974e1647ce187eb3f72a）
植物的光世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国)用是指在光照条件下，在植物叶绿体中以二氧化碳和水为原料合成糖的生物过程，由于糖类物质在代谢过程中可以产生能量，太阳能便通过这种方式被储存下来。
然而，这种能量很难为我们直接利用，一般需要经过转化才能成为我们普遍使用的电能。物理学原理告诉我们，能量转化过程必然会带来能量损失。于是，将太阳能直接转化为电能的课题因此提上了日程。
那么，太阳能是否可以直接转化为电能？这种转化过程又与哪些因素相关？这对19世纪初的科学家们来讲，这可是一个了不得的命题。
庆幸的是，这一难题在19世纪末取得了巨大突破。
拥有“最强大脑”的他发现了光与电的奥秘
1887年，著名物理学家赫兹（现今频率的单位就是以他的名字命名的）在一次研究中偶然发现：光照射到某些物质表面，会引起物质电性质的改变。之后的研究证明，这是因为产生电子流导致的，因此这一现象被称为“光电效应”。
图2 光电效应示意图（图片来源：http://img.mp.itc.cn/upload/20160511/076aa3518f444e0c902e391fe7613d1e_th.jpg）
要知道，世界的运行原理需要符合物理学原理。在当时，牛顿建立的经典物理学原理统治着人们的思想。该原理认为光是在以太（古希腊哲学家亚里士多德设想的一种物质，19世纪被物理学家借用代指光传播的介质）这种介质中传递的一种波（可以想象一下石子投入湖中的场景，湖面荡起一圈圈以水为介质向外传递的波纹），而波的能量与振幅（振动幅度）有关（光波的振幅即为光的强度）。
图3 石子投入湖中产生波纹 （图片来源：https://huaban.com/pins/1796511277/）
这件事貌似非常符合常理。可以想象，冬天阳光不强，晒在身上有暖洋洋的感觉；而夏日里，阳光刺眼，如果不注意防护皮肤都有可能被晒伤。因此，在经典物理学下，光电效应能否发生取决于光的强度；然而，这一理论与当时的一系列实验结果相悖离。
研究表明，同一种物质，有些颜色的光世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国)论光强多少都世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国)法发生光电效应，有些颜色的光即使强度很低也能产生电流，经典物理学随之陷入危机：一场席卷整个科学界的风暴正在酝酿。
风暴中孕育着毁灭，但随之而来的还有新生。科学不会停滞不前，一位位科学巨匠在风暴中心劈波斩浪，经典物理学在相对论物理与量子物理的双重修正下再次扬帆起航。
而解决光电效应难题的，正是我们所熟知的阿尔伯特·爱因斯坦。
爱因斯坦因建立相对论而广为人知，但大家可能不知道，这么伟大的科学家险些没有拿到被称为科学界至高荣誉的诺贝尔奖（诺贝尔奖从不颁发给有争议的发现，而对相对论的讨论和争议至今仍未停歇）。
爱因斯坦荣获1921年诺贝尔物理学奖得益于其对光电效应的创造性解释。他提出，光是由光子组成的，而光子的本质是一个个能量包，每一个能量包所蕴含的能量与它的频率（单位时间（1s）内的变化次数）有关，因此光照射到物体上能否产生电子完全取决于能量包（光子）的能量（频率），与能量包的数量（光强）世界杯网址大全_世界杯shijiebei(中国)关。
太阳能电池就像一块“三明治”
以上我们介绍了光电效应的发现历程，也知道如何才能产生光电效应，那么，产生的电子该如何被我们所利用呢？
这就牵扯到了另外一个概念——能级跃迁。
图4 能级跃迁示意图（青岛生物能源与过程研究所，碳基能源转换材料研究组）
原子由原子核和核外电子构成，原子核外的电子并非是散乱排布的，而是遵循物理学原理分层排布的，靠近原子核的电子能量低，越远离原子核的电子能量越高，不同层的电子能量不同，这些能量值也被称为“能级”。
在正常条件下，核外电子总是趋近于以总能量最低的形式进行排布，这样的电子，我们称它处于“基态”。基态的原子接收到某种形式的能量（如光子）后，便会自发转移到能量更高的能级，这便是能级跃迁，跃迁后的电子便称它处于“激发态”。
但是很不幸，激发态的电子并不稳定，有向低能级跃迁的趋势，电子具有的多余能量便以光能或者热能的形式散发掉了。
不对，能量就这样散发了，我们还是没有获得电能�。�
别着急，要想将光电效应产生的电流传导出来，我们需要构筑合适的器件结构，也就是我们常说的太阳能电池（如图2所示）。
器件结构形似三明治，具有光电效应的活性层被电子传输层和空穴（电子跃迁后形成的局部缺电子部分称为空穴）传输层夹在中间，两端为电极材料，一般是金属和氧化铟锡（ITO）。
基态的原子接收到某种形式的能量（如光子）后，便会自发转移到能量更高的能级，这便是能级跃迁，跃迁后的电子便称它处于“激发态”。因为电子传输层的激发态能级比活性层的略低一些，所以活性层激发态的电子容易传递到电子传输层，而不是回到活性层的基态；而空穴传输层基态比活性层基态电子能量略高，电子有向活性层基态传递的趋势。
这就好像给电子设置了一个个小台阶，让电子只需“抬抬脚”就迈过去了，而不是艰难的跳跃（跃迁），因而整个过程很容易实现。
通过电子传输层和空穴传输层的有效配合，整个器件构成了一个完整的回路，活性层产生的电子就可以被导出进而为我们所用了。
图5 常见的太阳能电池器件结构示意图（青岛生物能源与过程研究所，碳基能源转换材料研究组）
好啦，经过转化过程，我们终于从太阳能直接获得了电能而这就是太阳能电池的原理。科学探索的脚步永不停歇，也正因为这些伟大科学家们伟大的研究与发现，人们的生活才能变得越来越好，让我们向他们致敬！