图2 光电效应示意图（图片来源：http://img.mp.itc.cn/upload/20160511/076aa3518f444e0c902e391fe7613d1e_th.jpg）

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 （图片来源：https://huaban.com/pins/1796511277/）

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！

（科普中国-科普融合创作与传播）