2013年4月1日

太陽能與光電效應

你可知道愛因斯坦獲得諾貝爾獎的最主要理論不是難懂的相對論,而是高中生就能了解,今日太陽能面板理論基礎的光電效應嗎?太陽能面板的發電、二極體的發光原理究竟如何?

作者/賴昭正(美國芝加哥大學化學博士)

隨著第三世界的快速工業化,人類對能源的需求也顯著地急增;傳統石化工業所依賴的石油,不但將有用罄的一天,其所造成的環境汙染,更是人類要提早面對的問題。因此世界各國都在積極尋找「永遠用不完」,且無環境汙染的替代能源。這些所謂的「綠色工業」中,發展較快且又有相當大進展的應該首推太陽能面板的開發。然而有多少讀者了解,太陽能面板的物理不但是促進現代量子物理的大功臣,也是愛因斯坦獲得諾貝爾物理獎的最主要理論貢獻呢?!

太陽能
太陽一天所放射出的能量,足供人類一年所須;可是還好只有大約百億分之一的能量抵達地球,否則地球應該早就被全部蒸發掉了。但儘管如此,這「一點」能量已是地球上所有動、植物進化及生存的原動力。

太陽表面溫度約為6000℃,所發射出來的能量(電磁波)分布如圖一所示。可見光以上之輻射(如紫外線)大都為臭氧及大氣層所阻擋(吸收),因此未能抵達地球表面;否則因適者生存的演化,X– 光今日可能不是一種對人體有害的輻射!我們從圖一可以看到:五官中最重要的器官——眼睛——所能感應到的電磁波範圍,正是太陽能分布中最強的部份(占47%):我們因之稱此範圍為可見光,其波長大約在390~750奈米(10-9 公尺)之間!你說這是巧合還是演化的必然結果?事實上不僅人類及大部份動物如此,大部份植物也是利用可見光來進行其生存與繁盛所必須之光合作用的!
圖一:太空中之太陽能分布情形。因空氣之關係,太陽能抵達地面之分布大不相同。(作者提供)

波長在750奈米至1毫米之間的輻射,大約占太陽輻射能的46%,因在可見紅光之外,我們稱之為紅外線;它的主要作用是讓我們感到熱與溫暖。比紅外線波長更長的輻射也許因為強度太低,因此似乎與動、植物的演化與生存沒有太大的關係;但當中所謂微波及廣播波帶卻是近代文明社會通訊的主要工具。

雖然地球上之植物顯然有效地利用太陽能,但這些利用似乎是「消極」地:為了生存與繁殖!自18世紀中之工業革命後,人類似乎突然領悟到了我們可以創造出許多不同的機器來代工及改進我們的生活品質。這些機器均需要能源驅動,因此隨著全世界人口的不斷增加及各國的工業化,我們對能源的需求也不斷地提高與迅速化!我們終於理解到煤及石油等(也是靠太陽能經千萬年儲存下來的產物)不但製造了空氣汙染,且終有用磬的一天!因此「積極」開發太陽能的直接利用已是近代文明社會的主要課題!

風力及水力等綠色能源的開發,均是大家耳熟能詳的技術。這些技術的最終來源雖然也是太陽,但技術本身卻是在探討如何有效地利用風力及水力等,因此是一種「間接」的太陽能利用技術。我們在此所要探討的,是如何有效地「直接」以太陽能來發電。它所憑藉的物理現象—— 光電效應(photoelectric effect)——雖然早在十九世紀末時就已經被科學家所發現,但其理論基礎不僅是近代量子物理的產物,事實上還是推動其發展的先鋒!

光電效應
1900年底,德國物理學家普朗克(M. planck)為了解釋圖一之「黑體輻射」的能量分布,被迫大膽地提出了「物質只能以小包裹的形式吸收或釋放輻射能」,率先敲響了量子物理革命之鐘!他之所以「大膽」,乃是因為此一觀念完全違反了那時已被廣為證實與接受的馬克士威(Maxwell)電磁理論。這一理論完全肯定了光及電磁波的波動性,因此它們與物質的作用也應是連續性,不應是包裹的交換形式。普朗克之所以「被迫」,乃是因為他實在想不出其他的解釋方法。此後的十幾年,他便一直在努力地想使他的量子觀念能容於古典力學裡;可是每次嘗試的結果,似乎均使自己失望得想收回那革命性的「大膽假設」而已〔註一〕。

1905年,一位名不見經傳的瑞士專利局小職員愛因斯坦不但不為普朗克擔憂,他反而火上加油,提出「事實上光本身就具有粒子(小包裹)性」!經他計算的結果,這小包裹的能量正好就是普朗克被迫所提出的:hv(與頻率v 成正比,比例常數h現稱為普朗克常數)!這不可能是巧合,因此理論上普朗克應該是很高興才對;但事實正好相反:1913年當普朗克等人推荐愛因斯坦為普魯士皇家科學院士時,他們的決議書這樣寫著:「……總結而論,我們可以說在近代物理的肥沃土地上,幾乎每一個大問題裡都有愛因斯坦的重要貢獻。因此在其大膽的假設下——例如『光量子』,他雖然有時過分越了軌,但我們不能因此而否定他。因為即使在最嚴格的科學領域,要提出一個前所未有的新觀念,有時也是必須冒點風險的。」

確實,當時像愛因斯坦這種無名之輩(1905 年時),如果沒有幾張王牌來支持他的論點,他的論文是決不可能被德國的著名物理期刊接受發表的。這幾張王牌中,最主要的就是輕易地解釋了光電效應。1900年時,物理學家早已發現了電子,也了解到物質是由電子(及其它東西)組成。光是一種電磁波,因此它與物質作用能將電子釋放出來(光電效應),應該是不值得大驚小怪的。問題出在依馬克士威的理論,釋放出來的電子速率應隨光強度的增加而增加——但這卻不是勒納(Lenard)在實驗中所發現的!依愛因斯坦之「光量子」說,增加光強度只是增加小包裹的數量,因此只能多打一些電子出來,不能增加電子的速率——這正是實驗上所觀察到的!要增加電子的速率,則必須提高光的頻率(因光量子的能量與頻率成正比)。愛因斯坦更於1906年,用高中就能懂的算術及能量不滅定律,提出了一個速率與頻率關係之定量公式。密立根(millikan)於1914 年非常精確地證實了此公式的正確性,愛因斯坦也因之於1921 年獲得了諾貝爾物理獎〔註二〕,密立根也於兩年後因此一實驗而得獎。【更詳細的內容,請參閱第520期科學月刊】

註一:詳見賴昭正所著《量子的故事》,第二版,凡異出版社,2005 年。
註二:相信不少讀者都以為愛因斯坦因相對論而獲諾貝爾獎,但官方的聲明則是因他「在理論物理的貢獻,尤其是發現光電效應的定律」。

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