太陽(yáng)“能發(fā)電”?太陽(yáng)“能”發(fā)電!
發(fā)布時(shí)間:2023-02-06
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社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展,離不開“能源”的推動(dòng)和幫助。尤其是兩次工業(yè)革命以后,人們?cè)桨l(fā)意識(shí)到能源發(fā)展的重要性。

試想一下,如果沒有了能源,我們的生活還會(huì)如此多彩嗎?

但是,隨著社會(huì)日新月異的變化,以化石能源(如煤炭、石油等)為代表的傳統(tǒng)能源因再生周期長(zhǎng),儲(chǔ)量和質(zhì)量逐年下降等問題,越來越難以滿足與日俱增的能源需求。

因此,科學(xué)家們將投向了可再生的、可持續(xù)發(fā)展的新能源開發(fā)工作上,一個(gè)“能源寶藏”便進(jìn)入了科學(xué)家們的眼簾——太陽(yáng)。

從植物的光合作用中找靈感:利用太陽(yáng)能發(fā)電

我們都知道,地球上所有生物所能利用的能量基本全部來自于植物的光合作用。

光合作用示意圖(圖片來源:http://www.1010jiajiao.com/czsw/shiti_id_d623a67f6a9c974e1647ce187eb3f72a)

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過程。由于糖類物質(zhì)在代謝過程中可以產(chǎn)生能量,太陽(yáng)能便通過這種方式被儲(chǔ)存下來。

然而,這種能量一般需要經(jīng)過轉(zhuǎn)化才能成為我們普遍使用的電能,因此很難被我們直接利用。而且物理學(xué)原理告訴我們,能量轉(zhuǎn)化過程必然會(huì)帶來能量損失。將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的課題因此提上了日程。

那么,太陽(yáng)能是否可以直接轉(zhuǎn)化為電能?這種轉(zhuǎn)化過程又與哪些因素相關(guān)?這對(duì)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。

擁有“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(現(xiàn)今頻率的單位就是以他的名字命名的)在一次研究中偶然發(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)的改變。之后的研究證明,這是因?yàn)楫a(chǎn)生電子流導(dǎo)致的,因此這一現(xiàn)象被稱為“光電效應(yīng)”。

光電效應(yīng)示意圖(圖片來源:http://img.mp.itc.cn/upload/20160511/076aa3518f444e0c902e391fe7613d1e_th.jpg)

要知道,世界的運(yùn)行原理需要符合物理學(xué)原理。在當(dāng)時(shí),牛頓建立的經(jīng)典物理學(xué)原理統(tǒng)治著人們的思想。該原理認(rèn)為光是在以太(古希臘哲學(xué)家亞里士多德設(shè)想的一種物質(zhì),19世紀(jì)被物理學(xué)家借用代指光傳播的介質(zhì))這種介質(zhì)中傳遞的一種波(可以想象一下石子投入湖中的場(chǎng)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)。

這件事貌似非常符合常理??梢韵胂?,冬天陽(yáng)光不強(qiáng),曬在身上有暖洋洋的感覺;而夏日里,陽(yáng)光刺眼,如果不注意防護(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。然而,這一理論與當(dāng)時(shí)的一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果相悖離。

研究表明,同一種物質(zhì),有些顏色的光,無論光強(qiáng)多少都無法發(fā)生光電效應(yīng),有些顏色的光即使強(qiáng)度很低也能產(chǎn)生電流。經(jīng)典物理學(xué)隨之陷入危機(jī),一場(chǎng)席卷整個(gè)科學(xué)界的風(fēng)暴正在醞釀。

風(fēng)暴意味著毀滅,但隨之而來的還有新生。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(duì)論物理與量子物理的雙重修正下再次揚(yáng)帆起航。

而解決光電效應(yīng)難題的巨匠,正是我們所熟知的阿爾伯特·愛因斯坦。

愛因斯坦因建立相對(duì)論而廣為人知,但大家可能不知道,這么偉大的科學(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(zhēng)議的發(fā)現(xiàn),而對(duì)相對(duì)論的討論和爭(zhēng)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(duì)光電效應(yīng)的創(chuàng)造性解釋。他提出,光是由光子組成的,而光子的本質(zhì)是一個(gè)個(gè)能量包,每一個(gè)能量包所蘊(yùn)含的能量與它的頻率(單位時(shí)間(1s)內(nèi)的變化次數(shù))有關(guān),因此光照射到物體上能否產(chǎn)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)。

“三明治”般的太陽(yáng)能電池如何發(fā)揮作用?

以上我們介紹了光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)歷程,也知道了如何才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。那么,產(chǎn)生的電子該如何被我們所利用呢?

這就牽扯到了另外一個(gè)概念——能級(jí)躍遷。

能級(jí)躍遷示意圖(圖片來源:青島生物能源與過程研究所,碳基能源轉(zhuǎn)換材料研究組)

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,而是遵循物理學(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形式進(jìn)行排布,這樣的電子,我們稱它處于“基態(tài)”。基態(tài)的原子接收到某種形式的能量(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)”。

但是很不幸,激發(fā)態(tài)的電子并不穩(wěn)定,有向低能級(jí)躍遷的趨勢(shì),電子具有的多余能量便以光能或者熱能的形式散發(fā)掉了。

不對(duì),能量就這樣散發(fā)了,我們還是沒有獲得電能???

別著急,要想將光電效應(yīng)產(chǎn)生的電流傳導(dǎo)出來,我們需要構(gòu)筑合適的器件結(jié)構(gòu),也就是我們常說的太陽(yáng)能電池(如圖2所示)。

器件結(jié)構(gòu)形似三明治,具有光電效應(yīng)的活性層電子傳輸層空穴(電子躍遷后形成的局部缺電子部分稱為空穴)傳輸層夾在中間,兩端為電極材料,一般是金屬和氧化銦錫(ITO)。

基態(tài)的原子接收到某種形式的能量(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)”。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)的電子容易傳遞到電子傳輸層,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(shì)。

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,而不是艱難的跳躍(躍遷),因而整個(gè)過程很容易實(shí)現(xiàn)。

通過電子傳輸層和空穴傳輸層的有效配合,整個(gè)器件構(gòu)成了一個(gè)完整的回路,活性層產(chǎn)生的電子就可以被導(dǎo)出進(jìn)而為我們所用了。

常見的太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)示意圖(圖片來源:青島生物能源與過程研究所,碳基能源轉(zhuǎn)換材料研究組)

經(jīng)過轉(zhuǎn)化過程,我們終于從太陽(yáng)能中直接獲得了電能,而這就是太陽(yáng)能電池的原理??茖W(xué)探索的腳步永不停歇,也正因?yàn)檫@些偉大科學(xué)家們偉大的研究與發(fā)現(xiàn),有力地緩解了能源緊張的問題,幫助人類走向可持續(xù)發(fā)展的未來。



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