Năng lượng ánh sáng docx

Năng lượng ánh sáng
Loài người luôn luôn lệ thuộc vào năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời cả
trực tiếp dùng cho sưởi ấm, hong khô quần áo, nấu nướng, và gián tiếp mang
lại thực phẩm, nước và cả không khí.
Kiến thức của chúng ta về giá trị của các tiasáng MặtTrời suy đi nghĩ lại
quẩn quanh theo kiểumà chúngta thulợi từ nguồnnăng lượng đó, nhưngcó
những liên hệ còn cơ bản hơnnhiều xuất phát từ mối liên quan giữa ánh sáng và
năng lượng.Dù cho loài người có nghĩ ra đượcnhững cơ chế tài tìnhđể khaithác
năng lượngMặt Trời haykhông thì hành tinhcủa chúngta và môi trường luôn
luôn biến đổi chứa trong nó vốnbị chi phối bởi năng lượngcủa ánh sángMặt Trời.
Chúng tađều biết rằng nếu như Mặt Trời khôngmọc,thì thời tiết của chúng
ta sẽ chuyểnsang mùađông lạnh lẽo mãi mãi, aohồ và sôngsuối sẽ đóngbăng
khắpnơi, vàthực vậtvà động vật sẽ nhanh chóng bị diệt vong.Các độngcơ sẽ
khônghoạt động được,và chúng ta không cócách nào để chuyên chở thực phẩm
hoặc nhiên liệu, hoặc để phát rađiện. Với chất đốt hạn chế để tạo ra lửa, loài người
sẽ sớm không còn nguồnthắp sáng hoặc nguồn cấp nhiệt. Tuy nhiên, với sự hiểu
biết hiện nay của chúng ta về hệ mặt trời, chúng ta có thể khá chắc chắn rằng Mặt
Trời sẽ mọc lên vào ngày mai,như trước naynó vẫn mọc kể từ khi Trái Đất lần đầu
tiên cô đặc lại từ một đám mâykhí củacác mảnh vụn vũ trụ. Trongquákhứ chưa
lâu lắm, loài người không chắc chắn lắm về điều này. Họ không thể giải thích đưcợ
tại saoMặt Trời lại chuyển động ngang quabầu trời, họ cũng không biết cách thức
nó tạo ra ánh sángkhác biệt giữa ngàyvà đêm. Nhiều nền vănminh đã ghi nhận
tầmquan trọngcủa Mặt Trời, tôn thờ ngôi saogầnchúng ta nhất này làm thần
thánh (xemhình 1) với niềm hivọng lànó sẽ không biến mất.
Lượngnăng lượng rơi lên bề mặt Trái Đất đến từ Mặt Trời khoảng chừng5,6
tỉ tỉ megajun mỗi năm. Tính trungbình cho toàn bộ bề mặt Trái Đất, điều nàycó
nghĩa là mối mét vuông nhận được chừng5 kWhmỗi ngày. Nănglượng đến từ Mặt
Trời trong mộtngày có thể cung cấp nhucầu chotoànbộ dân cư của Trái Đất trong
ba thập kỉ. Rõràng làkhôngcó phương tiện nào có khả năng (và cũng khôngcần
thiết) khaitháctoàn bộ nguồn năng lượngcó sẵn này, cũng hiển nhiênlà việc nắm
bắt cả một phần nhỏ của nguồn nănglượng có sẵn nàyở dạngcó thể sử dụng được

sẽ có giá trị rất lớn.
Mặcdù toànbộ nănglượngchạmđến bầu khí quyển Trái Đất xuất phát từ
MặtTrời là thật đángkinh ngạc, nhưngnó không có mức độ tập trungrất caoso
với các dạng năng lượng khácmà chúng ta sử dụng, ví dụ như lửa, các loại đèn
nóngsáng và các lò sưởi điện. Vì vậy, bất cứ phương tiện nào bắt lấy năng lượng
MặtTrời cũng phải chiếm mộtdiện tích tương đối lớnđể làm tập trungcó hiệu quả
phần nănglượng cầnthiết. Chỉ trong vài thậpniên gần đây, loài ngườimới bắt đầu
tìm kiếm nghiêmtúc cơ chế khai thác tiềm năngkhổnglồ của năng lượngMặt Trời.
Mốiquan tâm lớn nàycó nguyên do từ sức tiêu thụ năng lượng liên tục tăng lên,
làm phát sinh cácvấn đề môi trường vàmối longại về sự cạn kiệt không thể tránh
khỏi của các nguồnnhiên liệu hóathạch mà chúng ta ngày càngphụ thuộc nhiều
vào chúng.
Cung cấp năng lượng cho sự sống
Năng lượngMặt Trời có liênquan mật thiết tới sự tồn tại của mọi sinh vật
sống cómặt trên hành tinhnày và cách thức mà các dạng sốngbuổi đầu phát triển
trên Trái Đất nguyên thủy, saucùng tiến hóa thànhnhữngdạng hiện tại của chúng.
Hiện nay,các nhà khoa học nhận thấy câycối hấp thụ nước và carbondioxidetừ
môitrường, vàsử dụng năng lượng từ Mặt Trời (xemhình2) chuyển hóa các chất
đơn giản này thành glucose vàoxygen.Với glucose là viên gạch cấu trúc cơ bản,
cây cối tổng hợp nên mộtsố chất hóa sinhphức tạp chứa carbon để sinhtrưởngvà
duy trì sự sống. Quá trình này gọi là sự quang hợp và là cơ sở của sự sống trên Trái
Đất.
Các nhà khoa họcvẫn chưa làm sáng tỏ được cơ chế phứctạpmà quađó sự
quanghợp xảy ra, nhưng quá trìnhnày đã tồn tại hàng triệu năm nay rồi và sự
thích nghirấtsớm trong lịch sử tiến hóa củasự sống. Nhữngsinh vậtsống đầu tiên
là các sinh vật hướng hóa chất, lớn lên bằng cáchthu năng lượngtừ những phản
ứng hóa học đơn giản. Từ những tổ chứcnguyênthủy này, tế bào ra đời có thể thu
năng lượngcần thiết từ sự quang hợp, tạo ra sản phẩmlà oxygen. Đơn giản nhất
trong nhóm cáccơ thể sống này là cyanobacteria.Sinhvậtmột tế nào chưa có nhân
thật thuộc loại này là sinhvậtsống lớn tuổi nhất trênhành tinh chúngta, vàngười

ta tin rằng chúnglà dạng sống thống trị trên Trái Đất hơn 2 tỉ năm. Các nhà địa
chất đã tìm thấy những khối cyanobacteria hóa thạch lớn,gọilà stromatolite, trên
ba tỉ năm tuổi (một số mẫuvật kháccó thể tìm thấy ở vùng biển nông duyên hải
Australia).
Trướckhi các sinh vật quang hợp phát triển, córất ít oxygen trongbầu khí
quyển Trái Đất, nhưngmột khiquá trìnhtạooxygen bắt đầu,khi đó tồn tại khả
năng cócácsinh vậttiến hóa cần oxygen. Do lượngnăng lượngrất lớncó sẵn từ
MặtTrời, nênkhả năng nhậnđượccác thành phần cần thiếtcho sự sống là nguồn
cung cấp Mặt Trời cóthể thực hiện dễ dàngvới nhữngdạng thức sống phức tạp
hơnnhiều trước khiquá trìnhquang hợp tiếntriển.
Đa số cây cối lớn lên trên đất, và nếu bị nhổ lên, chúng sẽ chết. Trongnhiều
thế kỉ, loài người tin rằng câycối sinh sôi là nhờ ăn đất. Nhữngphép đotỉ mỉ sự
tăng trưởng của cây xanhđã được thực hiện bởi nhà khoahọc người Bỉ, Jan
Baptistavan Helmont,vào đầuthế kỉ 17.VanHelmontđã chứng minh đượcmột
cái câyđanglớn tăng trọng nhiều hơn lượng đất bị mất, vàkết luận rằng cây xanh
được nuôi dưỡng bằng một thứ gì đó, ngoàiđất ra. Cuối cùng,ôngkết luận cây lớn
lên, mộtphần. là nhờ nước. Hơn nửa thế kỉ sau, nhà sinh lí học người Anh Stephen
Halesphát hiện thấy câyxanhcũng cần có không khí để trưởngthành, và, thật
ngạc nhiên, ông nhận thấy cây cối hấp thụ khí carbon dioxidetừ không khí.
Nhà hóahọc người AnhJosephPriestleylà nhà nghiên cứu đầutiên nhận
thấycây xanh giải phóng oxygenkhi chúng khỏe mạnhvà tăngtrưởng. Thí nghiệm
của ông chứngminh choquá trìnhquang hợp, và chothấy hô hấp và quang hợp là
những quátrình có liênquan,nhưng hoạt động theo chiều ngượcnhau.Thí
nghiệmnổi tiếng nhấtcủa Priestley(khoảng năm 1772)chứngminh rằng một cây
nến sẽ nhanh chóngtắt nếuđặt nótrong một cái bình hình chuông,nhưngnó sẽ
cháytrở lại trong cùng khôngkhí đó nếu như đặt một cây xanh trong đó vài ngày.
Ông kếtluận cây xanhcó thể “hoàn trả” phầnkhông khí bị “tổn hại” bởi ngọn nến
cháy. Trongnhững thí nghiệm khác, Priestleychứng minhđược rằng một con
chuộtđặt trongbìnhsẽ “làm tổn hại” khôngkhí theokiểugiống như cây nến,
nhưng có thể thở trong khôngkhí sau khi “hoàn trả”, dẫn đếnquan điểm chorằng

hô hấp và quang hợp là haiquá trình ngược nhau. Theo lờiPriestleythì“phần
khôngkhí đó sẽ hoặclà làm tắt ngọn nến, hoặc là hoàntoàn bất tiện cho con chuột
mà tôi đặt vàođó”. Priestley đã phát hiện ra một chất saunày được đặttên là
oxygen, bởi nhà hóa học người Pháp AntoineLaurentLavoisier,người nghiên cứu
mốiquan hệ giữa sự cháyvà không khí.
Một yếu tố then chốt để hiểu được sự quanghợp vẫn còn thiếu,mãi cho đến
khi nhà sinh lí học ngườiHàLan Jan Ingenhouszxác địnhđược,vàonăm 1778,
rằng cây xanhchỉ hấp thụ carbondioxidevà giải phóngoxygenkhi nào chúngphơi
ra trước ánh sáng.Cuối cùng, nhà vật lí người Đức,Julius Robert Mayerđã chính
thức hóa ý tưởng cho rằng nănglượng được chuyển hóa từ ánh sáng để tạo ra một
hóa chất mới trong câyxanh đang sinhtrưởng.Mayertin rằngmột quátrình hóa
học thích hợp (ngày naygọi làoxy hóa)là nguồn năng lượngcơ bản đối với một cơ
thể sống.
Quanghợp, cónghĩa là “kếthợp với nhaubằng ánhsáng”, là quá trình mà
qua đó hầu như tất cả mọi cây xanh, một số vi khuẩn, và một vài sinhvật nguyên
thủy khaithác năng lượng từ ánh sángMặtTrời để tạo rađường (và oxygenlà sản
phẩm).Sự chuyển hóanănglượng ánh sáng thành năng lượnghóa họcphụ thuộc
vào mộtchấtgọi làchlorophyll, sắc tố màu xanh lá cây đã mang lạimàu xanhcho
chiếc lá. Không phải tất cả cây cối đều có lá, nhưng chúng thật sự rất có hiệuquả
trong việc chuyển hóa quangnăngthànhhóa năng. Thườngthì những chiếc lá hay
được xemlà những máy thu Mặt Trời sinhhọc,được trang bị hàng loạt tế bào nhỏ
xíu thực hiệnquang hợp ở cấp độ vi mô.
Sắc tố được địnhnghĩa là chất hấp thụ và phản xạ ánh sángkhả kiến. Đa
phần sắc tố là nhữngchất có màu, biểu hiện màu nhất địnhphụ thuộc vào sự phân
bố bước sóngánh sángphản xạ và hấp thụ. Mỗi sắc tố có phổ hấp thụ đặc trưng
riêng của nó,xác định phần phổ trênđó sắc tố thunhận có hiệu quả năng lượngtừ
ánh sáng. Chlorophyll, chất hóasinh phổ biến với mọi cơ thể quang hợp,phản xạ
bướcsóng màu xanh lá cây (trungbình) và hấp thụ các bướcsóng xanh-tím và đỏ-
cam ở hai đầudải phổ ánh sáng khả kiến.
Chlorophylllà một phân tử phức hợp tồn tại ở vài biến thể hoặc đồng phân

trong cây xanhvà các cơ thể quang hợp khác. Tất cả sinh vật thựchiện quang hợp
đều chứa loại chất gọilà chlorophyll a. Nhiều sinhvật kháccũng chứa các sắc tố
phụ,gồm những chlorophyll khác, carotenoidvà xanthophyll, hấp thụ những bước
sóng khác trong phổ khả kiến. Như vậy, cây xanhcó thể thích ứng với những nhân
tố môi trườngnhất định tác động bảnchấtcủa ánh sáng có sẵn lên chúng theo kiểu
thích hợp. Các nhân tố như chiềusâuvà chất lượngnước ảnh hưởngmạnh đến
bướcsóng ánh sáng có sẵn trong môi trường sôngnướcvà môi trườngbiển khác
nhau, và đóng vaitrò to lớn trong nhiệmvụ quang hợp của phytoplankonvà
những loài sinh vật nguyên thủy khác.
Khi một sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, năng lượnghoặc có thể tiêu tan
dướidạng nhiệt, phát raở bước sóngdài hơn dưới dạng huỳnh quang,hoặc nó có
thể gây ra một phản ứng hóa học. Các màng và cấu trúc nhất định trong sinhvật
quanghợp đóng vai trò đơn vị cấu trúc của sự quanghợp vì chlorophyllsẽ chỉ
thamgia và những phản ứng hóa học khi phân tử đó tương thích với proteingắn
trên màng (vídụ như lục lạp, hình 3).Quanghợp là một quátrình haigiaiđoạn, và
trong cơ thể có lục lạp, haikhuvực cấutrúc khác nhau này nằm trong những quá
trìnhriêng. Mộtquá trình phụ thuộc ánh sáng(thườnggọi là phản ứng sáng)xảy
ra trong hạt xếpcọc, trong khimột quá trình phụ thuộc ánh sángthứ hai (phản
ứng tối)xảyra đồng thời trong chất nềncủa lục lạp (hình 3). Người ta cho rằng
phản ứng tối có thể xảy ra trongsự thiếu sángchừng nào màcác hạtmang năng
lượng phát triển trong phản ứng sáng có mặt.
Giai đoạn thứ nhất củasự quang hợp xảy rakhi nănglượngtừ ánh sáng
được sử dụng trực tiếpđể tạo ra cácphân tử mang năng lượng, như adonesine
triphosphate (ATP). Tronggiaiđoạn này,nướcbị tách các thành phần của nó, và
oxygen được giải phóngdưới dạngsảnphẩm.Các tác nhân vận chuyểnnăng lượng
hóa sauđó được dùng trong quátrình thứ hai và là quátrình cơ bản nhất củaquá
trìnhquang hợp: tạo racácliên kết carbon-carbon.Giai đoạn thứ haikhông yêu
cầu rọi sáng (quá trìnhtối) và chịutrách nhiệm cung cấp chất dinhdưỡng cơ bản
cho tế bào cây xanh,cũng như tổng hợp chất liệu cho thành tế bào và các thành
phần khác. Trongquátrình này, carbon dioxidegắn với hydrogen tạothành

carbonhydrate, một họ chất hóa sinh chứa cùng số nguyên tử carbon và phân tử
nước. Nói chung, quá trình quang hợp không cho phép cơ thể sống sử dụng trực
tiếp năng lượng ánh sáng,mà yêu cầu bắtnăng lượngtrong giai đoạnthứ nhất,
tiếp theo sau làgiai đoạn thứ hai của các phảnứng hóa sinh phức tạpchuyển hóa
năng lượngthành liên kết hóahọc.
Hiện tượng quang điện
Một câu hỏi cơ bản phát sinhtrongsố các nhà khoahọc,vàođầu những năm
1700, là khả năng tác động của ánh sánglênvật chất, vàbản chất và hàm ýcủa
những tươngtác này.Vào thế kỉ 19, các nhà nghiêncứu đã xác địnhđược ánh sáng
có thể tạo ra hạt mangđiện khichiếu vào bề mặt nhữngkimloại nhất định.Những
nghiêncứu sau đó đưa tới khám phá thấy rằng hiện tượng này, ngày naygọi là
hiệu ứng quang điện, làm tự do hoặc giải phóng các electron liên kếtvới các
nguyêntử trong kimloại (hình 4). Năm 1900,nhà vật lí người Đức, PhillipLenard,
xác nhậnđược nguồn phát sinhđiện tích là sự phát xạ electron,vàtìm thấy mối
quan hệ bất ngờ giữa bước sóngánh sáng và năng lượngvà số electronđược giải
phóng.Bằng cách sử dụng ánh sáng có bước sóngnhất định (lọc bằng mộtlăng
kính),Lenardchứng minhđược rằngnăng lượng từ electrongiải phóng chỉ phụ
thuộcvào bước sóng ánh sáng chứ không phụ thuộc vào cườngđộ sáng. Ánh sáng
cường độ thấp tạo ra ít electronhơn,nhưng mỗielectronđều có năng lượng như
nhau, bất chấp cường độ sáng. Hơn nữa,Lenardcòn nhận thấy ánh sángcóbước
sóng ngắn giải phóng electroncó năng lượnglớn hơnnăng lượng electrontự do
được giải phóngbằng ánh sáng có bước sóng dài hơn.
Lenard kết luậnrằng cường độ ánh sáng xác địnhsố electronđược giải
phóngbởi hiện tượng quang điện, và bướcsóng ánh sáng xác định lượng năng
lượng nội tại chứa trongmỗi electronđược giải phóng.Vào lúcấy, sự tương tác bất
thường này giữa ánh sángvà vật chất đã đưa ramộtnan đề mà nền vật lí cổ điển
khôngthể nào giảithích nổi.Hiệu ứngquangđiệnlà mộttrong số vài vấn đề lí
thuyết mà các nhà vậtlí vướngphảivào nhữngnăm 1900do niềm tin rộngrãi vào
thuyết sóng ánhsáng.Mãi cho đến khimộtnhà vật lí Đức khác, MaxPlanck,đề ra
một lí thuyếtthay thế. Planck chorằngánh sáng, vàcác dạng khác của bức xạ điện

từ, không phải liên tục, mà gồmnhữnggói năng lượng (lượng tử) rời rạc. Thuyết
lượng tử của ông, mà vớinó ôngđã nhậngiải thưởng Nobelvật lí năm 1918, giải
thích cách ánh sáng có thể, trong một số trườnghợp, được xem làhạt tương
đươngvới lượngtử năng lượng, là lí thuyếtkế thừa tư tưởng củaIsaac Newton,
người cũng tin ánh sánglà hạt vào hai trăm năm trướcđó.
Albert Einsteinđã dựa trên các nguyên lí lượngtử của Planckgiải thích hiệu
ứng quangđiện trongmột lí thuyết cơ sở sẽ dung hòa bản chất sóngliên tục của
ánh sáng với hành trạnghạt củanó. Lập luận cho lối giải thích của Einstein là ánh
sáng có bước sóngnhất định xử sự như thể nó gồm các hạt rời rạc, ngày nay gọi là
photon,tất cả có chungnănglượng.Hiệuứng quangđiện xảy rado mỗi electron bị
bật ra làkết quả của một vachạmgiữa một photon từ ánh sáng vàmột electron
trong kimloại. Ánh sáng có cường độ lớn hơn chỉ gây ra nhiều photon hơn va
chạmlên kimloại trong một đơnvị thời gian,tương ứng làm bậtra nhiều electron
hơn. Năng lượngcủamỗi electronphát ra phụ thuộc vào bướcsóng (tần số) của
ánh sáng gây rasự phát xạ, với ánh sángtần số cao hơn sẽ tạo ra electroncó năng
lượng cao hơn. Sự tỉ lệ giữa nănglượng photon vàtần số ánh sáng được mô tả
bằngđịnh đề cơ bản Planckcủa thuyết lượng tử, líthuyết liên kết thuyếthạt và
thuyết sóng, sau này đượcphát triểnthành cơ sở của cơ học lượng tử.
Planck ban đầu đưa ra một mối quan hệ cơ sở giữa nănglượng và tần số là
một phần líthuyết của ông về cơ chế mà cácchất rắnphát rabức xạ khibị nung
nóng(bức xạ vật đen).Địnhđề nổi tiếng phát biểu rằng năng lượng (E)của photon
tới bằng với tần số (f) củaánhsáng nhân với một hằng số (h),ngày nay gọi là hằng
số Planck. Mối quan hệ đơngiản đó được biểudiễn như sau:
E = hf
Hiệu ứngquangđiệnbiểu hiện ở ba dạng: quang điện ngoài, quang dẫn, và
quangđiện trong,dạng thứ ba là đáng kể nhất đối với sự chuyển hóanănglượng
sáng thành nănglượng điện. Hiệu ứng quang điện ngoài xảy ra khi ánh sáng va
chạmlên một bề mặt kim loại chuẩn bị trước, ví dụ cesium, và chuyểnhóa đủ năng
lượng làm bật electronvào khônggian tự do gần kề bề mặt đó.Trongtế bào quang
điện, electronbật rabị hút bởi cực dương, vàkhi áp vào mộthiệu điện thế thì một

dòngđiện phát sinh sauđó tỉ lệ tuyếntính với cườngđộ ánh sángtới lên tế bào.
Hiệu ứngquangđiệnngoài được mô tả kĩ lưỡng đối với các vùng nănglượng cao,
ví dụ như vùng phổ tia Xvà tia gamma, và các tế bào thuộc loại này thườngđược
sử dụng để phát hiệnvà nghiên cứu các hiện tượng xảy ra ở những mức năng
lượng này.
Nhiều chất biểu hiện sự thay đổi đáng kể độ dẫn điện khi bị rọi sáng, và tính
chất quang dẫn của chúngcó thể đượckhai thác để đóng mở các dụng cụ điện,
cũng như những ứng dụng khác. Trong các chất cóđộ dẫn điệncao, như kimloại,
sự thay đổi độ dẫn điện có thể không đáng kể.Tuy nhiên, trongchấtbán dẫn,sự
thayđổi này cóthể khá lớn. Vìsự tăng độ dẫn điện tỉ lệ với cườngđộ ánhsáng
chạmtới chất liệu, nên dòng điện là mộtdòng ngoài sẽ tăng theo cường độ ánh
sáng.Loại tế bào này thườngđượcdùng trong những bộ cảm biến ánh sáng để
thực hiện những công việc như bật vàtắt đènđường và đèn chiếu sángtrong nhà.
Hiệu ứng quang điện trong và pin Mặt Trời
Tế bào Mặt Trời chuyểnhóa năng lượng ánh sángthành năng lượng điện,
hoặc gián tiếpbằng cách trước tiên chuyển nóthành năng lượng nhiệt, hoặc qua
một quátrình trực tiếpgọi làhiệu ứng quang điện trong. Các loại tế bàoMặtTrời
phổ biến nhất dựa trên hiệu ứngquang điện trong, xảyra khi ánhsáng rơi vàomột
chất bán dẫn hailớp tạo ra một sự chênh lệch điện thế, hayhiệu điện thế, giữa hai
lớp. Hiệu điện thế tạo ratrongtế bào có thể điều khiển dòng điệnqua một mạch
điện ngoài có thể dùng làm dụng cụ cấpđiện.
Năm 1839,nhàvật lí Pháp Edmund Becquerel phát hiện thấy ánhsángchiếu
vào hai điện cực giốnghệt nhau đặt ngậptrongmột dung dịch dẫn điệnyếu sẽ tạo
ra mộthiệu điện thế. Hiệu ứng này khônghiệu quả lắm để tạo ra dòng điện, vàvì
khôngcó ứng dụng thực tế nào vào lúcđó, nên nó vẫn chỉ là một sự hiếu kì trong
nhiều năm. Vài thập kỉ sau, sự quang dẫncủa seleniumđượckhám phá bởi
WilloughbySmith trong lúc ông đang kiểm tra các chất để phát triển cápviễn
thông dưới nước. Một mô tả của tế bào quang điện seleniumđầu tiên được côngbố
vào năm 1877, và sức hấpdẫn rất lớn thu đượctừ việc hiệu ứng quangđiện trong
được quansát thấy trong chất rắn. Nhà phát minhngười Mĩ Charles Frittsđã chế

tạo được tế bào Mặt Trời đầutiên cấu tạo từ bánh xốp selenium vào năm 1883,
mặc dùtế bào củaông có hiệu chuyển hóa chỉ khoảng 1-2%.Các ứngdụng thương
mại thựcdụngvà công nghiệp khôngdễ dàng cómặtngay, và vào đầuthế kỉ 20
(sauphát minh rabóngđènđiện),việcphát điện bằngtuabinmới trở nên phổ biến.
Sự hứng thú với hiệu ứngquangđiện trong nhanh chóng bị lu mờ, vàđa số các
nghiêncứu trong lĩnh vực này tập trung vào việc điều khiển và ứng dụng dòng
điện.
Sự hiểu biết toàn diện về hiện tượng baohàmhiệuứng quangđiện trong
khôngcó được, mãi cho tới khi thuyếtlượng tử được phát triển.Cácứng dụng
quangđiện trongbanđầu chủ yếu là cảm biến hoặc đoánh sáng, chứ khôngphải
tạo ra năng lượng điện. Tác nhâncần thiết cho nghiên cứutrong lĩnh vực này đến
từ mô tả của Einsteinvề hiệu ứng quang điện và những thí nghiệm buổi đầu sử
dụngtế bào quang điện thô sơ. Tế bào MặtTrời thực dụng đầu tiênphát sinh từ
khámphá ra tính chấtquang điện trongchất bán dẫn silicon pha tạp chất. Các
môđun Mặt Trời chế tạo bởi Phòngthí nghiệm Bell trong năm 1954được chế tạo
từ các dẫn xuất tươngtự silicon, vàhoạt độngở hiệu suấtgần 6%.Vàonăm 1960,
tế bào quang điện trongđượccải tiếnđạt tới hiệu suất 14%,một giá trị đủ ghi
nhậnđể tạo racác dụng cụ hữu dụng.
Ngày nay,nhữngtế bào quangđiện trong thôngdụngnhất đều sử dụng vài
lớp silicon pha tạp, cùngloại chất bán dẫn đượcsử dụng để sản xuấtchip máy tính.
Chức năng của chúngphụ thuộc vào chuyển độngcủa cácthựcthể mangđiệngiữa
các lớp silion xenkẽ. Trongsilicontinh khiết, khiđủ năng lượngnhậnvào(ví dụ,
bằngcách làm nóng), một số electrontrong các nguyên tử siliconcó thể thoátra tự
do khỏi liên kết của chúng trong tinh thể, để lại phía saumột lỗ trống trongcấu
trúcđiện tử của nguyên tử. Các electrontự do này chuyển động ngẫunhiênqua
chất rắn tìm lỗ trống khác để kết hợpvà giảiphóngnăng lượng thừacủa chúng.
Giữ vai trò các hạt mangđiện tự do,các electroncó khả năngtạo ra dòng điện, mặc
dù trongsilicon tinh khiết có quá ít chúng nên mức dòng điện là không đángkể.
Tuy nhiên, silicon có thể được cải thiện bằngcách thêm vào nhữngtạp chất nhất
định sẽ làm tănghoặclà số lượng electron tự do (siliconloại n), hoặclà số lượng lỗ

trống (chỗ thiếu electron,còn gọi là siliconloại p). Vì cả lỗ trốngvà electrondđều
lưu độngbêntrongmạng tinh thể silicon cố định nên chúng cóthể kết hợp để
trung hòalẫn nhaudưới sự tác động của mộthiệu điện thế. Silicon phatạptheo
kiểu này có đủ tính nhạy sáng để sử dụng trongcác ứngdụngquangđiện trong.