出品：科普中国

制作：陈浩（中科院青岛生物能源与过程研究所碳基能源转换材料研究组）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

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（图片来源： http://www.1010jiajiao.com/czsw/shiti_id_d623a67f6a9c974e1647ce187eb3f72a）

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（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）。