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 tia sáng Mặt Trời suy đi nghĩ lại quẩn quanh theo kiểu mà chúng ta thu lợi từ nguồn năng lượng đó, nhưng có những liên hệ còn cơ bản hơn nhiều xuất phát từ mối liên quan giữa ánh sáng và năng lượng. Dù cho loài người có nghĩ ra được những cơ chế tài tình để khai thác năng lượng Mặt Trời hay không thì hành tinh của chúng ta và môi trường luôn luôn biến đổi chứa trong nó vốn bị chi phối bởi năng lượng của ánh sáng Mặt Trời.
Chúng ta đều biết rằng nếu như Mặt Trời không mọc, thì thời tiết của chúng ta sẽ chuyển sang mùa đông lạnh lẽo mãi mãi, ao hồ và sông suối sẽ đóng băng khắp nơi, và thực vật và động vật sẽ nhanh chóng bị diệt vong. Các động cơ sẽ không hoạt động được, và chúng ta không có cách nào để chuyên chở thực phẩm hoặc nhiên liệu, hoặc để phát ra điện. Với chất đốt hạn chế để tạo ra lửa, loài người sẽ sớm không còn nguồn thắp 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 nay nó vẫn mọc kể từ khi Trái Đất lần đầu tiên cô đặc lại từ một đám mây khí của các mảnh vụn vũ trụ. Trong quá khứ chưa lâu lắm, loài người không chắc chắn lắm về điều này. Họ không thể giải thích đưcợ tại sao Mặt Trời lại chuyển động ngang qua bầu trời, họ cũng không biết cách thức nó tạo ra ánh sáng khác biệt giữa ngày và đêm. Nhiều nền văn minh đã ghi nhận tầm quan trọng của Mặt Trời, tôn thờ ngôi sao gần chúng ta nhất này làm thần thánh (xem hình 1) với niềm hi vọng là nó sẽ không biến mất.
Lượng năng lượng rơi lên bề mặt Trái Đất đến từ Mặt Trời khoảng chừng 5,6 tỉ tỉ megajun mỗi năm. Tính trung bình cho toàn bộ bề mặt Trái Đất, điều này có nghĩa là mối mét vuông nhận được chừng 5 kWh mỗi ngày. Năng lượng đến từ Mặt Trời trong một ngày có thể cung cấp nhu cầu cho toàn bộ dân cư của Trái Đất trong ba thập kỉ. Rõ ràng là không có phương tiện nào có khả năng (và cũng không cần thiết) khai thác toàn bộ nguồn năng lượng có sẵn này, cũng hiển nhiên là việc nắm bắt cả một phần nhỏ của nguồn năng lượng có sẵn này ở dạng có thể sử dụng được sẽ có giá trị rất lớn.
Mặc dù toàn bộ năng lượng chạm đến bầu khí quyển Trái Đất xuất phát từ Mặt Trời là thật đáng kinh ngạc, nhưng nó không có mức độ tập trung rất cao so với các dạng năng lượng khác mà chúng ta sử dụng, ví dụ như lửa, các loại đèn nóng sáng và các lò sưởi điện. Vì vậy, bất cứ phương tiện nào bắt lấy năng lượng Mặt Trời cũng phải chiếm một diện tích tương đối lớn để làm tập trung có hiệu quả phần năng lượng cần thiết. Chỉ trong vài thập niên gần đây, loài người mới bắt đầu tìm kiếm nghiêm túc cơ chế khai thác tiềm năng khổng lồ của năng lượng Mặt Trời. Mối quan tâm lớn này có nguyên do từ sức tiêu thụ năng lượng liên tục tăng lên, làm phát sinh các vấn đề môi trường và mối lo ngại về sự cạn kiệt không thể tránh khỏi của các nguồn nhiên liệu hóa thạch mà chúng ta ngày càng phụ thuộc nhiều vào chúng.
Cung cấp năng lượng cho sự sống
Năng lượng Mặt Trời có liên quan mật thiết tới sự tồn tại của mọi sinh vật sống có mặt trên hành tinh này và cách thức mà các dạng sống buổi đầu phát triển trên Trái Đất nguyên thủy, sau cùng tiến hóa thành những dạng hiện tại của chúng. Hiện nay, các nhà khoa học nhận thấy cây cối hấp thụ nước và carbon dioxide từ môi trường, và sử dụng năng lượng từ Mặt Trời (xem hình 2) chuyển hóa các chất đơn giản này thành glucose và oxygen. Với glucose là viên gạch cấu trúc cơ bản, cây cối tổng hợp nên một số chất hóa sinh phức tạp chứa carbon để sinh trưởng và 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 học vẫn chưa làm sáng tỏ được cơ chế phức tạp mà qua đó sự quang hợp xảy ra, nhưng quá trình này đã tồn tại hàng triệu năm nay rồi và sự thích nghi rất sớm trong lịch sử tiến hóa của sự sống. Những sinh vật sống đầu tiên là các sinh vật hướng hóa chất, lớn lên bằng cách thu năng lượng từ những phản ứng hóa học đơn giản. Từ những tổ chức nguyên thủy này, tế bào ra đời có thể thu năng lượng cần thiết từ sự quang hợp, tạo ra sản phẩm là oxygen. Đơn giản nhất trong nhóm các cơ thể sống này là cyanobacteria. Sinh vật một tế nào chưa có nhân thật thuộc loại này là sinh vật sống lớn tuổi nhất trên hành tinh chúng ta, và người ta tin rằng chúng là dạng sống thống trị trên Trái Đất hơn 2 tỉ năm. Các nhà địa chất đã tìm thấy những khối cyanobacteria hóa thạch lớn, gọi là stromatolite, trên ba tỉ năm tuổi (một số mẫu vật khác có thể tìm thấy ở vùng biển nông duyên hải Australia).
Trước khi các sinh vật quang hợp phát triển, có rất ít oxygen trong bầu khí quyển Trái Đất, nhưng một khi quá trình tạo oxygen bắt đầu, khi đó tồn tại khả năng có các sinh vật tiến hóa cần oxygen. Do lượng năng lượng rất lớn có sẵn từ Mặt Trời, nên khả năng nhận được các thành phần cần thiết cho sự sống là nguồn cung cấp Mặt Trời có thể thực hiện dễ dàng với những dạng thức sống phức tạp hơn nhiều trước khi quá trình quang hợp tiến triển.
Đa số cây cối lớn lên trên đất, và nếu bị nhổ lên, chúng sẽ chết. Trong nhiều thế kỉ, loài người tin rằng cây cối sinh sôi là nhờ ăn đất. Những phép đo tỉ mỉ sự tăng trưởng của cây xanh đã được thực hiện bởi nhà khoa học người Bỉ, Jan Baptista van Helmont, vào đầu thế kỉ 17. Van Helmont đã chứng minh được một cái cây đang lớn tăng trọng nhiều hơn lượng đất bị mất, và kết luận rằng cây xanh được nuôi dưỡng bằng một thứ gì đó, ngoài đất ra. Cuối cùng, ông kết luận cây lớn lên, một phần. là nhờ nước. Hơn nửa thế kỉ sau, nhà sinh lí học người Anh Stephen Hales phát hiện thấy cây xanh cũng cần có không khí để trưởng thành, và, thật ngạc nhiên, ông nhận thấy cây cối hấp thụ khí carbon dioxide từ không khí.
Nhà hóa học người Anh Joseph Priestley là nhà nghiên cứu đầu tiên nhận thấy cây xanh giải phóng oxygen khi chúng khỏe mạnh và tăng trưởng. Thí nghiệm của ông chứng minh cho quá trình quang hợp, và cho thấy hô hấp và quang hợp là những quá trình có liên quan, nhưng hoạt động theo chiều ngược nhau. Thí nghiệm nổi tiếng nhất của Priestley (khoảng năm 1772) chứng minh rằng một cây nến sẽ nhanh chóng tắt nếu đặt nó trong một cái bình hình chuông, nhưng nó sẽ cháy trở lại trong cùng không khí đó nếu như đặt một cây xanh trong đó vài ngày. Ông kết luận cây xanh có thể “hoàn trả” phần không khí bị “tổn hại” bởi ngọn nến cháy. Trong những thí nghiệm khác, Priestley chứng minh được rằng một con chuột đặt trong bình sẽ “làm tổn hại” không khí theo kiểu giống như cây nến, nhưng có thể thở trong không khí sau khi “hoàn trả”, dẫn đến quan điểm cho rằng hô hấp và quang hợp là hai quá trình ngược nhau. Theo lời Priestley thì “phần không khí đó sẽ hoặc là làm tắt ngọn nến, hoặc là hoàn toàn bất tiện cho con chuột mà tôi đặt vào đó”. Priestley đã phát hiện ra một chất sau này được đặt tên là oxygen, bởi nhà hóa học người Pháp Antoine Laurent Lavoisier, người nghiên cứu mối quan hệ giữa sự cháy và không khí.
Một yếu tố then chốt để hiểu được sự quang hợp vẫn còn thiếu, mãi cho đến khi nhà sinh lí học người Hà Lan Jan Ingenhousz xác định được, vào năm 1778, rằng cây xanh chỉ hấp thụ carbon dioxide và giải phóng oxygen khi nào chúng phơi ra trước ánh sáng. Cuối cùng, nhà vật lí người Đức, Julius Robert Mayer đã chính thức hóa ý tưởng cho rằng năng lượng được chuyển hóa từ ánh sáng để tạo ra một hóa chất mới trong cây xanh đang sinh trưởng. Mayer tin rằng một quá trình hóa học thích hợp (ngày nay gọi là oxy hóa) là nguồn năng lượng cơ bản đối với một cơ thể sống.
Quang hợp, có nghĩa là “kết hợp với nhau bằng ánh sáng”, là quá trình mà qua đó hầu như tất cả mọi cây xanh, một số vi khuẩn, và một vài sinh vật nguyên thủy khai thác năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời để tạo ra đường (và oxygen là sản phẩm). Sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học phụ thuộc vào một chất gọi là chlorophyll, sắc tố màu xanh lá cây đã mang lại màu xanh cho chiếc lá. Không phải tất cả cây cối đều có lá, nhưng chúng thật sự rất có hiệu quả trong việc chuyển hóa quang năng thành hóa năng. Thường thì những chiếc lá hay được xem là những máy thu Mặt Trời sinh học, được trang bị hàng loạt tế bào nhỏ xíu thực hiện quang hợp ở cấp độ vi mô.
Sắc tố được định nghĩa là chất hấp thụ và phản xạ ánh sáng khả kiến. Đa phần sắc tố là những chất có màu, biểu hiện màu nhất định phụ thuộc vào sự phân bố bước sóng ánh sáng phản xạ và hấp thụ. Mỗi sắc tố có phổ hấp thụ đặc trưng riêng của nó, xác định phần phổ trên đó sắc tố thu nhận có hiệu quả năng lượng từ ánh sáng. Chlorophyll, chất hóa sinh phổ biến với mọi cơ thể quang hợp, phản xạ bước sóng màu xanh lá cây (trung bình) và hấp thụ các bước sóng xanh-tím và đỏ-cam ở hai đầu dải phổ ánh sáng khả kiến.
Chlorophyll là một phân tử phức hợp tồn tại ở vài biến thể hoặc đồng phân trong cây xanh và các cơ thể quang hợp khác. Tất cả sinh vật thực hiện quang hợp đều chứa loại chất gọi là chlorophyll a. Nhiều sinh vật khác cũng chứa các sắc tố phụ, gồm những chlorophyll khác, carotenoid và xanthophyll, hấp thụ những bước sóng khác trong phổ khả kiến. Như vậy, cây xanh có thể thích ứng với những nhân tố môi trường nhất định tác động bản chất của ánh sáng có sẵn lên chúng theo kiểu thích hợp. Các nhân tố như chiều sâu và chất lượng nước ảnh hưởng mạnh đến bước sóng ánh sáng có sẵn trong môi trường sông nước và môi trường biển khác nhau, và đóng vai trò to lớn trong nhiệm vụ quang hợp của phytoplankon và những loài sinh vật nguyên thủy khác.
Khi một sắc tố hấp thụ năng lượng ánh sáng, năng lượng hoặc có thể tiêu tan dưới dạng nhiệt, phát ra ở bước sóng dài hơn dưới dạng huỳnh quang, hoặc nó có thể gây ra một phản ứng hóa học. Các màng và cấu trúc nhất định trong sinh vật quang hợp đóng vai trò đơn vị cấu trúc của sự quang hợp vì chlorophyll sẽ chỉ tham gia và những phản ứng hóa học khi phân tử đó tương thích với protein gắn trên màng (ví dụ như lục lạp, hình 3). Quang hợp là một quá trình hai giai đoạn, và trong cơ thể có lục lạp, hai khu vực cấu trúc khác nhau này nằm trong những quá trình riêng. Một quá trình phụ thuộc ánh sáng (thường gọi là phản ứng sáng) xảy ra trong hạt xếp cọc, trong khi một quá trình phụ thuộc ánh sáng thứ hai (phản ứng tối) xảy ra đồng thời trong chất nền của lục lạp (hình 3). Người ta cho rằng phản ứng tối có thể xảy ra trong sự thiếu sáng chừng nào mà các hạt mang năng lượng phát triển trong phản ứng sáng có mặt.
Giai đoạn thứ nhất của sự quang hợp xảy ra khi năng lượng từ ánh sáng được sử dụng trực tiếp để tạo ra các phân tử mang năng lượng, như adonesine triphosphate (ATP). Trong giai đoạn này, nước bị tách các thành phần của nó, và oxygen được giải phóng dưới dạng sản phẩm. Các tác nhân vận chuyển năng lượng hóa sau đó được dùng trong quá trình thứ hai và là quá trình cơ bản nhất của quá trình quang hợp: tạo ra các liên kết carbon-carbon. Giai đoạn thứ hai không yêu cầu rọi sáng (quá trình tối) và chịu trách nhiệm cung cấp chất dinh dưỡng cơ bản cho tế bào cây xanh, cũng như tổng hợp chất liệu cho thành tế bào và các thành phần khác. Trong quá trình này, carbon dioxide gắn với hydrogen tạo thành 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 bắt năng lượng trong giai đoạn thứ nhất, tiếp theo sau là giai đoạn thứ hai của các phản ứng hóa sinh phức tạp chuyển hóa năng lượng thành liên kết hóa học.
Hiện tượng quang điện
Một câu hỏi cơ bản phát sinh trong số các nhà khoa học, vào đầu những năm 1700, là khả năng tác động của ánh sáng lên vật chất, và bản chất và hàm ý của những tương tác này. Vào thế kỉ 19, các nhà nghiên cứu đã xác định được ánh sáng có thể tạo ra hạt mang điện khi chiếu vào bề mặt những kim loại nhất định. Những nghiên cứu sau đó đưa tới khám phá thấy rằng hiện tượng này, ngày nay gọi là hiệu ứng quang điện, làm tự do hoặc giải phóng các electron liên kết với các nguyên tử trong kim loại (hình 4). Năm 1900, nhà vật lí người Đức, Phillip Lenard, xác nhận được nguồn phát sinh điện tích là sự phát xạ electron, và tìm thấy mối quan hệ bất ngờ giữa bước sóng ánh sáng và năng lượng và số electron được giải phóng. Bằng cách sử dụng ánh sáng có bước sóng nhất định (lọc bằng một lăng kính), Lenard chứng minh được rằng năng lượng từ electron giải phóng chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chứ không phụ thuộc vào cường độ sáng. Ánh sáng cường độ thấp tạo ra ít electron hơn, nhưng mỗi electron đều có năng lượng như nhau, bất chấp cường độ sáng. Hơn nữa, Lenard còn nhận thấy ánh sáng có bước sóng ngắn giải phóng electron có năng lượng lớn hơn năng lượng electron tự do được giải phóng bằng ánh sáng có bước sóng dài hơn.
Lenard kết luận rằng cường độ ánh sáng xác định số electron được giải phóng bởi hiện tượng quang điện, và bước sóng ánh sáng xác định lượng năng lượng nội tại chứa trong mỗi electron được giải phóng. Vào lúc ấy, sự tương tác bất thường này giữa ánh sáng và vật chất đã đưa ra một nan đề mà nền vật lí cổ điển không thể nào giải thích nổi. Hiệu ứng quang điện là một trong số vài vấn đề lí thuyết mà các nhà vật lí vướng phải vào những năm 1900 do niềm tin rộng rãi vào thuyết sóng ánh sáng. Mãi cho đến khi một nhà vật lí Đức khác, Max Planck, đề ra một lí thuyết thay thế. Planck cho rằng ánh sáng, và các dạng khác của bức xạ điện từ, không phải liên tục, mà gồm những gói năng lượng (lượng tử) rời rạc. Thuyết lượng tử của ông, mà với nó ông đã nhận giải thưởng Nobel vật lí năm 1918, giải thích cách ánh sáng có thể, trong một số trường hợp, được xem là hạt tương đương với lượng tử năng lượng, là lí thuyết kế thừa tư tưởng của Isaac Newton, người cũng tin ánh sáng là hạt vào hai trăm năm trước đó.
Albert Einstein đã dựa trên các nguyên lí lượng tử của Planck giải thích hiệu ứng quang điện trong một lí thuyết cơ sở sẽ dung hòa bản chất sóng liên tục của ánh sáng với hành trạng hạt của nó. Lập luận cho lối giải thích của Einstein là ánh sáng có bước sóng nhất định xử sự như thể nó gồm các hạt rời rạc, ngày nay gọi là photon, tất cả có chung năng lượng. Hiệu ứng quang điện xảy ra do mỗi electron bị bật ra là kết quả của một va chạm giữa một photon từ ánh sáng và một electron trong kim loại. Ánh sáng có cường độ lớn hơn chỉ gây ra nhiều photon hơn va chạm lên kim loại trong một đơn vị thời gian, tương ứng làm bật ra nhiều electron hơn. Năng lượng của mỗi electron phát ra phụ thuộc vào bước sóng (tần số) của ánh sáng gây ra sự phát xạ, với ánh sáng tần số cao hơn sẽ tạo ra electron có năng lượng cao hơn. Sự tỉ lệ giữa năng lượng photon và tần số ánh sáng được mô tả bằng định đề cơ bản Planck của thuyết lượng tử, lí thuyết liên kết thuyết hạt và thuyết sóng, sau này được phát triển thành cơ sở của cơ học lượng tử.
Planck ban đầu đưa ra một mối quan hệ cơ sở giữa năng lượng và tần số là một phần lí thuyết của ông về cơ chế mà các chất rắn phát ra bức xạ khi bị nung nóng (bức xạ vật đen). Định đề nổi tiếng phát biểu rằng năng lượng (E) của photon tới bằng với tần số (f) của ánh sáng nhân với một hằng số (h), ngày nay gọi là hằng số Planck. Mối quan hệ đơn giản đó được biểu diễn như sau:
E = hf
Hiệu ứng quang điện biểu hiện ở ba dạng: quang điện ngoài, quang dẫn, và quang điện trong, dạng thứ ba là đáng kể nhất đối với sự chuyển hóa năng lượng sáng thành năng lượng điện. Hiệu ứng quang điện ngoài xảy ra khi ánh sáng va chạm lên một bề mặt kim loại chuẩn bị trước, ví dụ cesium, và chuyển hóa đủ năng lượng làm bật electron vào không gian tự do gần kề bề mặt đó. Trong tế bào quang điện, electron bật ra bị hút bởi cực dương, và khi áp vào một hiệu điện thế thì một dòng điện phát sinh sau đó tỉ lệ tuyến tính với cường độ ánh sáng tới lên tế bào. Hiệu ứng quang điện ngoài được mô tả kĩ lưỡng đối với các vùng năng lượng cao, ví dụ như vùng phổ tia X và tia gamma, và các tế bào thuộc loại này thường được sử dụng để phát hiện và 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 chúng có thể được khai thác để đóng mở các dụng cụ điện, cũng như những ứng dụng khác. Trong các chất có độ dẫn điện cao, như kim loại, sự thay đổi độ dẫn điện có thể không đáng kể. Tuy nhiên, trong chất bán dẫn, sự thay đổi này có thể khá lớn. Vì sự tăng độ dẫn điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng chạm tới chất liệu, nên dòng điện là một dòng ngoài sẽ tăng theo cường độ ánh sáng. Loại tế bào này thường được dùng trong những bộ cảm biến ánh sáng để thực hiện những công việc như bật và tắt đèn đường và đèn chiếu sáng trong nhà.
Hiệu ứng quang điện trong và pin Mặt Trời
Tế bào Mặt Trời chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, hoặc gián tiếp bằng cách trước tiên chuyển nó thành năng lượng nhiệt, hoặc qua một quá trình trực tiếp gọi là hiệu ứng quang điện trong. Các loại tế bào Mặt Trời phổ biến nhất dựa trên hiệu ứng quang điện trong, xảy ra khi ánh sáng rơi vào một chất bán dẫn hai lớp tạo ra một sự chênh lệch điện thế, hay hiệu điện thế, giữa hai lớp. Hiệu điện thế tạo ra trong tế bào có thể điều khiển dòng điện qua một mạch điện ngoài có thể dùng làm dụng cụ cấp điện.
Năm 1839, nhà vật lí Pháp Edmund Becquerel phát hiện thấy ánh sáng chiếu vào hai điện cực giống hệt nhau đặt ngập trong một dung dịch dẫn điện yếu sẽ tạo ra một hiệu điện thế. Hiệu ứng này không hiệu quả lắm để tạo ra dòng điện, và vì không có ứng dụng thực tế nào vào lúc đó, nên nó vẫn chỉ là một sự hiếu kì trong nhiều năm. Vài thập kỉ sau, sự quang dẫn của selenium được khám phá bởi Willoughby Smith trong lúc ông đang kiểm tra các chất để phát triển cáp viễn thông dưới nước. Một mô tả của tế bào quang điện selenium đầu tiên được công bố vào năm 1877, và sức hấp dẫn rất lớn thu được từ việc hiệu ứng quang điện trong được quan sát thấy trong chất rắn. Nhà phát minh người Mĩ Charles Fritts đã chế tạo được tế bào Mặt Trời đầu tiên cấu tạo từ bánh xốp selenium vào năm 1883, mặc dù tế bào của ông có hiệu chuyển hóa chỉ khoảng 1-2%. Các ứng dụng thương mại thực dụng và công nghiệp không dễ dàng có mặt ngay, và vào đầu thế kỉ 20 (sau phát minh ra bóng đèn điện), việc phát điện bằng tuabin mới trở nên phổ biến. Sự hứng thú với hiệu ứng quang điện trong nhanh chóng bị lu mờ, và đa số các nghiên cứu trong lĩnh vực này tập trung vào việc điều khiển và ứng dụng dòng điện.
Sự hiểu biết toàn diện về hiện tượng bao hàm hiệu ứng quang điện trong không có được, mãi cho tới khi thuyết lượng tử được phát triển. Các ứng dụng quang điện trong ban đầu chủ yếu là cảm biến hoặc đo ánh sáng, chứ không phải tạo ra năng lượng điện. Tác nhân cần thiết cho nghiên cứu trong lĩnh vực này đến từ mô tả của Einstein về hiệu ứng quang điện và những thí nghiệm buổi đầu sử dụng tế bào quang điện thô sơ. Tế bào Mặt Trời thực dụng đầu tiên phát sinh từ khám phá ra tính chất quang điện trong chất bán dẫn silicon pha tạp chất. Các môđun Mặt Trời chế tạo bởi Phòng thí nghiệm Bell trong năm 1954 được chế tạo từ các dẫn xuất tương tự silicon, và hoạt động ở hiệu suất gần 6%. Vào năm 1960, tế bào quang điện trong được cải tiến đạt tới hiệu suất 14%, một giá trị đủ ghi nhận để tạo ra các dụng cụ hữu dụng.
Ngày nay, những tế bào quang điện trong thông dụng nhất đều sử dụng vài lớp silicon pha tạp, cùng loại chất bán dẫn được sử dụng để sản xuất chip máy tính. Chức năng của chúng phụ thuộc vào chuyển động của các thực thể mang điện giữa các lớp silion xen kẽ. Trong silicon tinh khiết, khi đủ năng lượng nhận vào (ví dụ, bằng cách làm nóng), một số electron trong các nguyên tử silicon có thể thoát ra tự do khỏi liên kết của chúng trong tinh thể, để lại phía sau một lỗ trống trong cấu trúc điện tử của nguyên tử. Các electron tự do này chuyển động ngẫu nhiên qua chất rắn tìm lỗ trống khác để kết hợp và giải phóng năng lượng thừa của chúng. Giữ vai trò các hạt mang điện tự do, các electron có khả năng tạo ra dòng điện, mặc dù trong silicon tinh khiết có quá ít chúng nên mức dòng điện là không đáng kể. Tuy nhiên, silicon có thể được cải thiện bằng cách thêm vào những tạp chất nhất định sẽ làm tăng hoặc là số lượng electron tự do (silicon loại n), hoặc là số lượng lỗ trống (chỗ thiếu electron, còn gọi là silicon loại p). Vì cả lỗ trống và electrond đều lưu động bên trong mạng tinh thể silicon cố định nên chúng có thể kết hợp để trung hòa lẫn nhau dưới sự tác động của một hiệu điện thế. Silicon pha tạp theo kiểu này có đủ tính nhạy sáng để sử dụng trong các ứng dụng quang điện trong.
Trong một tế bào quang điện trong điển hình, hai lớp bán dẫn silicon pha tạp liên kết sít sao với nhau (xem hình 5). Một lớp được cải biến để có quá số electron tự do (gọi là lớp n), còn lớp kia được điều chỉnh để có quá số lỗ trống (lớp p). Khi hai lớp bán dẫn khác nhau được ghép lại tại một ranh giới chung (gọi là tiếp giáp p-n), electron tự do trong lớp n đi vào lớp p nhằm lắp đầy các lỗ trống. Sự kết hợp của electron và lỗ trống tại tiếp giáp p-n tạo ra một rào cản ngăn số electron vượt qua tăng thêm. Khi sự thiếu cân bằng điện đạt tới điều kiện cân bằng, một điện trường ổn định được thiết lập qua ranh giới phân tách hai lớp.
Khi ánh sáng có bước sóng (và năng lượng) thích hợp chạm tới tế bào tách lớp và bị hấp thụ, electron được tự do chuyển động về mọi phía. Những electron gần ranh giới (tiếp giáp p-n) có thể băng qua tiếp giáp bởi điện trường cố định. Vì electron có thể dễ dàng băng qua ranh giới, nhưng không thể quay trở lại theo hướng khác (chống lại gradient điện trường) nên sẽ thu được sự bất cân bằng điện tích giữa hai vùng chất bán dẫn. Những electron đi vào lớp n bởi hiệu ứng khu biệt hóa của trường ổn định có xu hướng tự nhiên rời khỏi lớp đó để điều chỉnh sự bất cân bằng điện tích. Tiến về phía này, các electron sẽ đi theo đường đi khác nếu như có đường đi đó. Bằng cách đặt một dòng điện ngoài mà qua đó các electron có thể quay trở lại lớp kia, thì dòng điện sẽ được tạo ra liên tục chừng nào mà ánh sáng còn chạm tới tế bào Mặt Trời. Trong cấu trúc của tế bào quang điện trong, các lớp tiếp xúc kim loại được đặt vào mặt ngoài của hai lớp bán dẫn, và cung cấp một đường dẫn tới mạch điện ngoài nối hai lớp lại. Kết quả cuối cùng là việc tạo ra công suất điện thu được trực tiếp từ năng lượng ánh sáng.
Hiệu điện thế tạo ra bởi tế bào Mặt Trời biến thiên theo bước sóng của ánh sáng tới, nhưng những chiếc tế bào tiêu biểu được chế tạo để sử dụng phổ bước sóng rộng của ánh sáng ban ngày do Mặt Trời cung cấp. Lượng năng lượng tạo ra bởi tế bào phụ thuộc vào bước sóng, với những bước sóng dài phát ra ít điện hơn những bước sóng ngắn. Vì những tế bào hiện có thường thường tạo ra hiệu điện thế chỉ khoảng bằng với tế bào đèn flash, nên cần phải ghép hàng trăm, hoặc thậm chí hàng ngàn tế bào lại để tạo ra đủ điện cho những ứng dụng cần thiết. Một số xe ô tô chạy bằng năng lượng Mặt Trời đã được chế tạo và đã hoạt động thành công ở tốc độ cao qua việc sử dụng một số lượng lớn các tế bào Mặt Trời. Năm 1981, khí cầu Solar Challenger được bọc 16.000 tế bào Mặt Trời, tạo ra công suất hơn 3000 watt, đã bay qua eo biển Anh chỉ điều khiển bằng ánh sáng Mặt Trời. Những kì công gây hứng thú như thế này đã làm tăng thêm việc sử dụng nguồn năng lượng Mặt Trời. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào Mặt Trời vẫn còn trong thời kì chưa đủ độ chín, và nguồn năng lượng này vẫn chỉ mới giới hạn trong những dụng cụ yêu cầu công suất thấp.
Các tế bào quang điện trong hiện nay sử dụng những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực chất bán dẫn silicon pha tạp chuyển hóa trung bình 18% (đạt giá trị lớn nhất vào khoảng 25%) năng lượng ánh sáng tới thành dòng điện, so với 6% đối với những tế bào sản xuất trong thập niên 1950. Ngoài những cải tiến về hiệu suất, người ta cũng nghĩ ra những phương pháp mới để sản xuất những tế bào ít tốn kém hơn so với những tế bào chế tạo từ silicon đơn tinh thể. Những cải tiến như thế bao gồm các màng mỏng silicon tăng trưởng trên những bánh xốp silicon đa tinh thể ít đắt hơn nhiều. Silicon không kết tinh cũng được thử với một số thành công, khi cho bốc hơi các màng silicon mỏng lên chất nền thủy tinh. Những chất khác ngoài silicon, như gallium arsenide, cadmium telluride, và đồng indium diselenide, đang được nghiên cứu vì những tiềm năng của chúng cho các ứng dụng tế bào Mặt Trời. Gần đây, các màng mỏng titanium dioxide đã được phát triển cho việc chế tạo tế bào quang điện trong tiềm năng. Những màng trong suốt này đặc biệt hấp dẫn vì chúng cũng có thể thực thi nhiệm vụ kép như những cánh cửa sổ.
Năng lượng Mặt Trời thụ động và năng lượng Mặt Trời chủ động
Mặc dù các tế bào Mặt Trời chuyển hóa trực tiếp ánh sáng thành năng lượng điện, nhưng những phương tiện gián tiếp cũng có thể sử dụng ánh sáng để tạo ra năng lượng dưới dạng nhiệt. Những cơ cấu này có thể chia thành hai loại: các hệ năng lượng Mặt Trời thụ động và chủ động. Các hệ thụ động phụ thuộc vào sự hấp thụ nhiệt mà không liên quan tới chuyển động cơ học. Lấy ví dụ, lò Mặt Trời không gì hơn là một cái hộp cách nhiệt với thủy tinh bao ngoài và bên trong màu đen, có thể đạt tới nhiệt độ quá 100 độ C dưới ánh sáng Mặt Trời mạnh, trực tiếp. Nhiệt độ này có thể dùng để đun nấu thức ăn, và ở những nước đang phát triển hoặc những khu vực có nguồn nhiên liệu hạn chế, đây là một công cụ đơn giản có thể mang lại sự cải thiện đáng kể cho chất lượng cuộc sống.
Các hệ năng lượng Mặt Trời chủ động thường dựa trên việc sử dụng ánh sáng Mặt Trời để đun nóng một chất lỏng, sau đó dẫn dòng chất lỏng nóng tới một khu vực khác cần đến nó. Những hệ nước nóng quy mô nhỏ đáp ứng được nhu cầu nước tắm và giặt giũ ở một nơi trên thế giới. Những dụng cụ đơn giản cấu tạo gồm ống dẫn nước màu đen kẹp giữa các đĩa thủy tinh, và được cách nhiệt để gom góp càng nhiều nhiệt càng tốt. Các hệ chủ động quy mô lớn sử dụng các tia gương để hội tụ ánh sáng vào một máy thu trung tâm, có thể là một nồi đun tạo ra hơi nước làm quay tuabin. Những trạm phát điện Mặt Trời sử dụng vài trăm, hoặc vài ngàn chiếc gương parabol có thể tạo ra đủ hơi nước từ dòng nước bơm qua máy thu để phát ra hàng chục megawatt điện trong hàng giờ liền vào ban ngày có nắng.
Sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành nhiên liệu cháy – Hydrogen
Mặc dù năng lượng Mặt Trời tồn tại thuộc dạng nguồn vô tận, có sẵn, không phải mua bán (và không độc), nhưng sự chuyển hóa năng lượng ánh sáng từ Mặt Trời có liên quan tới hàng loạt vấn đề giới hạn khắt khe những ứng dụng có hiệu quả. Trường hợp đáng thèm muốn nhất sẽ là việc nghĩ ra một cơ chế chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành dạng chắc chắn và di động có thể dễ dàng truyền tải đi tới những nơi xa. Nhiều nỗ lực nghiên cứu đang nhắm tới việc sử dụng năng lượng Mặt Trời tập trung để thu được nhiệt độ cao cần thiết điều khiển các phản ứng hóa học khác nhau, thường sử dụng chất xúc tác hóa học để tạo ra những kết hợp khác nhau của nhiên liệu khí có thể dễ dàng tích trữ và chuyên chờ. Một số khả năng hiện đang hứa hẹn, nhưng đa số các nhà chuyên môn trong lĩnh vực chuyển hóa năng lượng đều đồng ý rằng nhiên liệu cuối cùng lấy từ sự chuyển hóa năng lượng Mặt Trời chính là hydrogen.
Nhu cầu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu hiện đang tràn ngập. Hydrogen phân tử cấu tạo từ nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ, và có thể dễ dàng tích trữ và vận chuyển. Hơn nữa, hydrogen có thể lấy từ nước với oxygen là sản phẩm duy nhất. Khi hydrogen cháy, nó kết hợp với oxygen trong không khí tạo ra nước trở lại, do đó có thể tái tạo nguồn vật liệu. Điều quan trọng nhất là trong suốt chu trình giải phóng năng lượng ở dạng có thể sử dụng được, không có bước trung gian nào sinh ra những chất độc đáng kể. Cũng như Mặt Trời tiếp tục tạo ra năng lượng ánh sáng của nó, nguồn hydrogen là vô tận. Hiện nay, hydrogen được sử dụng chủ yếu là nhiên liệu tên lửa (dưới dạng các tế bào nhiên liệu xúc tác như minh họa trong hình 6) và là thành phần của một số quá trình công nghệ hóa học. Tuy nhiên, với những cải tiến thu được gần đây, nguyên tố nhỏ nhất này có thể sẽ đáp ứng mọi nhu cầu về điện và vận chuyển của loài người.
Mặc dù hydrogen có thể sản xuất trực tiếp từ nước, nhưng yêu cầu phải cấp một số năng lượng vào để thực hiện việc tách nó khỏi oxygen. Một phương pháp điều khiển phản ứng đó là sử dụng dòng điện trong một quá trình gọi là điện phân, và ánh sáng Mặt Trời có thể được sử dụng để phát ra dòng điện cho sự chuyển hóa đó. Sự điện phân bao hàm một phản ứng oxy hóa khử, trong đó dòng điện truyền qua một cặp điện cực trong nước, sinh ra chất khí hydrogen và oxygen ở hai điện cực. Một hướng khả dĩ khác cho việc sản xuất hydrogen là tập trung ánh sáng Mặt Trời ở nhiệt độ đủ cao để gây ra sự phân li nhiệt của nước thành các thành phần oxygen và hydrogen của nó, sau đó có thể tách chúng ra.
Cuối cùng, một phương pháp tách nước tinh vi hơn nữa làm phát sinh phân tử hydrogen thật đáng thèm khát. Một kĩ thuật mà từ đó sự phân tích thu được là khai thác năng lượng Mặt Trời qua các phản ứng hóa học theo kiểu tương tự như quá trình quang hợp sử dụng bởi cây xanh và vi khuẩn. Khi chúng phơi ra trước ánh sáng Mặt Trời, thực vật chứa chlorophyll màu xanh liên tục tách các phân tử nước, giải phóng oxygen và kết hợp hydrogen với carbon dioxide tạo ra đường. Nếu phần đầu của quá trình này, hoặc một quá trình tương tự, có thể mô phỏng lại, thì sẽ thu được nguồn cung cấp hydrogen vô tận, điều khiển bằng nguồn năng lượng Mặt Trời.
Một cố gắng quan trọng nữa là tập trung phát triển sự quang hợp nhân tạo, ở mức độ cơ bản, có thể mô tả là sự phân tích điện tích khử quang tại mặt phân cách giới hạn phân tử. Một trong những mục tiêu nhiều tham vọng nhất của nghiên cứu này là phát triển các enzym điều khiển bằng ánh sáng, và cả điện tử học ở quy mô phân tử, bao gồm sự chuyển tải các hạt mang điện đáp ứng lại ánh sáng và hoạt động hóa học. Một đối tượng khác của nghiên cứu này là việc sản xuất các chất theo công nghệ sinh học, như các enzym và sắc tố. Trong những năm gần đây, vi khuẩn và các sinh vật tương tự làm thoái hóa dầu đã được sử dụng để khắc phục các vụ tràn dầu. Hiện nay, các nhà khoa học đang cố gắng hoàn thiện phương pháp sử dụng sinh vật sống và sinh trưởng nhờ năng lượng Mặt Trời cho những mục đích đa dạng thuộc công nghệ sinh học, ví dụ như tẩy sạch các nguồn cấp nước bị ô nhiễm.
Dưới những điều kiện nhất định, tảo có thể bị khử mất chuỗi quang hợp bình thường của chúng ở một giai đoạn nhất định và sản sinh một lượng lớn hydrogen. Bằng cách ngăn cản các tế bào khỏi nhiên liệu trữ cho sự cháy lúc thông thường, tảo có thể bị buộc phải kích hoạt một lộ trình trao đổi chất khác mang đến kết quả là việc sản sinh ra lượng đáng kể hydrogen. Khám phá này làm tăng thêm hi vọng rằng một ngày nào đó nhiên liệu hydrogen có thể sản xuất từ ánh sáng Mặt Trời và nước thông qua quá trình quang hợp bằng các phức hợp quang hóa quy mô lớn. Những nghiên cứu gần đây cho thấy vi khuẩn đại dương chứa sắc tố hấp thụ ánh sáng proteorhodopsin, cho phép chúng chuyển hóa ánh sáng Mặt Trời thành năng lượng tế bào mà không phụ thuộc chlorophyll. Khám phá này làm tăng thêm khả năng sử dụng các vi khuẩn dễ thao tác, như E.coli, trong máy phát năng lượng điều khiển bằng ánh sáng có hàng loạt ứng dụng trong cả vật lí học và khoa học về sự sống.
Ứng dụng chụp ảnh quang điện tử:
Sự chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện
Một trong những ứng dụng thông dụng nhất của hiệu ứng quang điện là trong các dụng cụ dùng để phát hiện photon mang thông tin về hình ảnh trong camera, kính hiển vi, kính thiên văn và những dụng cụ ghi ảnh khác. Với sự phát triển của công nghệ ghi ảnh kĩ thuật số, sự tiến bộ nhanh chóng đã xuất hiện trong công nghệ dùng để chuyển hóa ánh sáng thành tín hiệu điện có ý nghĩa. Một vài loại detector ánh sáng đang được sử dụng phổ biến. Một số thu nhận các tín hiệu có thông tin hình ảnh mà không phân biệt không gian, còn một số khác là những detector cục bộ bắt lấy hình ảnh trực tiếp hơn với thông tin không gian và cường độ kết hợp. Các detector ánh sáng dựa trên hiệu ứng quang điện gồm các ống nhân quang, các diode quang thác, dụng cụ tích điện kép, bộ phận khuếch đại hình ảnh, và các bộ cảm biến quang bán dẫn oxide kim loại bổ chính (CMOS). Trong số này, dụng cụ tích điện kép được dùng rộng rãi nhất cho công việc ghi ảnh và phát hiện, và do đó được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên tắc hoạt động của nó cũng là cơ sở cho nhiệm vụ của các loại detector khác.
Dụng cụ tích điện kép (CCD) là mạch tích hợp trên nền silicon gồm một ma trận, hay một dãy, dày đặc các diode quang hoạt động bằng cách chuyển hóa năng lượng ánh sáng dưới dạng photon thành điện tích. Mỗi diode quang trong dãy hoạt động theo nguyên tắc tương tự như tế bào quang điện trong, nhưng trong CCD, các electron phát ra bởi tương tác của photon với nguyên tử silicon được lưu trữ trong một giếng thế và sau đó có thể truyền qua chip, qua thanh ghi, rồi đi ra ngoài tới bộ phận khuếch đại. Hình 7 minh họa cấu trúc của một CCD điển hình.
CCD được phát minh vào cuối thập niên 1960 bởi nhà khoa học nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell, người lúc đầu mang ý tưởng về một loại mạch điện nhớ mới dùng cho máy tính. Những nghiên cứu sau đó cho thấy rằng dụng cụ đó, vì khả năng truyền điện tích của nó và phản ứng điện của nó với ánh sáng, cũng sẽ có ích cho những ứng dụng khác như xử lí tín hiệu và ghi ảnh. Niềm hi vọng ban đầu về một dụng cụ nhớ mới hoàn toàn tan biến, nhưng CCD nổi lên là một trong những ứng cử viên hàng đầu cho các detector ghi ảnh điện tử dùng cho mọi mục đích, có khả năng thay thế phim trong lĩnh vực ghi ảnh kĩ thuật số, cả cho mục đích phổ dụng lẫn trong các lĩnh vực chuyên môn như kĩ thuật chụp ảnh hiển vi kĩ thuật số.
Chế tạo trên chất nền silicon giống hệt như các mạch tích hợp khác, CCD được xử lí trong một chuỗi in ảnh litô phức tạp gồm khắc acid, cấy ion, lắng màng mỏng, kim loại hóa và thụ động hóa để vạch rõ các nhiệm vụ khác nhau bên trong dụng cụ. Chất nền silicon được pha tạp điện hình thành silicon loại p, một chất trong đó hạt mang điện chủ yếu là các lỗ trống tích điện dương. Khi một photon tử ngoại, khả kiến, hoặc hồng ngoại va chạm với một nguyên tử silicon nằm trong hoặc gần diode quang CCD, nó sẽ luôn tạo ra một electron tự do và một “lỗ trống” gây ra bởi sự vắng mặt tạm thời của electron trong mạng tinh thể silicon. Electron tự do sau đó được gom vào một giếng thế (nằm sâu bên trong silicon, trong một khu vực gọi là lớp suy vong), còn lỗ trống buộc phải rời khỏi giếng và cuối cùng bị chiếm chỗ trong chất nền silicon. Từng diode quang cách điện với các láng giềng của chúng bằng một rãnh dừng, hình thành bằng cách cho khuếch tán các ion boron qua một mặt lọc vào chất nền silicon loại p.
Đặc điểm kiến trúc chủ yếu của CCD là một dãy lớn chuỗi thanh ghi lệch chế tạo có lớp polysilicon pha tạp dẫn điện xếp theo chiều thẳng đứng phân tách với chất nền bán dẫn silicon bằng một màng mỏng cách điện silicon dioxide. Sau khi electron được thu gom vào mỗi diode quang của dãy, một điện thế được áp vào lớp điện cực polysilicon (gọi là các cổng) làm thay đổi thế tĩnh điện của silion nằm bên dưới. Chất nền silicon nằm ngay dưới điện cực cổng khi đó trở thành một giếng thế có khả năng thu gom các electron phát ra cục bộ do ánh sáng tới gây ra. Các cổng lân cận giúp giam giữ electron trong giếng thế bằng cách hình thành vùng thế cao, gọi là hàng rào thế, bao quanh giếng. Bằng cách điều chỉnh hiệu điện thế đặt vào cổng polysilicon, chúng có thể có xu hướng hoặc là hình thành một giếng thế, hoặc là hàng rào thế để điện tích tích hợp được thu thập bởi diode quang.
Sau khi được rọi sáng bằng photon tới trong thời kì gọi là sự tích hợp, giếng thế trong dãy diode quang CCD trở nên đầy electron tạo ra trong lớp suy vong của chất nền silicon. Điện tích trữ trong mỗi giếng phải được đọc lại theo một phương pháp có hệ thống. Những phép đo điện tích lưu trữ này được hoàn thành bằng sự kết hợp di chuyển chuỗi và song song của điện tích tích góp đến một nút ra tại rìa chíp, nơi nó kết nối với bộ khuếch đại ngoài. Tốc độ truyền điện tích song song thường đủ để hoàn thành trong thời gian tích hợp điện tích cho hình ảnh tiếp theo.
Sau khi thu gom vào giếng thế, electron dời chỗ song song, mỗi lần một hàng, bằng một tín hiệu phát ra từ đồng hồ thanh ghi dịch đứng. Đồng hồ thanh ghi dịch đứng hoạt động theo chu kì, làm thay đổi điện thế trên các điện cực xen kẽ của cổng thẳng đứng để làm di chuyển điện tích tích góp qua CCD. Sau khi đi qua dãy cổng thanh ghi dịch song song, cuối cùng điện tích chạm tới một hàng cổng đặc biệt gọi là chuỗi thanh ghi lệch. Tại đây, các gói electron biểu diễn mỗi pixel bị dịch ngang trong chuỗi, dưới sự điều khiển của đồng hồ thanh ghi dịch ngang, về phía bộ khuếch đại ngoài và ra khỏi chip. Một CCD tiêu biểu chỉ có một bộ khuếch đại đọc lại nằm ở góc của toàn bộ dãy diode quang. Trong bộ khuếch đại ra, các gói electron ghi nhận lượng điện tích tạo ra bởi các diode quang liên tiếp từ trái sang phải trong một hàng bắt đầu với hàng thứ nhất và tiếp tục cho tới hết. Điều này tạo ra một sự quét mành tương tự của điện tích quang phát từ toàn bộ dãy hai chiều của các nguyên tố cảm biến diode quang.
Sự chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng
Vì độ lớn và tính rộng khắp của ánh sáng và năng lượng Mặt Trời chạm tới Trái Đất, nên sự chuyển hóa ngược lại từ các dạng năng lượng khác thành ánh sáng dường như là không quan trọng. Tuy nhiên, những bức hình chụp mới đây từ phi thuyền và vệ tinh của Trái Đất vào ban đêm cho thấy ở những khu vực dân cư đông đúc, loài người đã thành công trong việc tạo ra một lượng đáng kể ánh sáng bằng cách chuyển hóa nguồn năng lượng điện (hình 8). Những quá trình tự nhiên khác cũng xảy ra làm phát sinh ánh sáng, thường đi cùng với nhiệt. Dù cho xảy ra tự nhiên hay là có sự hỗ trợ khéo léo của con người, ánh sáng có thể phát ra từ các cơ chế chuyển hóa năng lượng cơ học, hóa học, và điện học. Hình 8 là một ảnh ghép từ hàng trăm tấm ảnh chụp Trái Đất từ vệ tinh. Ánh sáng từ các nguồn nhân tạo mô tả rõ ràng các trung tâm dân cư chính ở Bắc Mĩ và Tây Âu, như minh họa trong hình.
Tại một số thời điểm trong quá khứ xa xôi, loài người đã học được cách sử dụng lửa theo kiểu có lợi. Những ngọn lửa phát sáng có khả năng mang lại nguồn sáng nhân tạo đầu tiên, và những ngọn lửa tự nhiên này vẫn được duy trì làm tài sản quý trong thời gian dài. Nếu một ngọn lửa tắt, thì một nguồn lửa mới phải được tìm thấy bằng cách săn tìm và thu thập. Thành công sớm nhất trong việc cố ý tạo ra lửa là kết quả của việc sản sinh nhiệt và than hồng từ ma sát khi cọ các que củi vào nhau, hoặc “lóe” tia lửa điện bằng cách cọ những hòn đá hoặc khoáng vật nhất định với nhau, chúng làm bốc cháy một số chất liệu dễ bắt lửa đặt gần đó. Người La Mã đã biết cách sử dụng đuốc tẩm nhựa làm nguồn sáng di động từ hơn 2000 năm trước. Lửa không phải chỉ có ích, mà còn có ý nghĩa biểu trưng to lớn trong nhiều nền văn hóa sơ khai và trong thần thoại của họ. Bắt đầu từ truyền thống Hy Lạp cổ đại, các kì thế vận hội Olympic ngày nay vẫn giữ tinh thần “mang lửa” từ Hy Lạp tới địa điểm tổ chức sự kiện.
Loài người đã sử dụng sự cháy của một số dạng nhiên liệu kết hợp với oxygen trong không khí cung cấp lửa (cũng như nhiệt) trong hàng nghìn năm trời, và một hướng tiến bộ không thể tránh được sau đó là việc tìm kiếm những cải tiến cả về chức năng và độ an toàn. Sau khi người ta biết rằng mỡ động vật và dầu thực vật cháy với ngọn lửa màu vàng chói, đã có nhu cầu lớn về những loại dầu này, và phần nhiều trong số đó được lấy từ động vật biển, ví dụ như cá voi và hải cẩu. Việc đốt cháy dầu khó kiểm soát, và phải thêm bấc vào đèn để điều khiển tốc độ cháy và ngăn cản nguy hiểm vì ngọn lửa cháy bùng lên. Đèn dầu được biết là đã sử dụng hơn 10.000 năm. Nến là một mô phỏng của đèn dầu, cung cấp nhiên liệu ở dạng rắn, tiện lợi hơn. Những cây nến sớm nhất sử dụng mỡ động vật hoặc sáp ong, còn những cây nến hiện đại chủ yếu cấu tạo từ parafin chiết từ dầu mỏ. Sự phát triển hơn nữa trong việc sử dụng lửa mang lại ánh sáng xảy ra trong thế kỉ 19, khi những ngọn đèn khí trở nên được sử dụng rộng rãi ở các thành phố và đô thị.
Diêm được sử dụng để đốt cháy các chất dễ bắt lửa khác sử dụng phản ứng hóa học để tạo ra lửa. Que diêm thường phủ hợp chất phosphore bắt lửa trong sự có mặt của oxygen khi chúng được làm nóng bằng ma sát qua việc cọ xát lên một mặt mài mòn. Cái gọi là diêm an toàn phải thắp sáng bằng cách cọ xát lên một bề mặt đặc biệt, và sẽ không bắt lửa khi vô tình cọ xát với các bề mặt khác. Hợp chất hóa học trong đầu diêm và bề mặt cọ xát kết hợp tạo ra tia lửa điện lúc đầu khởi động một phản ứng hóa học dẫn tới sự cháy của que diêm.
Sự chuyển hóa năng lượng điện thành ánh sáng bắt đầu trở thành thực tế trong những năm 1800 với sự phát triển đèn hồ quang. Những đèn này hoạt động bằng cách tạo ra một dòng điện phóng qua một khe giữa hai que than, tạo ra một cung sáng chói duy trì liên tục. Mặc dù chúng có khả năng phát ra nhiều ánh sáng hơn những ngọn nến củ kĩ hoặc phương pháp đèn khí, nhưng đèn hồ quang yêu cầu duy trì liên tục và là ngọn lửa nhiều rủi ro. Năm 1879, cả Joseph Swan ở Anh, và Thomas Edison ở Mĩ, đều chứng minh được đèn điện sử dụng dây tóc carbon nung nóng bằng dòng điện hàn kín trong bóng thủy tinh hút chân không một phần. Ví “bóng” thủy tinh của những ngọn đèn này được bơm tới trạng thái chân không một phần, và chứa rất ít oxygen, nên dây tóc sẽ không bắt lửa, nhưng sẽ rất nóng và sáng rực rỡ.
Đèn điện hiện đại sử dụng ba quá trình khác nhau để tạo ra ánh sáng từ năng lượng điện cung cấp cho chúng. Đèn nóng sáng chuẩn, lấy trực tiếp từ các mẫu ban đầu của những năm 1800, ngày nay chủ yếu sử dụng dây tóc volfram trong một chất khí trơ, và phát ra ánh sáng bằng hiệu ứng điện trở làm cho dây tóc nóng lên khi có dòng điện chạy qua. Đèn huỳnh quang là loại năng lượng hiệu quả hơn phát ra ánh sáng từ sự rọi sáng huỳnh quang của phosphor phủ ở bề mặt bên trong của ống thủy tinh. Lớp phủ phosphor bị kích thích phát huỳnh quang bằng bức xạ cực tím phát ra khi dòng điện truyền qua chất khí trong ống. Loại đèn thứ ba được dùng phổ biến là đèn hơi, chúng hợp nhất các chất khí như thủy ngân hoặc natri để phát ra ánh sáng khả kiến khi dòng điện chạy qua thể tích khí. Những đèn này có thể có áp suất cao hoặc thấp đa dạng, và phát ra ánh sáng có đặc trưng phổ phụ thuộc vào chất khí và những chất khác hợp nhất trong đèn.
Có lẽ quá trình cơ bản nhất chuyển hóa năng lượng thành ánh sáng tương tự như nguồn nhiệt và ánh sáng của Mặt Trời, đó là quá trình nhiệt hạch hạt nhân. Các nhà khoa học có thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch chỉ trong khoảng chừng nửa thế kỉ nay, nhưng những phản ứng như thế đã và đang xảy ra liên tục trong vũ trụ hàng tỉ năm nay. Nhiệt hạch là quá trình trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ va chạm nhau hình thành nên một hạt nhân nặng hơn (xem hình 9). Hạt nhân thu được có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân hợp nhân, và khối lượng bị mất chuyển hóa thành năng lượng, phù hợp với phương trình tương đương khối lượng/năng lượng của Einstein. Phản ứng nhiệt hạch là nguồn phát năng lượng của đa số các sao, kể cả Mặt Trời của chúng ta. Như vậy, sự ấm áp của Mặt Trời và ánh sáng của nó là sản phẩm của sự nhiệt hạch hạt nhân, hình thành nên cơ sở cho tất cả sự sống trên Trái Đất.
Khi mới hình thành, một ngôi sao chứa hydrogen và helium có thể được tạo ra trong vũ trụ nguyên thủy. Hạt nhân hydrogen tiếp tục va chạm, tạo nên hạt nhân helium, rồi chúng lại va chạm tạo nên những hạt nhân nặng hơn, và cứ thế, trong chuỗi phản ứng tổng hợp hạt nhân. Sự hợp nhân của các đồng vị hydrogen khác nhau thành đồng vị helium tạo ra năng lượng gấp hàng triệu lần một phản ứng hóa học thông thường. Phản ứng cơ bản này khiến Mặt Trời sẽ tiếp tục soi sáng mãi cho đến khi nguồn hydrogen gần như cạn kiệt và Mặt Trời tiến hóa thành một sao kềnh đỏ, tăng kích thước nhấn chìm Trái Đất và các hành tinh nhóm trong.
Những thí nghiệm đầu tiên của con người với sự nhiệt hạch hạt nhân đưa tới sự phát triển bom khinh khí. Nghiên cứu đang được tiến hành hiện nay có thể mang lại những ứng dụng có ích hơn cho việc sử dụng phản ứng nhiệt hạch kiểm soát được làm nguồn phát điện sạch, không đắt tiền. Những tính toán về tốc độ mà Mặt Trời sử dụng nguồn hydrogen ban đầu của nó cho thấy chúng ta có thể chỉ còn có khoảng 5 tỉ năm nữa để thừa hưởng nguồn năng lượng này và nghiên cứu sự nhiệt hạch. Hi vọng rằng khoảng thời gian này là đủ dài.
Tác giả: Kenneth R.Spring, Micheal Davidson
