出品：科普我国
制造：陈浩（中科院青岛生物动力与进程研讨所碳基动力转化资料研讨组）
监制：我国科学院计算机网络信息中心
动力的开展与革新推动了人类社会的变迁与前进，尤其是两次工业革新今后，人们越发意识到动力开展的重要。
当今社会开展一日千里，可是以化石动力（如煤炭、石油等）为代表的传统动力因再生周期长，储量和质量逐年下降等问题，越来越难以满意日积月累的动力需求，新动力的开发和运用因此被提上日程。
从植物的光合作用中找创意：运用太阳能发电
咱们都知道，地球上一切生物所能运用的能量根本悉数来自于植物的光合作用。
图1 光合作用示意图（图片来历：http:///czsw/shiti_id_d623a67f6a9c974e1647ce187eb3f72a）
植物的光合作用是指在光照条件下，在植物叶绿体中以二氧化碳和水为质料组成糖的生物进程，由于糖类物质在代谢进程中能够发作能量，太阳能便通过这种方法被贮存下来。
可是，这种能量很难为咱们直接运用，一般需求通过转化才干成为咱们遍及运用的电能。物理学原理告知咱们，能量转化进程必然会带来能量丢失。所以，将太阳能直接转化为电能的课题因此提上了日程。
那么，太阳能是否能够直接转化为电能？这种转化进程又与哪些因素相关？这对19世纪初的科学家们来讲，这可是一个了不起的出题。
幸亏的是，这一难题在19世纪末取得了巨大打破。
具有“最强大脑”的他发现了光与电的奥妙
1887年，闻名物理学家赫兹（如今频率的单位便是以他的姓名命名的）在一次研讨中偶尔发现：光照射到某些物质外表，会引起物质电性质的改动。之后的研讨证明，这是由于发作电子流导致的，因此这一现象被称为“光电效应”。
图2 光电效应示意图（图片来历：http://img.mp.itc.cn/upload/20160511/076aa3518f444e0c902e391fe7613d1e_th.jpg）
要知道，国际的运转原理需求契合物理学原理。在其时，牛顿树立的经典物理学原理统治着人们的思维。该原理以为光是在以太（古希腊哲学家亚里士多德幻想的一种物质，19世纪被物理学家借用代指光传达的介质）这种介质中传递的一种波（能够幻想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（振荡起伏）有关（光波的振幅即为光的强度）。
图3 石子投入湖中发作波纹 （图片来历：https://huaban.com/pins/1796511277/）
这件事形似十分契合常理。能够幻想，冬季阳光不强，晒在身上有暖烘烘的感觉；而夏天里，阳光扎眼，假如不注意防护皮肤都有或许被晒伤。因此，在经典物理学下，光电效应能否发作取决于光的强度；可是，这一理论与其时的一系列试验成果相悖离。
研讨标明，同一种物质，有些色彩的光不管光强多少都无法发作光电效应，有些色彩的光即便强度很低也能发作电流，经典物理学随之堕入危机：一场席卷整个科学界的风暴正在酝酿。
风暴中孕育着消灭，但随之而来的还有重生。科学不会停滞不前，一位位科学大师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两层修正下再次扬帆起航。
而处理光电效应难题的，正是咱们所熟知的阿尔伯特·爱因斯坦。
爱因斯坦因树立相对论而广为人知，但咱们或许不知道，这么巨大的科学家几乎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，而对相对论的评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说。他提出，光是由光子组成的，而光子的实质是一个个能量包，每一个能量包所包含的能量与它的频率（单位时刻（1s）内的改变次数）有关，因此光照射到物体上能否发作电子彻底取决于能量包（光子）的能量（频率），与能量包的数量（光强）无关。
太阳能电池就像一块“三明治”
以上咱们介绍了光电效应的发现进程，也知道怎么才干发作光电效应，那么，发作的电子该怎么被咱们所运用呢？
这就牵扯到了别的一个概念——能级跃迁。
图4 能级跃迁示意图（青岛生物动力与进程研讨所，碳基动力转化资料研讨组）
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，而是遵从物理学原理分层排布的，接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方式进行排布，这样的电子，咱们称它处于“基态”。基态的原子接收到某种方式的能量（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”。
可是很不幸，激发态的电子并不安稳，有向低能级跃迁的趋势，电子具有的剩余能量便以光能或许热能的方式发出掉了。
不对，能量就这样发出了，咱们仍是没有取得电能啊？
别着急，要想将光电效应发作的电流传导出来，咱们需求构筑适宜的器材结构，也便是咱们常说的太阳能电池（如图2所示）。
器材结构形似三明治，具有光电效应的活性层被电子传输层和空穴（电子跃迁后构成的部分缺电子部分称为空穴）传输层夹在中心，两头为电极资料，一般是金属和氧化铟锡（ITO）。
基态的原子接收到某种方式的能量（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”。由于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简单传递到电子传输层，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。
这就如同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，而不是困难的跳动（跃迁），因此整个进程很简单完成。
通过电子传输层和空穴传输层的有用合作，整个器材构成了一个完好的回路，活性层发作的电子就能够被导出进而为咱们所用了。
图5 常见的太阳能电池器材结构示意图（青岛生物动力与进程研讨所，碳基动力转化资料研讨组）
好啦，通过转化进程，咱们总算从太阳能直接取得了电能而这便是太阳能电池的原理。科学探究的脚步永不停歇，也正由于这些巨大科学家们巨大的研讨与发现，人们的日子才干变得越来越好，让咱们向他们问候！
