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「科普」用了这么多太阳能电池 光变电的原理你知道吗?

「科普」用了这么多太阳能电池 光变电的原理你知道吗?

本文摘要:能源的生长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生长的重要。当今社会生长日新月异,可是以化石能源(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,新能源的开发和使用因此被提上日程。 从植物的光互助用中找灵感:使用太阳能发电我们都知道,地球上所有生物所能使用的能量基本全部来自于植物的光互助用。

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能源的生长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生长的重要。当今社会生长日新月异,可是以化石能源(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,新能源的开发和使用因此被提上日程。

从植物的光互助用中找灵感:使用太阳能发电我们都知道,地球上所有生物所能使用的能量基本全部来自于植物的光互助用。图1 光互助用示意图(图片泉源:http://www.1010jiajiao.com/czsw/sh植物的光互助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历程,由于糖类物质在代谢历程中可以发生能量,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使用,一般需要经由转化才气成为我们普遍使用的电能。物理学原理告诉我们,能量转化历程一定会带来能量损失。

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?这种转化历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命题。庆幸的是,这一难题在19世纪末取得了庞大突破。

拥有“最强大脑”的他发现了光与电的秘密1887年,著名物理学家赫兹(现今频率的单元就是以他的名字命名的)在一次研究中偶然发现:光照射到某些物质外貌,会引起物质电性质的改变。之后的研究证明,这是因为发生电子流导致的,因此这一现象被称为“光电效应”。图2 光电效应示意图(图片泉源:http://img.mp.itc.cn/upload/201605要知道,世界的运行原理需要切合物理学原理。在其时,牛顿建设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流传的介质)这种介质中通报的一种波(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通报的波纹),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 石子投入湖中发生波纹 (图片泉源:https://huaban.com/pins/179651这件事貌似很是切合常理。可以想象,冬天阳光不强,晒在身上有暖洋洋的感受;而夏日里,阳光耀眼,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,这一理论与其时的一系列实验效果相悖离。研究讲明,同一种物质,有些颜色的光无论光强几多都无法发生光电效应,有些颜色的光纵然强度很低也能发生电流,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。风暴中孕育着扑灭,但随之而来的另有新生。

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。

爱因斯坦因建设相对论而广为人知,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(诺贝尔奖从不发表给有争议的发现,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缔造性解释。

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(单元时间(1s)内的变化次数)有关,因此光照射到物体上能否发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”以上我们先容了光电效应的发现历程,也知道如何才气发生光电效应,那么,发生的电子该如何被我们所使用呢?这就牵扯到了另外一个观点——能级跃迁。

图4 能级跃迁示意图(青岛生物能源与历程研究所,碳基能源转换质料研究组)原子由原子核和核外电子组成,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,差别层的电子能量差别,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举行排布,这样的电子,我们称它处于“基态”。

基态的原子吸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,这即是能级跃迁,跃迁后的电子便称它处于“引发态”。可是很不幸,引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。差池,能量就这样散发了,我们还是没有获得电能啊?别着急,要想将光电效应发生的电流传导出来,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门称为空穴)传输层夹在中间,两头为电极质料,一般是金属和氧化铟锡(ITO)。

基态的原子吸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,这即是能级跃迁,跃迁后的电子便称它处于“引发态”。因为电子传输层的引发态能级比活性层的略低一些,所以活性层引发态的电子容易通报到电子传输层,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通报的趋势。这就似乎给电子设置了一个个小台阶,让电子只需“抬抬脚”就迈已往了,而不是艰难的跳跃(跃迁),因而整个历程很容易实现。

通过电子传输层和空穴传输层的有效配合,整个器件组成了一个完整的回路,活性层发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。


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