【簡介：】未來汽車是否能實(shí)現(xiàn)「太陽能充電」取決于材料學(xué)是否有突破內(nèi)容概述：
光電轉(zhuǎn)換效率光伏與汽車的關(guān)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?yàn)樗袡M

未來汽車是否能實(shí)現(xiàn)「太陽能充電」取決于材料學(xué)是否有突破內(nèi)容概述：

光電轉(zhuǎn)換效率光伏與汽車的關(guān)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?yàn)樗袡M向都和我們的太陽一樣發(fā)光發(fā)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(gè)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(fā)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(chǎn)制造機(jī)器等等，所以關(guān)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(jìn)行過太陽能汽車的賽事，量產(chǎn)車還沒有單獨(dú)依靠太陽能充電的選項(xiàng)。原因主要是太陽能發(fā)電的效率過低，這些太陽能賽車都是使用高標(biāo)準(zhǔn)（成本）輕量化材料，且動(dòng)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(diǎn)，感覺就像是UFO……其主要特點(diǎn)是滿車都是太陽能電池板（簡稱PV），為了發(fā)電效率已經(jīng)不考慮車輛的外觀設(shè)計(jì)和實(shí)用性；但這也是無奈之舉，因?yàn)槟壳笆褂玫膯尉Ч?、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(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域，比如天和空間站使用的也許就有這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

可以說以目前的材料學(xué)技術(shù)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(shí)只能達(dá)到20%左右，為什么光伏發(fā)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(guān)系了。

太陽光能呈現(xiàn)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?yàn)椴煌墓饩€攜帶不同的光子；光之所以能夠發(fā)電也是因?yàn)楣庾幽芰康拇嬖?，然而不是所有頻率的光線都可以發(fā)電，至少以目前的材料標(biāo)準(zhǔn)而言是這樣的。

想要了解發(fā)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(shí)和外層電子，看似穩(wěn)定地固體中的原子實(shí)和電子都是在持續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的；能帶的概念則是固體中超大量的原子聚積在一起時(shí)，原子之間的間隙太小，外層的電子就會(huì)“交織”接觸，于是就會(huì)出現(xiàn)原子上的電子不再固定屬于某一個(gè)原子，而是出現(xiàn)換姿移動(dòng)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(gè)原子，原子之間的最短距離為0.235納米；這就會(huì)造成電子的“交織”，并且會(huì)產(chǎn)生微小的能量差異，與此對應(yīng)的能級擴(kuò)展就是能帶。

原子最外層的電子為價(jià)電子，與價(jià)電子能級相對應(yīng)的能帶成為價(jià)帶。價(jià)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(dǎo)帶的最低點(diǎn)和價(jià)帶的最高點(diǎn)的能量差，帶隙越大，那么電子從價(jià)帶被激發(fā)到導(dǎo)帶就會(huì)越難，說白了就是電導(dǎo)率會(huì)越低。

這樣的描述對于不太想深入了解光伏發(fā)電技術(shù)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(fā)電就是用光能推動(dòng)（激發(fā)）電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶，過程中產(chǎn)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(dòng)”所需要的能量，也就是無法釋放電子進(jìn)行“膠質(zhì)”所以就沒法發(fā)電了。以晶體硅的能帶隙標(biāo)準(zhǔn)為參考，有25%的光線是不能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化的。

重點(diǎn)：部分光子能量又會(huì)比較大，在進(jìn)行光伏發(fā)電的電池板的過程中產(chǎn)生了熱能，這部分的能量就不能轉(zhuǎn)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(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，所以航空領(lǐng)域使用的電池板就能達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

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(huì)造成相當(dāng)程度的損失；結(jié)果是普通電池板只是20%左右，高標(biāo)準(zhǔn)的薄膜太陽能電池板或一些太陽能玻璃才能達(dá)到25%左右。這就是太陽能發(fā)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(fā)電效率可以說是非常之低的；電池板是按照功率來計(jì)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(shí)發(fā)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(fā)電效率并不匹配！

大致標(biāo)準(zhǔn)：

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(jié)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?yàn)闀?huì)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(jì)算，每小時(shí)的發(fā)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(tài)，電耗也總會(huì)在7-8kwh區(qū)間，這是發(fā)電量的14-16倍，很顯然太陽能還無法滿足車輛的正常續(xù)航。

那么如果太陽能電池板的效率足夠高，出現(xiàn)一種能反應(yīng)所有光譜的材料，效率可以達(dá)到90%，這又能滿足車輛續(xù)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(dá)到5㎡計(jì)算，發(fā)電量能達(dá)到每小時(shí)4.5kwh，平均光照時(shí)長按照7小時(shí)計(jì)算，每天可發(fā)電31.5kwh；這對于節(jié)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?yàn)檫^長時(shí)間的光照會(huì)造成車輛漆面結(jié)構(gòu)、內(nèi)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(hù)和換件的成本是挺高的；同時(shí)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(hù)成本都變高了。那么每天發(fā)電20~30kwh還有意義嗎？重點(diǎn)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(jié)語：太陽能發(fā)電是推動(dòng)新能源汽車增長的重要因素之一，反之新能源汽車的動(dòng)力電池的梯次利用，擴(kuò)充清潔發(fā)電的儲(chǔ)能電站的容量，這也是推動(dòng)清潔電能增長的驅(qū)動(dòng)力；但是汽車本身并不適合成為“發(fā)電終端”，這種技術(shù)更適合大面積作業(yè)以減少傳統(tǒng)火力發(fā)電的排放，汽車作為終端只需要從電網(wǎng)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(fā)電效率何時(shí)能有真正的突破還無法預(yù)測，因?yàn)椴牧蠈W(xué)暫時(shí)沒有突破，只有找到成本足夠低且反應(yīng)光譜范圍足夠大的材料出現(xiàn)，太陽能發(fā)電才會(huì)成為核心。

編輯：天和Auto-汽車科學(xué)島

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