出品：科普中国
制作：张俊达
监制：中国科学院计算机网络信息中心
可再生能源 ， 是指在一定范围内可以重复利用的能源 。 换句话说 ， 只要地球和太阳不毁灭 ， 像风能、地热能、太阳能这些可再生能源 ， 都是取之不尽用之不竭的 。 拿太阳能来说 ， 地球吸收的太阳能就有173000太瓦 ， 这个数字是地球上人类使用能源总和的一万倍 。
我们不禁会想 ， 有一天人类社会能不能完全依赖太阳能运行下去？
其实 ， 人们很早就盯上了太阳能 ， 并尝试将其转化成可直接使用的电能 。 最笨的方法就是用太阳光提供热来烧开水 ， 然后用开水的蒸汽来发电 。 但是每次能量的转化必然伴随着消耗 ， 烧开水方法的效率不高 。 因此人们陷入了沉思：怎样把太阳能直接变成电能呢？
第一次将这个想法变成现实的人叫埃德蒙·贝克勒尔 。
△埃德蒙·贝克勒尔 (图片来源：维基百科)
1839年的某一天 ， 研究磷光的埃德蒙发现了不得了的东西 ， 他把氯化银放在酸溶液里 ， 再接两个铂电极 ， 然后拿到太阳下去晒 ， 结果在两个电极中间发现了电压！
当时人们还不知道该现象的原理 ， 只知道光照可以产生电势 ， 于是把这种现象叫做光生伏特效应 ， 简称光伏效应 。 现在的太阳能电池基本都是利用了光伏效应 ， 所以太阳能电池也叫太阳能光伏电池 。
【太阳能电池|把“硅”变成“太阳能电池”，究竟用了什么魔法？】目前应用最广泛的光伏电池主要是用硅等半导体材料来制作的 ， 那么人们是怎么利用半导体和光伏效应来制作出太阳能电池的呢？
一切的基础：原子能带结构
简单来说 ， 能带是指我们根据电子的能量多少 ， 给它划分到的不同区域 。 我们都知道 ， 原子核带正电 ， 它会吸引带负电的电子 ， 而且离原子核越近的电子被束缚得越强 。 现在我们把原子拆分开 ， 原子核沉到下面 ， 电子放在上面 。
这样的话 ， 我们可以给电子们划分两个活动区域：一是离原子核比较近的区域 ， 这里的电子都被紧紧吸住 ， 我们称之为价带 。 二是远离原子核的区域 ， 这里的电子不受监管 ， 比较自由 ， 如果有外加电场让这些电子跑起来 ， 那材料就导电了 ， 我们称这个区域为导带 。
除了这两个区域 ， 在价带上面、导带下面还有一个区域 ， 是不允许电子存在的 ， 我们称之为禁带 。
△原子的能带结构（图片来源：作者自制）
基本的原子能带结构就是这样了 ， 但是还有些细节我们需要注意一下：首先 ， 能带还可以细分为不同的能级 ， 而由于泡利不相容原理 ， 每个能级只能容纳两个电子 。 其次 ， 大部分原子的电子没那么多 ， 甚至价带上还没住满 ， 导带上是没有电子的 。 再者 ， 价带上的电子并不老实 ， 它可能会“出轨” ， 也就是越过禁带 ， 冲到导带上 ， 当然这个过程我们叫它跃迁 ， 跃迁是要吸收能量的 。
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