太阳能电池：把光变成电的神奇魔法

太阳每天高高挂在天上，给我们带来温暖的阳光。这些阳光不仅能照亮世界，还可以用来发电呢！今天我们了解的主角——光伏产品太阳能电池，就是能把阳光变成电力的“魔法师”。

让我们一起走进光伏的世界，了解它的秘密吧！

光伏是什么？

“光伏”中的“光”指的是阳光，“伏”是电压的单位，用来表示电的能量。“光伏”其实就是把光转化成电的技术。

光伏产品包括很多东西，比如我们常见的太阳能电池板、太阳能路灯、太阳能充电器等。这些产品只需要利用太阳光就能产生电力，完全不用燃烧煤炭、石油等能源，既节省资源又保护环境。

光伏产品到底是怎么把阳光变成电的呢？其实，原理并不复杂，核心的秘密就在于一种叫“太阳能电池”的小东西。它的外形通常是薄薄的一片，结构类似三明治，由不同的功能层相叠而成；它的表面像玻璃一样光滑或者像一块深色的镜子。当很多这样的太阳能电池拼在一起时，就组成了我们常见的太阳能电池板。

阳光下的奇迹

太阳能电池的发展历史可以追溯到一百多年前。

1839年，法国科学家贝克勒尔发现，阳光照射到某些材料上时，会让这些材料产生电流，这种现象被称为光电效应，但是他们无法解释其中的原因。直至1905年爱因斯坦提出了光量子理论，成功解释了光电效应的原理。除了光电效应，光量子理论还能证明光具有粒子性和波动性，为量子力学的发展奠定了基础。因此，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

在光电效应被发现并完善后，1954年，美国科学家发明了第一块真正意义上的太阳能电池。当时的太阳能电池效率很低，只能把不到4%的太阳能转化为电能，但它为后来太阳能电池的发展奠定了基础。

随着科学技术的进步，如今的太阳能电池效率已经提高了很多，最先进的太阳能电池能把40%以上的太阳能转化为电能。目前，太阳能电池已经被广泛应用在家庭、工厂、交通工具甚至是太空中的卫星上。

太阳能电池怎样施展魔法？

把阳光变成电，离不开光电效应这一自然现象以及太阳能电池的特殊结构。

当阳光照在太阳能电池上时，阳光中的“光子”（一种携带能量的小粒子）会撞击到太阳能电池中的半导体上，把半导体中的电子“撞”出来，这个过程就像把静止的小球打飞一样。这些被“撞飞”的电子开始沿着固定的方向移动，形成电流。通过导线，这些电流被输送出去，变成我们可以使用的电能。我们可以把太阳能电池理解成一个“能量工厂”，太阳光是原材料，太阳能电池中的各层结构是“加工车间”，输出的电流就是“成品”。

太阳能电池看起来薄薄的，其实它有几层结构，主要有不同带隙的吸光层、互联层以及电极。每一层都有自己的重要任务，它们各司其职、互相配合，如同一个默契的团队，共同完成将阳光转化为电能的任务。（如上图所示）

不断壮大的太阳能电池家族

太阳能电池发展至今，根据材料和制造工艺的不同，已经有了很多“家族成员”。它们各有特点，在不同的场景各显神通。

薄膜太阳能电池

由非常轻薄的材料制成，甚至可以弯曲，适用于不规则或特殊形状的地方，如衣服、背包或者便携式充电器。虽然它效率较低，但灵活性使它在某些场景非常实用。

单晶硅太阳能电池

目前使用最广泛的一种。它由纯度非常高的单个晶体硅制成，具有很高的光电转换效率，适合安装在空间有限的地方，如城市居民的屋顶。

有机太阳能电池

由有机材料制成，制造过程更加环保。它轻便灵活，甚至可以做成透明的薄膜，应用在窗户上同时实现采光和发电。不过，它的效率和稳定性还需改进。

钙钛矿太阳能电池

是一种新型太阳能电池，近年来非常火。它的材料和制造工艺相对简单，效率不断提升，而且成本很低，被认为是未来最具潜力的太阳能电池。2024年我们研究团队在这一领域取得突破——1.05平方厘米的全钙钛矿叠层太阳能电池稳态光电转换效率达28.2%，刷新了世界纪录。

多晶硅太阳能电池

它的硅材由很多小的单晶硅构成，效率比单晶硅低一些，但由于它具有生产原材料丰富、成本低、稳定性好等优点而被关注。

地球的好朋友

太阳能电池的优点非常显著，在工作时，它不消耗燃料，不排放任何气体，十分清洁；阳光取之不尽用之不竭，是可再生能源；它在使用过程中很安静，不会像传统发电厂那样产生噪声；安装太阳能电池前期投入较高，但它通常能用20年以上，长期电力成本低；太阳能电池可以安装在屋顶、墙壁甚至水面，适用范围广。

不过，太阳能电池在实际应用中仍面临一些挑战——只有在阳光充足的时候它才能高效发电；不具备储能能力，需要配备蓄电池等储能设备，这些设备成本高，不利于大规模推广；虽然制造成本在逐年降低，但高效太阳能电池的生产仍需复杂的工艺和昂贵的材料。

相信随着科技的不断进步，这些挑战终将被克服。未来，太阳能电池有望变得更高效、更便捷、更廉价，让我们每一个人都能用到平价的绿色能源。

作者单位 南京大学现代工程与应用科学学院