为什么要去研究太阳能？

根据 World bank 的数据，2013年化石燃料占总能源消耗的 80.805%。而不会产生二氧化碳的非碳水化合物的清洁能源（水能、核能、地热能和太阳能等）只占到了8.89%。化石燃料时有限的，每隔几年就有学者出来叫嚣“资源衰竭”，虽然每次能源危机时，人类都通过技术的进步发现并利用的新的资源（从木材，到煤炭，到石油，到天然气/液燃气，到可燃冰），但这还能持续多久？

对于核能，只能利用核裂变来‘烧锅炉’发电，核聚变目前还没达到可控的能力。

而化石燃料就是有机物残骸的厌氧消化而成，而有机物的能量有来自于太阳能，既然这些能量都来自于太阳，为什么不直接去获取太阳能呢？如果把眼光放到遥远的星辰大海，直接获取大量的太阳能是让人类进行大规模的星际旅行的唯一可行的办法。简单的举个例子，就是造一个戴森球（把整个太阳用太阳能电池板包起来，直接获取太阳全部散发的能量）。当然，把太阳直接炸了，直接采集太阳里的核聚变原料是更高效的办法，但这实在是太遥远的未来了，就不去展开讨论了。

太阳能有多少呢？

只有能量多了才有研究的意义，而太阳能的确很丰富。据维基百科讲，地球的大气，海洋和陆地吸收的太阳能每年大约是3,850,000 EJ，是人类在地球上取得和开采过的所有不可再生资源（煤、石油、天然气、铀）相结合的总能源的两倍。相比之下光合作用获得的生物质能每年约3000 EJ，所以大量比例的太阳能并没有被光合作用吸收。

不过我们最关心的真的不是太阳发射出来的总能量，而是没有经过远传送消耗的，没有被大气层吸收的，照射到地表上的太阳能。学术上我们称之为 AM1.5G。能够穿透地球大气层照射到地球表面的光主要集中在可见光和红外光。

地表上的太阳能如何利用呢？

· 烧水，太阳能热水器，蒸汽机发电（效率极低，不去讨论了）

· 光电效应，直接发电。而目前科学 single cell （可以先不去考虑是什么）的上限效率为30%左右。

想要去深刻的理解AM1.5G这个概念--照射到地表的太阳光，肯定要先去了解照射到地球的太阳光是什么，而光照射到地表上的太阳光光是不同（频率/波长）的光叠加在一起，所以首先要去理解 光谱是什么 。

不过研究光，怎么能不知道光是什么呢？所以波粒二象性就是讲解光是什么--波+粒子。

除了‘科学的表示太阳’之外，我们还需要去知道光电效应是如何作用的，太阳能电池板的原理就在之后的文章中阐述。

下面是正式的科普部分

牛顿在1671年的光学试验（一束阳光以一个角度射入玻璃棱镜，部分会被反射，部分则穿透玻璃，并呈现出不同的色带）中，把光谱分成7种颜色：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。而且实际上光谱是连续的。

光谱是光作为电磁波的波动性的体现，是复色光（比如太阳光）通过色散系统（如光栅、棱镜）进行分光后，依照光的波长（或频率）的大小顺次排列形成的图案。

光谱有两排横坐标，上面一排是波的频率(nu) ，从右到左逐渐增加，下面一排是波长（lambda），从左到右是波长逐渐变长。图中灰色部分是我们把这个频段的波长所 define的名字，从左到右是 伽马射线，X光，紫外线，可见光，红外线，微波，FM/AM，长波。图中可以看到，可见光的波长400-700左右。

从小就一直有人科普：波长越短，对生物就越有损害（我们能用X光拍片子，伽马直接当手术刀用），波长越短，衍射能力越低，体现在不能避开障碍物，只能直线传播；波长越长就越容易避开障碍物，所以人们用红灯，因为红色能传播的更远，所以 5G Wi-Fi 比 2.4G Wi-Fi更不能避开墙。更不用提长波传送的音频信号了，冷战时期我们能接收到外国传来的敌台《美国之音》

而光是电磁波，它满足：

c = 3*10^8 m/s是光速，爱因斯坦在相对论利指出光速不变，所以波长与频率成反比。

举个例子吧：图上对应的频率和波长的乘积正好是10^8 m/s ，这正是光速啊。

图中可以看到，可见光的波长400-700左右。

太阳辐射光谱

上一小节讲的是全部的光谱，而这一小节就可以去讲太阳的光谱了。

是太阳照射到地球上的光谱，它和之前的图的区别在于，它有纵坐标，它的单位是，是单位面积的光照强度。图中的横坐标是光的波长，从左到右分别是UV紫外线，两个虚线之间visible可见光，红外线。光照强度对波长的积分就是所有的光的功率，积分就可以简单看成是所覆盖的面积。

图中，三条曲线覆盖下的面积：黄色的是大气层顶端的实际接受太阳光的能量功率，灰色线是5250摄氏度的黑体辐射（文中不解释），红色部分是海平面/地面的太阳辐射功率。

AM1.5G

AM1.5G 是太阳光照射在海平面高的光谱。我们称之为 one sun condition。

一个标准太阳光照强度就是这样，我们可以简单认为，AM1.5G 就是一个太阳。

可以看到，照射到地球表面的光的波长只有，400nm 到 1100nm，其他的一律都没了。而值得注意的是，700-1100nm部分占了 14.9 + 12.5 + 15.9 = 43%

这个43%下一小节会有用处。

当然，如果我们进行积分计算，就可以得到 射在地球表面的能量的平均值是：1kW每平方米（1kW/m^2），这个数是个为了方便计算的近似值。

简单这么记： AM1.5G = 1kW/m^2

再谈可见光

人眼可以感受到的波长范围一般是落在390到700nm。是不是感觉和之前的数据有联系？

可以很自然的想：地球表面只有400-1400nm的光，那么超出这个范围的都是没有意义的，人类是不需要看到的。但有趣的事是为什么占据40%能量的红外线人类看不到，但是有些生物比如蛇能看到呢？对此有多种假说，知乎有总结（在此不贴答案了），但这个问题没有统一的可以让人说服的答案。

还有一件比较有趣的事情是正常视力的人眼对波长约为555nm的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。（小时候常被父母说看绿色对眼睛好不知道是不是一种巧合，虽然这个已经被科学证明是无效的）。

不过说到绿色就要提到更有趣的话题了：

光合作用

绿色植物之所以是绿色，是因为它们反射了绿色的光，吸收了其他颜色的光，这是光合作用中叶绿素AB的吸收光谱：

叶绿素的吸收光谱

但有趣的一件事是，可以注意到AM1.5G里，绿色的波的能量最多，但是植物却给反射了，而功率最高的绿色部分都被反射出去了，所以光合作用吸收光的效率很低，在10%左右。

我们可以这么算：1.5G 情况下，1kW/m^2 *10%= 100w/m^2

所以绿色植物的光转吸收率不是多么高（其实主要受限于二氧化碳光照等别的因素影响），那人类有没有更高效率的利用太阳能的方法呢？这就不得不去提到爱因斯坦发现的光电效应，而去讲光电效应是绝对离不开波粒二象性的。

波粒二象性

之前所讲的是光的波的性质，而爱因斯坦发现光除了波的性质，还有粒子性，也就是说，可以把光看成有很多有波性质的 光子 photon 。光的粒子性是理解光电效应的基础（虽然目前本文中粒子性并没有提太多，不过也许之后会添加）.

粒子特性由能量 E 和动量 p 来表达; 波的特征:由频率 v(nu) 和波长（lambda）表达.

普朗克常数h 是量子力学里的一个常数，所以根据表达式我们可以知道：

E 与 v 成正比，频率越大，能量越高

与 p成 反比，而这个其实稍作变形就是测不准原理，在此不展开了。

要解释一个问题：既然频率高的波能量大，为啥光照强度不同呢，功率不同呢？

对于单个光子来说，它是符合  的，但是功率指的是整个电磁波里无数的光子聚合在一起的能量之和。让人引起误会的是“太阳能”这个名字本身，太阳能让人感觉是太阳的能量，但其实应该是太阳的功率。

如果这还不理解，就简单认为，虽然单个250nm波长的光子能量大，但500nm波长的光子比较多，数量取胜。

光电效应

人类目前利用核能的理论基础就是大名鼎鼎的爱因斯坦的质能方程E=mc^2。但爱因斯坦并没有因此（相对论/质能方程/波粒二象性）获得诺贝尔奖，使得他获奖的是并不那么出名的‘光电效应’。在光电效应之前，人们只能用太阳能的热辐射来烧水，有了光电效应后，人类才有了更好利用太阳能的理论基础。

光电效应（Photoelectric Effect）简单来讲，是指光束（一串光子）照射物体时会使其发射出电子的物理效应。

E是太阳光的能量，而  是发射电子的波长。

正向看，那就是照射而产生电，人类目前利用这个原理主要去做太阳能电池板。

反过来看，那就是我们给特定材料（bandgap 合适的材料）通电后，它会发光，这就是目前所有LED屏幕的显示原理。不过这篇文章不去讨论LED。

太阳能电池板

太阳能电池板是现在人类利用太阳能的最好的方法，这篇文章先撇开原理不谈，就谈效率。

标为波长，纵坐标是能量密度，黄色部分是AM1.5G的波普图，灰色部分是c-si single cell 的吸收波普图，灰色部分是光转化成点的部分。灰色上方部分是热消耗，就是在光到电的转化过程里，转换不了，会变成热能。灰色右边是因为某些不可抗力（bandgap 太大）不能吸收。

坐标 band gap （能隙）暂时可以不管，纵坐标是效率。看到图片里，现在最最最最好的材料，也就只能到26%，27%

是否这个效率能达到100%？这就牵扯到下一个概念了。

Shockley–Queisser limit肖克利-奎伊瑟极限

图中横坐标是材料的 bandgap，纵坐标是效率，而Shockley–Queisser limit 是 William Shockley和Hans Queisser在1961年首次计算出来的，硅太阳能电池是30%。对于任何类型的单结太阳能电池（single cell），现代SQ极限计算的最大效率为33％。 Multi cell 的虽然效率高，但是造价高啊！

但26%是什么概念？已经是光合作用的两倍了。

太阳能材料发展历程

Solar map

NREL 上 加州的光照图

实际计算

AM1.5G 下20%效率的功率是1000W/m^2 * 20% = 200W/m^2

200W是什么概念呢？

一个手机充电器是5W-27W不等；一台15寸macbook pro是75W；微波炉，空调都是kw级别的。一辆汽车起码100马力，1马力 =735W。所以这么说吧，科幻片里用太阳能电池板直接带汽车走是绝对绝对不可能的。

人一天需要2000卡路里Calories (cal) = 8368 焦耳joules (J)。1J =1W*s （1h=3600s）

所以吧，黑客帝国里，一个人的能量只需要1平太阳能供电40S的就好了，为啥靠人来做生物电池呢？

总结：

可以看到，由于单位效率的限制，以及地表太阳的限制，太阳能电池板的功率并不大，想要更好的利用太阳能，提高效率以及低成本的存储电能是需要研究的方向。