內容概述：

光電轉換效率

光伏與汽車的關系

如果說有一種能源是絕對無限且清潔的，這種能源必定是“太陽能”；因為所有橫向都和我們的太陽一樣發光發熱，宇宙中僅銀河系就有2000-6000億顆恒星，而宇宙中又有1000~2000億個銀河系體量的星系，所以太陽能理論上就是無限的。

而且太陽能可以用于發電，電能可以成為各類型交通工具的能源；比如汽車、火車、船舶、生產制造機器等等，所以關于太陽能汽車的討論和探索始終沒有停歇，只是目前仍舊只有澳洲進行過太陽能汽車的賽事，量產車還沒有單獨依靠太陽能充電的選項。原因主要是太陽能發電的效率過低，這些太陽能賽車都是使用高標準（成本）輕量化材料，且動力水平非常一般的特殊車輛，不具備代步汽車的普及能力，參考下圖組。

這是太陽能汽車的外形特點，感覺就像是UFO……其主要特點是滿車都是太陽能電池板（簡稱PV），為了發電效率已經不考慮車輛的外觀設計和實用性；但這也是無奈之舉，因為目前使用的單晶硅、二代多晶硅太陽能板的效率最高不過20%左右，到第三代的薄膜太陽能電池才略有提升，但極限似乎還是27%。最高標準是多層涂層的電池板，效率可以接近45%；然而超高的成本決定了只能用于航天領域，比如天和空間站使用的也許就有這個標準。

可以說以目前的材料學技術很難再有突破了，在汽車制造的成本方面可以接受的薄膜PV板，效率其實只能達到20%左右，為什么光伏發電的效率這么低呢？這就要了解一下陽光的頻率和能帶隙的關系了。

太陽光能呈現出很多顏色，這是一般對光的理解；深入一些的微觀層面的光線是不同的頻率，光攜帶著“光子”，不同顏色（頻率）的差異是因為不同的光線攜帶不同的光子；光之所以能夠發電也是因為光子能量的存在，然而不是所有頻率的光線都可以發電，至少以目前的材料標準而言是這樣的。

想要了解發電效率的障礙需要簡單了解一下「能帶理論」。固體是由原子組成，原子包括原子實和外層電子，看似穩定地固體中的原子實和電子都是在持續運動狀態中的；能帶的概念則是固體中超大量的原子聚積在一起時，原子之間的間隙太小，外層的電子就會“交織”接觸，于是就會出現原子上的電子不再固定屬于某一個原子，而是出現換姿移動到相鄰原子的殼層上，這是電子的“共享概念”。

【硅】是PV板的材料，每立方厘米的硅有5×1022個原子，原子之間的最短距離為0.235納米；這就會造成電子的“交織”，并且會產生微小的能量差異，與此對應的能級擴展就是能帶。

原子最外層的電子為價電子，與價電子能級相對應的能帶成為價帶。

價帶以上的能量最低的允許帶成為倒帶。

能帶隙的概念就是導帶的最低點和價帶的最高點的能量差，帶隙越大，那么電子從價帶被激發到導帶就會越難，說白了就是電導率會越低。

這樣的描述對于不太想深入了解光伏發電技術的汽車愛好者而言，多少有些不太像人話；直白的描述可以理解為「太陽能發電就是用光能推動（激發）電子從價帶到導帶，過程中產生電流」——然而不同頻率的光線波長有很大差異，波長越短能量越大；反之波長太大的光線中的光子能量比較低，它的能量能帶隙激活電子“移動”所需要的能量，也就是無法釋放電子進行“膠質”所以就沒法發電了。以晶體硅的能帶隙標準為參考，有25%的光線是不能進行光電轉化的。

重點：部分光子能量又會比較大，在進行光伏發電的電池板的過程中產生了熱能，這部分的能量就不能轉化為電能了；損失的比例也有30%左右，那么理論上就只有45%左右的可以進行光電轉化，所以航空領域使用的電池板就能達到這個標準。

可是有些材料的電池板對電子流本身的抵抗力比較夸張，這還會造成相當程度的損失；結果是普通電池板只是20%左右，高標準的薄膜太陽能電池板或一些太陽能玻璃才能達到25%左右。這就是太陽能發電的問題所在，目前主要的晶體硅電池板匹配的光譜很有限，發電效率可以說是非常之低的；電池板是按照功率來計算，但也可以按照平方米來判斷，大部分20%左右的電池板在有效光照條件下，每小時發電量只是200瓦而已，還能用于汽車嗎？

汽車的耗電量和太陽能電池板的發電效率并不匹配！

大致標準：

小微型車 ≤10kwh/100km

緊湊級車 10-20kwh/100km

中大型車 10-30kwh/100km

（1kwh≈1L oil，折算之后仍舊很節能）

一輛車的覆蓋件面積能有多大？去掉車窗之后也就只有幾平方米，而且不是所有位置都能覆蓋柔性太陽能電池板，因為會讓車身看起來很怪異；所以充其量可以安裝2㎡左右，那么即便按照高效率的25%計算，每小時的發電量也只是500瓦——0.5kwh。汽車哪怕是以低速蠕行并定速巡航，這是耗電量最低的狀態，電耗也總會在7-8kwh區間，這是發電量的14-16倍，很顯然太陽能還無法滿足車輛的正常續航。

那么如果太陽能電池板的效率足夠高，出現一種能反應所有光譜的材料，效率可以達到90%，這又能滿足車輛續航嗎？顯然差距還是很大的，車體覆蓋件的面積決定了意義不大。即便作為充電使用也很有限，按照車輛可以達到5㎡計算，發電量能達到每小時4.5kwh，平均光照時長按照7小時計算，每天可發電31.5kwh；這對于節能減排還是很有些作用的，然而對于車輛本身而言就不太合理了。

因為過長時間的光照會造成車輛漆面結構、內飾塑料與橡膠件、皮革覆蓋件等零部件的加速老化，后期維護和換件的成本是挺高的；同時PV板的成本投入也比較高，最終則是購車成本和車輛潛在維護成本都變高了。那么每天發電20~30kwh還有意義嗎？重點是大部分家用汽車一天消耗不了這么多的電，充滿之后就“閑置”了，這就顯得更沒有意義了吧。

結語：太陽能發電是推動新能源汽車增長的重要因素之一，反之新能源汽車的動力電池的梯次利用，擴充清潔發電的儲能電站的容量，這也是推動清潔電能增長的驅動力；但是汽車本身并不適合成為“發電終端”，這種技術更適合大面積作業以減少傳統火力發電的排放，汽車作為終端只需要從電網獲取清潔電能即可，這樣反而能提高電池板的利用率。

至于發電效率何時能有真正的突破還無法預測，因為材料學暫時沒有突破，只有找到成本足夠低且反應光譜范圍足夠大的材料出現，太陽能發電才會成為核心。