Năng lượng ánh sáng

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Năng lượng ánh sáng

Năng lượng ánh sáng 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 nhi ều 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. Nghi ên 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.