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用了这么多太阳能电池,光变电的原理你不一定知道

来源:科普中国 作者: 发布时间:2019-09-02 11:51 浏览次数: 【字体:

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。

从植物的光合作用中找灵感: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合作用。

图1  光合作用示意图

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

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

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,有些颜色的光无论光强多少都无法发生光电效应,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)无关。

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啊?

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!

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