探索光的奥秘：光电效应与太阳能电池

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在美国大片里面我们经常看到一些宇宙飞船或者卫星会有很多太阳能电池板，光一照到上面就有电了。我们都知道能量是可以转换的，比如电能可以转化成热能（我们的电热毯），热能可以转化为机械能（蒸汽机）等等，这些都能够用经典物理理论进行解释，但光能是如何转化为电能的呢？

光能向电能的转化依靠的是光电效应，光电效应即当一束光照到一种物质表面时，其物质内部的电子会被激发出来形成电流。

其实早在1839年，法国物理学家亚历山大·埃德蒙贝克勒尔在研究光在电解池中的作用时便发现了光电效应，但对于光电效应是如何产生的这个问题一直到1905年才由爱因斯坦给出了明确而合理的解释。

根据经典物理学的理论，光电效应的产生是由于光的能量传输给了电子，使其被激发而产生电流。从这个角度来看，倘若增加光的强度（即相同的时间内有更多的光子到达材料表面），那么电子所具有的动能也将相应增加，但事实并非如此。

科学家们发现，用蓝光照射材料表面比用红黄光照射更容易产生光电效应。1887年，德国物理学家赫兹用紫外线去照射电极，发现紫外线照射比可见光照射更容易产生电火花。

从上一篇的介绍中我们知道，光子的能量是与光子的频率相对应的，频率越高，能量越高，其波长也越短（在可见光区域红橙黄绿青蓝紫波长依次变短，紫外线则更短，能量更高）。

我们知道，物质是由原子组成的，而原子则由原子核与电子构成。每一个原子都有一定数量的电子，倘若电子要逃离原子则需要吸收足够的能量，但这并不等同于足够的光的强度就能使电子逃离原子。因为光的强度只与光子的数量有关，而与光子的能量和频率无关，但是，电子是直接与光子进行相互作用的。所以说，光子的能量而非光的强度才决定了电子是否能够逃出原子，即产生光电效应。

基于这个现象，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程：

其中 为电子的动能，h为普朗克常数，ν为光子的频率，hν即光子的能量，W为电子逃离原子所需要吸收的能量。

从上面的方程可以看到，只有当hν>W时，即光子的能量大于电子逃离所需要吸收的能量时，电子才能逃逸并具备一定动能，光子的能量越大，其逃逸电子的动能就越高。这也就是为什么赫兹使用紫外线更容易使得电极产生电火花的原因。

爱因斯坦的伟大之处，不仅在于他完美地解释了光电效应，更在于他提出了“光子”的概念，证明了光的粒子性，并极大推动了量子力学的发展。为此爱因斯坦也获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

自此以后，光电效应逐渐被广大科学家们利用起来并进行太阳能电池开发研究。

由于太阳辐射到地球上的光是由各种频率的光组合而成的，所以说地球上的物质在受到太阳照射时，其内部的电子将受到各种各样的光子刺激，而只有能量大于电子逃逸所需要能量光子才能够有效地激发电子逃逸并产生光电效应。

为此，我们要寻找一种适合做太阳能电池板的材料，这种材料内部的电子应该是比较容易激发的，这样的话大部分的太阳光照射到其表面都能使其产生光电效应。

经过各个方面的衡量，最终科学家们选择了硅这种半导体来作为太阳能电池板的材料，并对相应的硅进行掺硼或磷元素来构成PN结。

采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体（Positive，掺硼，正电端）与N型半导体（Negative，掺磷，负电端）制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结，PN结具有单向导电性，是电子技术中许多器件所利用的特性。

虽然早在1888年俄国物理学家亚历山大·史托勒托夫便构造了第一个基于光电效应的电池，但离实际应用还很远。

太阳能电池首次大显身手的时候是1958年，当时是美国也是世界上首次将太阳能电池使用在卫星上，到上世纪60年代，绝大部分的卫星都使用了太阳能电池。

和很多其它先进技术一样，太阳能电池也是优先在军方试用，其成本也是非常高昂的，当然一般也只有军方会不惜成本。

经过了半个多世纪的发展，太阳能电池技术已经成熟了很多，特别是电池的能量转化效率，太阳能电池也逐渐步入了民用阶段。

在中国，我们接触的比较多的应该就是太阳能热水器了，其实太阳能在我国的发电占比一直在上升，2018年全国用电有接近9.2%是来自于太阳能发电，这个数字是非常可观的，随着我国 科技 的发展，太阳能发电的占比还将进一步提升，太阳能电池也会越来越普及。

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