社会的进步和发展，离不开 " 能源 " 的推动和帮助。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性。

试想一下，如果没有了能源，我们的生活还会如此多彩吗？

但是，随着社会日新月异的变化，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。

因此，科学家们将投向了可再生的、可持续发展的新能源开发工作上，一个 " 能源宝藏 " 便进入了科学家们的眼帘——太阳。

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。

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，这种能量一般需要经过转化才能成为我们普遍使用的电能，因此很难被我们直接利用。而且物理学原理告诉我们，能量转化过程必然会带来能量损失。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 "。

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）。

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。

风暴意味着毁灭，但随之而来的还有新生。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巨匠，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。

" 三明治 " 般的太阳能电池如何发挥作用？

以上我们介绍了光电效应的发现历程，也知道了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？