Ánh sángvà Nănglượng Planck ban đầu đưara một mối quanhệ cơ sở giữa năng lượngvà tần số là một phần líthuyết của ông về cơ chế mà cácchất rắnphát rabức xạ khi bị nung nóng(bức xạ vật đen). Địnhđề nổi tiếng phát biểu rằng năng lượng (E) của photon tới bằng vớitần số (f) củaánh sáng nhân với mộthằng số (h),ngày naygọi là hằng số Planck. Mối quan hệ đơngiảnđó được biểudiễn như sau: E = hf Hiệu ứngquangđiệnbiểu hiện ở ba dạng: quang điện ngoài, quangdẫn, và quangđiện trong,dạng thứ ba là đáng kể nhất đối vớisự chuyển hóanăng lượng sáng thành năng lượngđiện.Hiệuứng quangđiện ngoài xảy ra khi ánh sáng va chạmlên một bề mặt kim loại chuẩnbị trước, ví dụ cesium, và chuyểnhóa đủ năng lượng làm bậtelectronvào không giantự do gần kề bề mặt đó.Trongtế bào quang điện, electronbật rabị hút bởi cực dương, vàkhi áp vào mộthiệuđiện thế thì một dòngđiện phát sinh sauđó tỉ lệ tuyếntínhvới cườngđộ ánhsángtới lên tế bào. Hiệu ứngquangđiệnngoài được mô tả kĩ lưỡng đối với cácvùng năng lượngcao, ví dụ như vùngphổ tia Xvà tiagamma, và cáctế bào thuộc loạinày thườngđược sử dụng để phát hiệnvà nghiên cứu các hiện tượng xảy raở những mức năng lượng này. Nhiều chất biểu hiện sự thay đổi đáng kể độ dẫn điện khibị 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 kim loại, 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 ánh sáng chạmtới chất liệu, nên dòngđiện làmột dòngngoàisẽ tăng theo cường độ ánh sáng.Loại tế bào này thườngđượcdùng trong những bộ cảm biến ánh sáng để thực hiện nhữngcông việc như bật và tắt đènđường và đèn chiếu sángtrong nhà. Hiệu ứngquangđiệntrong và pinMặtTrời Tế bào Mặt Trời chuyển hóa năng lượng ánhsángthànhnăng lượng điện, hoặc gián tiếpbằng cách trước tiên chuyển nó thành năng lượngnhiệt, hoặcqua một quátrình trực tiếp gọi làhiệuứng quangđiện trong. Các loại tế bào Mặt Trời phổ biến nhất dựa trên hiệuứngquang điệntrong,xảy ra khiánh sáng rơi vàomột chất bán dẫn hai lớp tạo ra một sự chênhlệch điện thế, hayhiệu điện thế, giữa hai lớp. Hiệu điện thế tạo ra trongtế bào có thể điều khiển dòng điện qua một mạch điện ngoài cóthể dùng làm dụng cụ cấp điện. Năm 1839,nhàvật lí Pháp Edmund Becquerelpháthiện thấyánhsáng chiếu vào hai điện cực giốnghệt nhau đặtngập trong mộtdungdịch dẫn điệnyếu sẽ tạo ra mộthiệu điện thế. Hiệu ứng nàykhônghiệu quả lắmđể tạo ra dòng điện,và vì khôngcó ứng dụng thực tế nào vào lúcđó, nên nóvẫn chỉ là một sự hiếu kì trong nhiều năm. Vài thập kỉ sau, sự quang dẫn của seleniumđượckhám phá bởi WilloughbySmithtrong lúc ông đang kiểm tra cácchất để phát triển cápviễn thông dưới nước. Một môtả của tế bào quang điện selenium đầu tiên được côngbố vào năm 1877,và sứchấp dẫnrất lớn thu được từ việc hiệu ứng quangđiện trong được quansát thấy trong chấtrắn. Nhà phát minh ngườiMĩ Charles Frittsđã chế tạo được tế bào Mặt Trời đầu tiêncấu tạotừ bánh xốp seleniumvào năm 1883, mặc dùtế bào của ôngcó hiệu chuyển hóa chỉ khoảng 1-2%.Cácứngdụng thương mại thựcdụngvà công nghiệp không dễ dàng có mặt ngay,và vào đầu thế kỉ 20 (sauphát minhra bóngđèn điện),việc phát điệnbằngtuabinmới trở nên phổ biến. Sự hứng thú vớihiệu ứngquangđiện trong nhanhchóng bị lu mờ, và đasố các nghiêncứu trong lĩnh vực này tậptrung vào việc điều khiển vàứng dụngdòng điện. Sự hiểu biết toàn diện về hiện tượng baohàmhiệu ứng quangđiện trong khôngcó được, mãicho tới khithuyết lượngtử được pháttriển.Các ứng dụng quangđiện trongban đầu chủ yếu là cảm biếnhoặc đoánh sáng, chứ không phải tạo ra năng lượng điện. Tác nhâncần thiết cho nghiên cứu tronglĩnhvực này đến từ mô tả của Einsteinvề hiệu ứng quang điện và những thí nghiệmbuổi đầu sử dụngtế bào quang điện thô sơ. Tế bào Mặt Trời thực dụng đầu tiên phát sinh từ khámphá ra tính chất quang điệntrong chất bándẫn silicon pha tạp chất. Các môđun Mặt Trời chế tạo bởi Phòngthí nghiệm Belltrong năm 1954 được chế tạo từ các dẫn xuất tươngtự silicon, vàhoạt động ở hiệu suấtgần 6%. Vào năm 1960, tế bào quang điện trongđượccải tiếnđạt tới hiệu suất 14%,mộtgiá trị đủ ghi nhậnđể tạo ra các dụng cụ hữu dụng. Ngày nay,nhữngtế bào quangđiện trongthôngdụng nhất đều sử dụng vài lớp siliconpha tạp, cùng loại chất bán dẫn đượcsử dụng để sản xuất chip máy tính. Chức năng của chúngphụ thuộc vào chuyển độngcủa cácthực thể mangđiện giữa các lớp silion xenkẽ. Trong silicontinh khiết, khi đủ nănglượng nhận vào (ví dụ, bằngcách làm nóng), một số electrontrongcác nguyên tử siliconcó thể thoát ra tự do khỏi liên kết củachúng trong tinhthể, để lại phía saumột lỗ trống trongcấu trúcđiện tử của nguyên tử. Các electrontự do này chuyển động ngẫu nhiên qua chất rắn tìm lỗ trống khác để kết hợpvà giải phóngnăng lượng thừacủa chúng. Giữ vai trò các hạt mang điện tự do, các electroncó khả năng tạora dòngđiện, mặc dù trongsilicon tinh khiết cóquá ít chúng nênmức dòng điện là không đángkể. Tuy nhiên, silicon cóthể được cải thiện bằngcách thêm vào nhữngtạp chất nhất định sẽ làm tănghoặclà số lượng electrontự do (siliconloại n),hoặc là 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 có thể kết hợp để trung hòalẫn nhaudưới sự tác động của một hiệu điện thế. Silicon pha tạp theo kiểu này có đủ tính nhạy sáng để sử dụng trong cácứng dụng quangđiện trong. Trongmột tế bào quangđiệntrong điển hình,hai lớpbándẫn silicon pha tạp liên kết sít saovới nhau(xemhình5). Một lớp được cải biến để có quá số electron tự do (gọi là lớp n),còn lớp kiađượcđiềuchỉnh để có quá số lỗ trống (lớp p). Khi hai lớpbándẫn khácnhau được ghép lại tạimộtranh giới chung (gọi làtiếp giáp p-n), electrontự do trong lớp nđi vào lớp p nhằmlắp đầycác lỗ trống. Sự kết hợp của electronvàlỗ trống tạitiếp giáp p-ntạo ra mộtrào cảnngăn số electronvượt qua tăng thêm.Khi sự thiếu cân bằng điện đạt tới điều kiện cânbằng, một điện trường ổnđịnhđược thiết lập qua ranhgiới phân tách hailớp. Khi ánhsángcó bước sóng (và nănglượng) thích hợpchạm tới tế bào tách lớp vàbị hấp thụ, electron được tự do chuyển độngvề mọi phía. Nhữngelectron gần ranhgiới (tiếp giáp p-n) có thể băng quatiếp giáp bởi điện trường cố định. Vì electroncó thể dễ dàng băngqua ranhgiới, nhưngkhông thể quay trở lại theo hướngkhác(chống lại gradientđiện trường)nên sẽ thu đượcsự bất cân bằng điện tích giữa hai vùng chất bándẫn. Những electronđi vào lớp n bởihiệuứng khubiệt hóa củatrườngổn địnhcó xu hướng tự nhiên rời khỏi lớp đó để điều chỉnhsự bất cân bằng điệntích. Tiếnvề phía này, các electron sẽ đi theođường đi khác nếu như có đườngđi đó.Bằng cách đặtmột dòngđiệnngoài mà quađó các electroncó thể quay trở lại lớp kia, thì dòng điện sẽ đượctạo ra liêntục chừng nào màánh sáng còn chạmtớitế bào Mặt Trời. Trong cấu trúccủa tế bào quangđiện trong,cáclớp tiếp xúckim loại được đặt vào mặt ngoài của hailớp bándẫn, vàcung cấp một đườngdẫn tới mạch điện ngoài nối hai lớp lại. Kết quả cuối cùng là việc tạo ra công suất điện thuđược trực tiếp từ nănglượngánh sáng. Hiệu điện thế tạo ra bởi tế bào MặtTrờibiến thiên theobước sóngcủa ánh sáng tới, nhưngnhữngchiếc tế bào tiêu biểu đượcchế tạo để sử dụngphổ bước sóng rộng của ánh sángban ngàydo Mặt Trời cung cấp.Lượng nănglượng tạo ra bởi tế bào phụ thuộc vào bước sóng, với những bướcsóng dài phátra ít điện hơn những bước sóng ngắn. Vì những tế bào hiện có thườngthường tạo rahiệuđiện thế chỉ khoảngbằng vớitế bào đèn flash, nêncần phải ghép hàng trăm,hoặcthậm chí hàng ngàn tế bào lại để tạo ra đủ điện cho nhữngứng dụng cầnthiết.Một số xe ô tô chạy bằngnănglượng Mặt Trờiđã được chế tạovà đã hoạt độngthành công ở tốc độ cao quaviệcsử dụng mộtsố lượng lớn các tế bào Mặt Trời. Năm 1981, khí cầu SolarChallengerđược bọc 16.000tế bào Mặt Trời,tạo ra công suất hơn3000 watt, đã bay quaeo biển Anhchỉ điều khiểnbằng ánh sáng Mặt Trời.Những kì công gây hứng thú như thế nàyđã làm tăng thêm việcsử dụng nguồnnănglượng MặtTrời. Tuy nhiên, việc sử dụng các tế bào Mặt Trời vẫn còn trongthời kì chưa đủ độ chín, và nguồnnănglượng này vẫnchỉ mới giới hạn trongnhững dụngcụ yêu cầu công suất thấp. Các tế bào quangđiện tronghiệnnay sử dụng những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vựcchất bán dẫnsilicon phatạpchuyển hóatrung bình18% (đạt giá trị lớn nhất vào khoảng 25%) năng lượng ánh sáng tới thànhdòng điện, sovới 6% đối với những tế bào sản xuấttrong thập niên 1950. Ngoài nhữngcải tiếnvề hiệu suất, người ta cũngnghĩ ra những phương pháp mới để sản xuất những tế bào ít tốn kém hơn so vớinhững tế bào chế tạo từ silicon đơn tinhthể. Nhữngcải tiến như thế bao gồmcác màngmỏng silicontăng trưởngtrên nhữngbánhxốp silicon đa tinh thể ít đắt hơnnhiều. Silicon không kếttinh cũngđượcthử với một số thành công, khicho bốchơi các màng silicon mỏng lên chất nền thủytinh. Nhữngchất khác ngoài silicon, như gallium arsenide, cadmiumtelluride,và đồngindium diselenide,đangđược nghiêncứu vì nhữngtiềm năngcủa chúng chocácứng dụng tế bào Mặt Trời. Gần đây, cácmàng mỏngtitanium dioxideđã được pháttriểncho việc chế tạo tế bào quangđiện trongtiềm năng.Nhữngmàng trong suốtnày đặc biệt hấp dẫn vì chúngcũng cóthể thực thi nhiệmvụ kép như nhữngcánh cửasổ. Năng lượngMặt Trời thụ động và năng lượng Mặt Trời chủ động Mặcdù các tế bào Mặt Trời chuyểnhóa trựctiếp ánhsángthành năng lượng điện, nhưngnhững phương tiện giántiếpcũng có thể sử dụngánh sáng để tạora năng lượngdưới dạng nhiệt. Những cơ cấu này có thể chia thànhhai loại: các hệ năng lượngMặt Trời thụ độngvà chủ động.Các hệ thụ độngphụ thuộc vào sự hấp thụ nhiệt mà khôngliên quantới chuyển độngcơ học. Lấy ví dụ, lòMặtTrời không gì hơn làmộtcái hộp cách nhiệt với thủy tinhbaongoài và bên trong màu đen,có thể đạt tới nhiệt độ quá 100độ C dưới ánh sáng Mặt Trời mạnh, trực tiếp.Nhiệt độ này cóthể dùng để đun nấu thức ăn, và ở những nước đangphát triển hoặc những khu vực có nguồn nhiên liệuhạn chế,đây là mộtcông cụ đơn giảncó thể mang lại sự cải thiện đáng kể cho chất lượng cuộc sống. Các hệ nănglượng Mặt Trời chủ động thường dựa trên việcsử dụngánh sáng Mặt Trời để đunnóng một chất lỏng, sauđó dẫn dòngchất lỏng nóng tới một khu vực kháccần đếnnó. Nhữnghệ nước nóngquymô nhỏ đáp ứng được nhu cầu nước tắm vàgiặt giũ ở một nơi trên thế giới. Những dụngcụ đơn giảncấu tạo gồm ống dẫn nướcmàu đenkẹpgiữa cácđĩa thủy tinh,và đượccáchnhiệt để gom góp càng nhiều nhiệt càng tốt.Các hệ chủ độngquymô lớn sử dụng các tia gương để hội tụ ánh sáng vàomột máy thu trung tâm,có thể là mộtnồi đun tạo rahơi nước làm quay tuabin.Những trạmphát điện Mặt Trời sử dụng vài trăm,hoặcvài ngàn chiếc gươngparabol cóthể tạo ra đủ hơi nướctừ dòng nướcbơm qua máythu để phátra hàng chục megawattđiện tronghàng giờ liền vàoban ngàycó nắng. Sự chuyển hóa năng lượngMặt Trời thànhnhiênliệu cháy – Hydrogen Mặcdù năng lượngMặt Trời tồn tại thuộc dạng nguồn vô tận, có sẵn, không phải muabán (và không độc),nhưng sự chuyển hóa nănglượng ánh sáng từ Mặt Trời có liên quantớihàng loạt vấn đề giới hạnkhắt khenhững ứng dụng cóhiệu quả. Trườnghợp đángthèmmuốn nhất sẽ là việc nghĩ ra một cơ chế chuyển hóa năng lượngMặt Trời thành dạng chắcchắnvà di động có thể dễ dàng truyền tải đi tới những nơi xa. Nhiều nỗ lực nghiên cứu đangnhắm tới việcsử dụngnănglượng MặtTrời tập trung để thu đượcnhiệtđộ cao cần thiết điều khiển các phản ứnghóa học khác nhau,thườngsử dụng chất xúc táchóahọc để tạo ra nhữngkết hợpkhác nhau củanhiên liệu khí có thể dễ dàng tích trữ và chuyên chờ. Mộtsố khả năng hiện đang hứa hẹn, nhưng đa số các nhà chuyên môn tronglĩnhvực chuyển hóa năng lượngđều đồng ý rằng nhiên liệu cuối cùnglấy từ sự chuyển hóa năng lượng MặtTrời chính là hydrogen. Nhu cầu sử dụng hydrogen làm nhiên liệu hiện đang tràn ngập. Hydrogen phân tử cấutạo từ nguyên tố nhẹ nhất trongvũ trụ, và có thể dễ dàngtích trữ và vận chuyển.Hơn nữa, hydrogen có thể lấy từ nước với oxygenlà sản phẩmduy nhất.Khi hydrogencháy, nókếthợp với oxygentrongkhôngkhí tạo ranước trở lại, do đó có thể tái tạo nguồn vật liệu. Điều quantrọng nhấtlà trongsuốt chu trình giảiphóng nănglượngở dạng có thể sử dụngđược, không có bước trunggian nào sinh ra nhữngchấtđộc đáng kể. Cũngnhư Mặt Trờitiếp tụctạo ranăng lượng ánh sáng của nó, nguồn hydrogenlà vô tận. Hiện nay, hydrogenđược sử dụng chủ yếu là nhiên liệutên lửa(dướidạng các tế bàonhiênliệu xúc tác như minhhọa 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 nhấtnày cóthể sẽ đápứng mọi nhu cầuvề điện và vận chuyển củaloài người. Mặcdù hydrogen có thể sảnxuất trựctiếp từ nước,nhưng yêu cầu phải cấp một số năng lượngvào để thực hiện việc tách nó khỏi oxygen.Một phương pháp điều khiển phản ứngđó là sử dụng dòngđiện trongmộtquá trình gọi làđiện phân, và ánhsáng Mặt Trời có thể được sử dụng để phát radòng điện cho sự chuyển hóa đó. Sự điện phân bao hàm một phản ứngoxy hóakhử, trong đó dòng điệntruyền qua một cặp điện cực trong nước, sinh rachất khíhydrogenvà oxygenở hai điện cực.Một hướng khả dĩ khác cho việc sản xuất hydrogenlà tập trung ánh sáng Mặt Trời ở nhiệt độ đủ cao để gây ra sự phân li nhiệt của nướcthànhcác thành phần oxygen và hydrogencủa nó, sauđó có thể tách chúngra. Cuối cùng, một phươngpháptách nước tinhvi hơnnữa làm phát sinh phân tử hydrogenthật đángthèm khát. Một kĩ thuật mà từ đó sự phân tích thu đượclà khai thác năng lượng Mặt Trời quacácphản ứng hóa họctheo kiểu tươngtự như quá trìnhquanghợp sử dụng bởi cây xanh vàvi khuẩn. Khi chúng phơi ra trước ánh sáng Mặt Trời, thực vật chứa chlorophyllmàu xanhliên tục tách các phân tử nước, giải phóng oxygen vàkết hợp hydrogen với carbon dioxidetạo ra đường. Nếu phần đầu của quá trìnhnày, hoặc mộtquá trình tương tự,có thể mô phỏnglại, thì sẽ thu đượcnguồncungcấp hydrogen vô tận, điều khiển bằng nguồn năng lượng Mặt Trời. Một cố gắng quantrọngnữa làtập trungphát triển sự quang hợpnhân tạo, ở mức độ cơ bản,có thể mô tả là sự phân tíchđiện tích khử quangtại mặt phân cách giới hạn phântử. Một trongnhững mục tiêu nhiều tham vọngnhất của nghiên cứu này là phát triển cácenzym điều khiển bằng ánhsáng,và cả điện tử học ở quy mô phân tử, baogồm sự chuyển tải các hạt mangđiện đáp ứnglại ánh sáng và hoạt độnghóa học.Một đối tượng khác của nghiên cứu nàylà việc sản xuấtcác chất theo công nghệ sinhhọc, như các enzymvà sắc tố. Trongnhữngnăm gần đây, vi khuẩnvà các sinhvậttương tự làm thoái hóadầu đã được sử dụng để khắc phục các vụ tràn dầu. Hiện nay, cácnhà khoahọcđang cố gắng hoàn thiện phươngpháp sử dụng sinh vật sốngvà sinh trưởngnhờ năng lượng Mặt Trời cho những mục đích đa dạng thuộccông nghệ sinh học, ví dụ như tẩy sạchcác nguồn cấp nước bị ô nhiễm. Dưới những điều kiện nhấtđịnh, tảo có thể bị khử mất chuỗi quang hợpbình thường củachúng ở một giai đoạnnhất địnhvà sản sinhmột lượnglớn hydrogen. Bằng cách ngăn cản các tế bào khỏinhiênliệu trữ cho sự cháy lúcthôngthường, tảo cóthể bị buộcphải kích hoạt một lộ trình trao đổi chất khác mang đếnkết quả là việcsản sinhra lượngđáng kể hydrogen.Khámphánày làmtăng thêm hi vọng rằng mộtngày nào đó nhiênliệu hydrogen có thể sản xuất từ ánh sáng Mặt Trời và nước thông quaquá trìnhquang hợp bằngcác phức hợpquang hóa quy mô lớn. Những nghiên cứu gầnđây cho thấy vi khuẩn đại dương chứa sắc tố hấp thụ ánh sáng proteorhodopsin,cho phép chúngchuyển hóa ánh sángMặtTrời thành năng lượng tế bào mà không phụ thuộcchlorophyll.Khámphá này làmtăng thêm khả năng sử dụng các vi khuẩn dễ thao tác, như E.coli, trong máy phát năng lượngđiều khiểnbằng ánhsáng cóhàngloạt ứngdụng trong cả vật lí học và khoahọcvề sự sống. . đènđường và đèn chiếu sángtrong nhà. Hiệu ứngquangđiệntrong và pinMặtTrời Tế bào Mặt Trời chuyển hóa năng lượng ánhsángthànhnăng lượng điện, hoặc gián tiếpbằng cách trước tiên chuyển nó thành năng lượngnhiệt,. trựctiếp ánhsángthành năng lượng điện, nhưngnhững phương tiện giántiếpcũng có thể sử dụngánh sáng để tạora năng lượngdưới dạng nhiệt. Những cơ cấu này có thể chia thànhhai loại: các hệ năng lượngMặt. Ánh sángvà Nănglượng Planck ban đầu đưara một mối quanhệ cơ sở giữa năng lượngvà tần số là một phần líthuyết của ông về cơ chế mà cácchất