太阳能电池的起源
1953年，美国贝尔研究所首次应用这一原理成功试制出硅太阳能电池，并取得了6%的光电转换效率。太阳能电池的出现犹如一道曙光，尤其是对于航天领域的科学家来说。这是因为当时航天技术的发展，人造地球卫星、卫星、飞船上的电子仪器设备需要足够的持续电能，要求重量轻。寿命长，使用方便，能承受各种冲击和震动。太阳能电池完全符合这些要求。1958年，美国“先锋一号”卫星使用太阳能电池作为电源，成为世界上第一颗由太阳能供电的卫星。空间电源的需求使得太阳能电池作为一项尖端技术，价值百倍。现在，各种卫星和宇宙飞船都装上了覆盖着太阳能电池的“翅膀”，可以在太空中长时间漫游。我国于1958年开始研制太阳能电池，1971年，研制的太阳能电池在发射的第二颗卫星上使用。用太阳能电池做电源可以让卫星安全工作20年，而化学电池只能连续工作。
空间应用是有限的。当时太阳能电池价格昂贵，发展受限。70年代初，世界石油危机推动了新能源的发展，太阳能电池开始在地面应用。随着技术的不断进步，光电转换效率提高，成本大大降低。如今，光电转换已显示出广阔的应用前景。
近年来，太阳能电池也被用于生产和生活的许多领域。自1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功以来，人们掀起了研究太阳能电池的热潮。此后，太阳能电池发展迅速。太阳能电池从几分钟飞到几公里飞越英吉利海峡只用了六七年。现在，最先进的太阳能电池能飞2万多米，射程4000多公里。
许多国家在太阳能发电站的建设方面也取得了很大进展。1985年，美国Alcan公司开发的太阳能电站使用了108块太阳能电池板和256块光伏组件，年发电量为300万千瓦时。德国1990年建成的小型太阳能电站，光电转换率超过30%。适用于家庭和团体供电。1992年，加州公共局开始研发革命性的太阳能发电装置，预计可供应加州1/3的用电量。用太阳能电池发电确实是一种很有吸引力的方式。据专家计算，如果能收集到撒哈拉沙漠1%的太阳辐射能量，就足够世界上所有的能源消耗了。
在生产和生活中，太阳能电池已经在一些国家得到了广泛的应用。在远离输电线路的地方，用太阳能电池给电器供电是节约能源、降低成本的好办法。芬兰制造了一台由太阳能电池供电的彩色电视机。太阳能电池板安装在房屋的屋顶上，并配有蓄电池，以保证电视机的持续供电。不仅省电，而且安全可靠。在日本，太阳能电池主要用于自动通风装置和汽车空调设备等民用行业。国内一些电视差转台也采用了太阳能电池作为电源，投资省，使用方便，很受欢迎。
目前，太阳能电池的开发和应用已逐步走向商业化和产业化；小功率、小面积太阳能电池已经批量生产，并在一些国家广泛使用。同时，人们正在开发光电转换率高、成本低的太阳能电池；可以预见，太阳能电池很可能成为替代煤炭和石油的重要能源之一，在人们的生产生活中发挥越来越重要的作用。
光电效应和康普顿效应
我们已经明确指出，光的本质是电磁波，具有波动性。但是现代物理学证明了光除了涨落还有另一种性质，那就是粒子性。至于光的粒子性，最好的例子就是著名的“光电效应”和“康普顿效应”。因为光电效应和康普顿效应都是研究光子和电子的相互作用，所以有人自然会有一个疑问:既然研究对象相同，那么两种效应有什么区别呢？有什么联系？我们将从光电效应的物理本质和规律、康普顿效应的物理本质和规律以及光电效应与康普顿效应的关系三个方面来回答这些问题。
1，光电效应的物理本质和规律
在麦克斯韦预言电磁波的存在后，为了证实电磁波的存在，德国物理学家赫兹在1887年首先发现，当紫外光照射到放电火花隙的负极时，会使放电变得更容易。后来其他物理学家继续对此进行研究，发现用波长更短的紫外光和X射线照射某些金属，也观察到了电子从金属表面逃逸的现象。物理学家把光(包括不可见光)照射下电子从金属表面逃逸的现象称为光电效应。逃逸的电子被称为光电子，这个名称只是为了说明它们由于光的照射而从金属表面飞出的事实。其实和普通电子没什么区别。光电子定向运动形成的电流称为光电流。光电效应的规律可以概括如下:
(1)饱和光电流与入射光的强度成正比，即单位时间内光照射的电极(金属)释放的电子数与入射光的强度成正比。
(2)光电子的最大初始动能(或停止电压)随入射光频率线性增加，与入射光强度无关。
(3)当光照射金属时，无论光有多强，照射时间有多长，如果入射光的频率小于某一极限频率，就没有光电子逃逸，即没有光电效应发生。
(4)只要光的频率超过一定的极限频率，光电子就会立即从光照射的金属表面选择出来，时间间隔不会超过秒，几乎是瞬间的，与入射光的强度无关。
经典波动理论在解释上述光电效应定律时遇到了不可克服的困难。正因如此，伟大的物理学家爱因斯坦在1905年提出了非凡的光量子假说。他认为光也有粒子特性，这些光粒子被称为光量子，简称光子。每个光子的能量是，h是普朗克常数，也就是光的频率。
根据光子假说，当光照射到金属表面时，金属中的电子吸收了所有的光子能量，电子将这些能量用于两个目的。一部分用来脱离金属的束缚，作为功函数W，剩下的转化为电子离开金属表面后的初始动能。根据能量守恒和转化定律，应该有:
这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。
爱因斯坦的光电效应方程可以很好地解释光电效应的规律。
首先，根据光子假说，入射光的强度(即单位时间内通过单位垂直面积的光能)由单位时间内通过单位垂直面积的光子数决定。当入射光强度增加时，单位时间内穿过金属表面的光子数增加，因此光子与电子在金属中的碰撞次数增加，单位时间内从金属表面逃逸的光电子数也增加。所有这些逃逸的光电子到达阳极，形成所谓的饱和电流。所以就形成了所谓的饱和电流。
其次，根据爱因斯坦的光电效应方程，对于某种金属，由于功函数w是常数，光电子的最大初始能量与入射光频率成线性关系，与光强无关。
第三，从爱因斯坦的光电效应方程可以看出，如果入射光的频率太低，那么根本不会有光电子从金属表面逸出，即使入射光的强度很高。很明显，光电流只有在入射光频率高的情况下才会出现。其实这就是光电效应定律中提到的极限频率，也叫“红限”，各种金属的红限是不一样的。
第四，光子与金属中的电子相互作用时，电子可以一次性完全吸收光子的能量，所以光电效应几乎是爆炸式的，不会积累能量。
2.康普顿效应的物理本质和定律。
光散射常识告诉我们，只有当光穿过光学性质不均匀的介质时，才会发生光散射。但通过实验发现，当X射线、射线等波长较短的光(电磁波)通过不含杂质的均匀介质时，也会发生散射，并且一反常态，散射光中存在波长相同但大于原波长的射线()。这一现象是由美国物理学家康普顿首先发现的。
康普顿效应的定律可以总结如下:
(1)康普顿效应中波长的变化与原入射光的波长和散射物质无关，而与散射方向有关。当散射角(散射线和入射光线之间的角度)增加时，它也会增加。
(2)康普顿效应随着散射物质原子量的增加而减小。
经典波动理论无法解释上述康普顿效应定律。所以康普顿接受了爱因斯坦的光子假说，认为康普顿效应是散射物质中光子和电子弹性碰撞的结果。在轻原子中，原子核对电子的束缚很弱，电子的电离能只有几个电子伏，远小于X射线光子的能量(电子伏)。因此，在它们之间的碰撞过程中，电子可以被认为是静止的和自由的。具体分析如下:X射线光子能量为，动量为，碰撞后电子获得速度为V，能量为，动量为mv。x射线光子的能量为，动量为，散射角为，如图所示。因为碰撞过程中能量和动量守恒，所以有:
(1)
(2)
根据相对论，公式中静止质量和运动质量m的关系为:
(3)
(1)移位项的平方:
(2)乘以:
将上述两个公式相减得到:
将公式(3)两边的平方后代代入上述公式，得到:
或者:
因为，代入上式:
(4)
其中:
(m)是一个常数，称为康普顿波长。如果用表示，公式(4)可以写成如下:
(4′)
公式(4′)通常被称为康普顿公式。从公式的推导可以看出，在康普顿效应中，波长变化的原因是X射线光子与“自由电子”碰撞时，光子会向某个方向(角度)散射。同时在碰撞过程中一部分能量会转移到“自由电子”上，使得散射光子的能量小于入射光子的能量，因为光子能量与频率成正比。
此外，原子内层的电子一般被原子核束缚得很紧，尤其是在重原子中。当光子与这些束缚电子碰撞时，它们实际上是与整个原子碰撞。因为原子的质量远大于电子的质量，所以根据康普顿公式计算的波长变化几乎检测不到。原子数越大，内层电子越多，与原子核结合的原子越重，康普顿效应越弱。
3.光电效应与康普顿效应的关系
光电效应和康普顿效应在物理本质上是一样的，它们的研究对象不是整个入射光束和散射物质，而是光束中的单个光子与散射物质中的单个电子之间的相互作用。两种效应对应的爱因斯坦方程和康普顿公式都是基于光子假说。光电效应主要产生光电子，康普顿效应主要产生波长变化的散射光，但也向电子传递动量。能量守恒定律用于研究光电效应和康普顿效应。
光电效应和康普顿效应的主要区别在于入射光波的波长不同。原则上，任何波长的光与电子碰撞后都会发生康普顿效应。但对于可见光和红外光，效应中波长的相对变化太小，无法观察到。比如波长为4000埃的紫光，在散射角改变波长，则为100%。然而，对于波长为100埃的X射线，相对变化将是100%。所以一般来说，产生光电效应的光主要是可见光和紫外光，而且是产生的。
产生康普顿效应的光主要是X射线和短波长的射线。
其次，康普顿效应中，与入射光子相互作用的单个电子以“自由电子”的形式出现，并考虑了光子与自由电子的弹性碰撞。在这个过程中，不仅能量守恒，动量也守恒。其实只有在电子与原子核(实际上是原子现实)的结合能远小于光子能的情况下才是正确的。在光电效应中，与入射光子相互作用的单个电子不被认为是“自由的”，而是以束缚态出现。理论上，我们必须同时考虑光子、电子和原子固体的能量和动量变化。但由于原子固体的质量比电子大几千倍，原子固体的能量变化非常小，可以忽略不计。爱因斯坦方程只说明了光子和电子之间的能量守恒，光子和电子之间没有对应的动量守恒关系。这就是为什么。
可以得出结论，当光子从光子源发射出来，注入到散射物质(一般指金属)中时，主要是与电子相互作用。如果光子的能量相当低(与电子的结合能同一个数量级)，主要产生光电效应，原子吸收光子产生电离。如果光子的能量相当大(远远超过电子的结合能)，我们可以认为光子散射自由电子，产生康普顿效应。更有趣。