太陽能電池：把光變成電的神奇魔法

太陽每天高高掛在天上，給我們帶來溫暖的陽光。這些陽光不僅能照亮世界，還可以用來發電呢！今天我們了解的主角——光伏產品太陽能電池，就是能把陽光變成電力的“魔法師”。

讓我們一起走進光伏的世界，了解它的秘密吧！

光伏是什么？

“光伏”中的“光”指的是陽光，“伏”是電壓的單位，用來表示電的能量。“光伏”其實就是把光轉化成電的技術。

光伏產品包括很多東西，比如我們常見的太陽能電池板、太陽能路燈、太陽能充電器等。這些產品只需要利用太陽光就能產生電力，完全不用燃燒煤炭、石油等能源，既節省資源又保護環境。

光伏產品到底是怎么把陽光變成電的呢？其實，原理并不復雜，核心的秘密就在于一種叫“太陽能電池”的小東西。它的外形通常是薄薄的一片，結構類似三明治，由不同的功能層相疊而成；它的表面像玻璃一樣光滑或者像一塊深色的鏡子。當很多這樣的太陽能電池拼在一起時，就組成了我們常見的太陽能電池板。

陽光下的奇跡

太陽能電池的發展歷史可以追溯到一百多年前。

1839年，法國科學家貝克勒爾發現，陽光照射到某些材料上時，會讓這些材料產生電流，這種現象被稱為光電效應，但是他們無法解釋其中的原因。直至1905年愛因斯坦提出了光量子理論，成功解釋了光電效應的原理。除了光電效應，光量子理論還能證明光具有粒子性和波動性，為量子力學的發展奠定了基礎。因此，愛因斯坦獲得了1921年的諾貝爾物理學獎。

在光電效應被發現并完善后，1954年，美國科學家發明了第一塊真正意義上的太陽能電池。當時的太陽能電池效率很低，只能把不到4%的太陽能轉化為電能，但它為后來太陽能電池的發展奠定了基礎。

隨著科學技術的進步，如今的太陽能電池效率已經提高了很多，最先進的太陽能電池能把40%以上的太陽能轉化為電能。目前，太陽能電池已經被廣泛應用在家庭、工廠、交通工具甚至是太空中的衛星上。

太陽能電池怎樣施展魔法？

把陽光變成電，離不開光電效應這一自然現象以及太陽能電池的特殊結構。

當陽光照在太陽能電池上時，陽光中的“光子”（一種攜帶能量的小粒子）會撞擊到太陽能電池中的半導體上，把半導體中的電子“撞”出來，這個過程就像把靜止的小球打飛一樣。這些被“撞飛”的電子開始沿著固定的方向移動，形成電流。通過導線，這些電流被輸送出去，變成我們可以使用的電能。我們可以把太陽能電池理解成一個“能量工廠”，太陽光是原材料，太陽能電池中的各層結構是“加工車間”，輸出的電流就是“成品”。

太陽能電池看起來薄薄的，其實它有幾層結構，主要有不同帶隙的吸光層、互聯層以及電極。每一層都有自己的重要任務，它們各司其職、互相配合，如同一個默契的團隊，共同完成將陽光轉化為電能的任務。（如上圖所示）

不斷壯大的太陽能電池家族

太陽能電池發展至今，根據材料和制造工藝的不同，已經有了很多“家族成員”。它們各有特點，在不同的場景各顯神通。

薄膜太陽能電池

由非常輕薄的材料制成，甚至可以彎曲，適用于不規則或特殊形狀的地方，如衣服、背包或者便攜式充電器。雖然它效率較低，但靈活性使它在某些場景非常實用。

單晶硅太陽能電池

目前使用最廣泛的一種。它由純度非常高的單個晶體硅制成，具有很高的光電轉換效率，適合安裝在空間有限的地方，如城市居民的屋頂。

有機太陽能電池

由有機材料制成，制造過程更加環保。它輕便靈活，甚至可以做成透明的薄膜，應用在窗戶上同時實現采光和發電。不過，它的效率和穩定性還需改進。

鈣鈦礦太陽能電池

是一種新型太陽能電池，近年來非常火。它的材料和制造工藝相對簡單，效率不斷提升，而且成本很低，被認為是未來最具潛力的太陽能電池。2024年我們研究團隊在這一領域取得突破——1.05平方厘米的全鈣鈦礦疊層太陽能電池穩態光電轉換效率達28.2%，刷新了世界紀錄。

多晶硅太陽能電池

它的硅材由很多小的單晶硅構成，效率比單晶硅低一些，但由于它具有生產原材料豐富、成本低、穩定性好等優點而被關注。

地球的好朋友

太陽能電池的優點非常顯著，在工作時，它不消耗燃料，不排放任何氣體，十分清潔；陽光取之不盡用之不竭，是可再生能源；它在使用過程中很安靜，不會像傳統發電廠那樣產生噪聲；安裝太陽能電池前期投入較高，但它通常能用20年以上，長期電力成本低；太陽能電池可以安裝在屋頂、墻壁甚至水面，適用范圍廣。

不過，太陽能電池在實際應用中仍面臨一些挑戰——只有在陽光充足的時候它才能高效發電；不具備儲能能力，需要配備蓄電池等儲能設備，這些設備成本高，不利于大規模推廣；雖然制造成本在逐年降低，但高效太陽能電池的生產仍需復雜的工藝和昂貴的材料。

相信隨著科技的不斷進步，這些挑戰終將被克服。未來，太陽能電池有望變得更高效、更便捷、更廉價，讓我們每一個人都能用到平價的綠色能源。

作者單位 南京大學現代工程與應用科學學院