動力的開展與革新推動了人類社會的變遷與進步，尤其是兩次工業(yè)革新今后，人們越發(fā)意識到動力開展的重要。
當今社會開展日新月異，可是以化石動力（如煤炭、石油等）為代表的傳統(tǒng)動力因再生周期長、儲量和質(zhì)量逐年下降等問題，越來越難以滿足日積月累的動力需求，新動力的開發(fā)和使用因此被提上日程。
從植物的光合作用中找靈感：使用太陽能發(fā)電
咱們都知道，地球上一切生物所能使用的能量基本上悉數(shù)來自于植物的光合作用。
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進程，由于糖類物質(zhì)在代謝進程中能夠發(fā)生能量，太陽能便通過這種方法被儲存下來。
可是，這種能量很難為咱們直接使用，一般需求經(jīng)過轉(zhuǎn)化才干成為咱們遍及使用的電能。物理學原理告訴咱們，能量轉(zhuǎn)化進程必然會帶來能量損失。所以，將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的課題被提上了日程。
那么，太陽能是否能夠直接轉(zhuǎn)化為電能？這種轉(zhuǎn)化進程又與哪些因素相關？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。
具有“最強大腦”的他發(fā)現(xiàn)了光與電的奧秘
1887年，著名物理學家赫茲（如今頻率的單位便是以他的姓名命名的）在一次研討中偶然發(fā)現(xiàn)：光照射到某些物質(zhì)表面，會引起物質(zhì)電性質(zhì)的改動。之后的研討證明，這是因為發(fā)生電子流導致的，因此這一現(xiàn)象被稱為“光電效應”。
要知道，國際的運行原理需求契合物理學原理。在其時，牛頓樹立的經(jīng)典物理學原理統(tǒng)治著人們的思維。該原理認為光是在以太（古希臘哲學家亞里士多德幻想的一種物質(zhì)，19世紀被物理學家借用代指光傳達的介質(zhì)）這種介質(zhì)中傳遞的一種波（能夠幻想一下石子投入湖中的場景，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（振動幅度）有關（光波的振幅即為光的強度）。
這件事形似十分契合常理。能夠幻想，冬季陽光不強，曬在身上有暖洋洋的感覺；而夏天里，陽光扎眼，假如不注意防護皮膚都有可能被曬傷。因此，在經(jīng)典物理學下，光電效應能否發(fā)生取決于光的強度；可是，這一理論與其時的一系列實驗成果相悖離。
研討表明，同一種物質(zhì)，有些色彩的光無論光強多少都無法發(fā)生光電效應，有些色彩的光即便強度很低也能發(fā)生電流，經(jīng)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。
風暴中孕育著毀滅，但隨之而來的還有新生。科學不會停滯不前，一位位科學巨匠在風暴中心劈波斬浪，經(jīng)典物理學在相對論物理與量子物理的兩層修正下再次揚帆起航。
而解決光電效應難題的，正是咱們所熟知的阿爾伯特·愛因斯坦。
愛因斯坦因樹立相對論而廣為人知，但咱們可能不知道，這么巨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(fā)給有爭議的發(fā)現(xiàn)，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(chuàng)造性解說。他提出，光是由光子組成的，而光子的實質(zhì)是一個個能量包，每一個能量包所包含的能量與它的頻率（單位時間內(nèi)的變化次數(shù)）有關，因此光照射到物體上能否發(fā)生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）無關。
太陽能電池就像一塊“三明治”
以上咱們介紹了光電效應的發(fā)現(xiàn)歷程，也知道怎么才干發(fā)生光電效應，那么，發(fā)生的電子該怎么被咱們所使用呢？
這就牽扯到了另外一個概念——能級躍遷。
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，而是遵從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方式進行排布，這樣的電子，咱們稱它處于“基態(tài)”。基態(tài)的原子接收到某種方式的能量（如光子）后，便會自發(fā)轉(zhuǎn)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(fā)態(tài)”。
可是很不幸，激發(fā)態(tài)的電子并不穩(wěn)定，有向低能級躍遷的趨勢，電子具有的剩余能量便以光能或許熱能的方式發(fā)出掉了。
不對，能量就這樣發(fā)出了，咱們還沒有獲得電能啊！
別著急，要想將光電效應發(fā)生的電流傳導出來，咱們需求構筑合適的器材結構，也便是咱們常說的太陽能電池。
器材結構形似三明治，具有光電效應的活性層被電子傳輸層和空穴（電子躍遷后構成的局部缺電子部分稱為空穴）傳輸層夾在中心，兩頭為電極材料，一般是金屬和氧化銦錫。
因為電子傳輸層的激發(fā)態(tài)能級比活性層的略低一些，所以活性層激發(fā)態(tài)的電子簡單傳遞到電子傳輸層，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。
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，而不是困難的跳躍（躍遷），因而整個進程很簡單實現(xiàn)。
通過電子傳輸層和空穴傳輸層的有效配合，整個器材構成了一個完好的回路，活性層發(fā)生的電子就能夠被導出，進而為咱們所用了。
好啦，經(jīng)過轉(zhuǎn)化進程，咱們總算從太陽能直接獲得了電能，這便是太陽能電池的原理。科學探索的腳步永不停歇，也正因為這些巨大科學家們的研討與發(fā)現(xiàn)，人們的生活才干變得越來越好，讓咱們向他們問候！
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