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太陽能電池怎么進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化將光能轉(zhuǎn)化為電能

時(shí)間:2020-09-09 來源：未知

動(dòng)力的開展與革新推動(dòng)了人類社會(huì)的變遷與進(jìn)步，尤其是兩次工業(yè)革新今后，人們越發(fā)意識(shí)到動(dòng)力開展的重要。

當(dāng)今社會(huì)開展日新月異，可是以化石動(dòng)力（如煤炭、石油等）為代表的傳統(tǒng)動(dòng)力因再生周期長、儲(chǔ)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(dòng)力需求，新動(dòng)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(jìn)程，由于糖類物質(zhì)在代謝進(jìn)程中能夠發(fā)生能量，太陽能便通過這種方法被儲(chǔ)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(xué)原理告訴咱們，能量轉(zhuǎn)化進(jìn)程必然會(huì)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(jìn)程又與哪些因素相關(guān)？對19世紀(jì)初的科學(xué)家們來講，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。

具有“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（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(huì)引起物質(zhì)電性質(zhì)的改動(dòng)。之后的研討證明，這是因?yàn)榘l(fā)生電子流導(dǎo)致的，因此這一現(xiàn)象被稱為“光電效應(yīng)”。

要知道，國際的運(yùn)行原理需求契合物理學(xué)原理。在其時(shí)，牛頓樹立的經(jīng)典物理學(xué)原理統(tǒng)治著人們的思維。該原理認(rèn)為光是在以太（古希臘哲學(xué)家亞里士多德幻想的一種物質(zhì)，19世紀(jì)被物理學(xué)家借用代指光傳達(dá)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(dòng)幅度）有關(guān)（光波的振幅即為光的強(qiáng)度）。

這件事形似十分契合常理。能夠幻想，冬季陽光不強(qiáng)，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(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；可是，這一理論與其時(shí)的一系列實(shí)驗(yàn)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(qiáng)多少都無法發(fā)生光電效應(yīng)，有些色彩的光即便強(qiáng)度很低也能發(fā)生電流，經(jīng)典物理學(xué)隨之陷入危機(jī)：一場席卷整個(gè)科學(xué)界的風(fēng)暴正在醞釀。

風(fēng)暴中孕育著毀滅，但隨之而來的還有新生?？茖W(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)在相對論物理與量子物理的兩層修正下再次揚(yáng)帆起航。

而解決光電效應(yīng)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(xué)家險(xiǎn)些沒有拿到被稱為科學(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(xué)獎(jiǎng)，得益于其對光電效應(yīng)的創(chuàng)造性解說。他提出，光是由光子組成的，而光子的實(shí)質(zhì)是一個(gè)個(gè)能量包，每一個(gè)能量包所包含的能量與它的頻率（單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)）有關(guān)，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(qiáng)）無關(guān)。

太陽能電池就像一塊“三明治”

以上咱們介紹了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程，也知道怎么才干發(fā)生光電效應(yīng)，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(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，而是遵從物理學(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方式進(jìn)行排布，這樣的電子，咱們稱它處于“基態(tài)”?；鶓B(tài)的原子接收到某種方式的能量（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)”。

可是很不幸，激發(fā)態(tài)的電子并不穩(wěn)定，有向低能級(jí)躍遷的趨勢，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?。?/div>

別著急，要想將光電效應(yīng)發(fā)生的電流傳導(dǎo)出來，咱們需求構(gòu)筑合適的器材結(jié)構(gòu)，也便是咱們常說的太陽能電池。

器材結(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（電子躍遷后構(gòu)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?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(shè)置了一個(gè)個(gè)小臺(tái)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(gè)進(jìn)程很簡單實(shí)現(xiàn)。

通過電子傳輸層和空穴傳輸層的有效配合，整個(gè)器材構(gòu)成了一個(gè)完好的回路，活性層發(fā)生的電子就能夠被導(dǎo)出，進(jìn)而為咱們所用了。

好啦，經(jīng)過轉(zhuǎn)化進(jìn)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(xué)探索的腳步永不停歇，也正因?yàn)檫@些巨大科學(xué)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！