【简介：】未来汽车是否能实现「太阳能充电」取决于材料学是否有突破内容概述：
光电转换效率光伏与汽车的关系如果说有一种能源是绝对无限且清洁的，这种能源必定是“太阳能”；因为所有横
未来汽车是否能实现「太阳能充电」取决于材料学是否有突破内容概述：
光电转换效率光伏与汽车的关系如果说有一种能源是绝对无限且清洁的，这种能源必定是“太阳能”；因为所有横向都和我们的太阳一样发光发热，宇宙中仅银河系就有2000-6000亿颗恒星，而宇宙中又有1000~2000亿个银河系体量的星系，所以太阳能理论上就是无限的。
而且太阳能可以用于发电，电能可以成为各类型交通工具的能源；比如汽车、火车、船舶、生产制造机器等等，所以关于太阳能汽车的讨论和探索始终没有停歇，只是目前仍旧只有澳洲进行过太阳能汽车的赛事，量产车还没有单独依靠太阳能充电的选项。原因主要是太阳能发电的效率过低，这些太阳能赛车都是使用高标准（成本）轻量化材料，且动力水平非常一般的特殊车辆，不具备代步汽车的普及能力，参考下图组。
这是太阳能汽车的外形特点，感觉就像是UFO……其主要特点是满车都是太阳能电池板（简称PV），为了发电效率已经不考虑车辆的外观设计和实用性；但这也是无奈之举，因为目前使用的单晶硅、二代多晶硅太阳能板的效率最高不过20%左右，到第三代的薄膜太阳能电池才略有提升，但极限似乎还是27%。最高标准是多层涂层的电池板，效率可以接近45%；然而超高的成本决定了只能用于航天领域，比如天和空间站使用的也许就有这个标准。
可以说以目前的材料学技术很难再有突破了，在汽车制造的成本方面可以接受的薄膜PV板，效率其实只能达到20%左右，为什么光伏发电的效率这么低呢？这就要了解一下阳光的频率和能带隙的关系了。
太阳光能呈现出很多颜色，这是一般对光的理解；深入一些的微观层面的光线是不同的频率，光携带着“光子”，不同颜色（频率）的差异是因为不同的光线携带不同的光子；光之所以能够发电也是因为光子能量的存在，然而不是所有频率的光线都可以发电，至少以目前的材料标准而言是这样的。
想要了解发电效率的障碍需要简单了解一下「能带理论」。固体是由原子组成，原子包括原子实和外层电子，看似稳定地固体中的原子实和电子都是在持续运动状态中的；能带的概念则是固体中超大量的原子聚积在一起时，原子之间的间隙太小，外层的电子就会“交织”接触，于是就会出现原子上的电子不再固定属于某一个原子，而是出现换姿移动到相邻原子的壳层上，这是电子的“共享概念”。
【硅】是PV板的材料，每立方厘米的硅有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235纳米；这就会造成电子的“交织”，并且会产生微小的能量差异，与此对应的能级扩展就是能带。
原子最外层的电子为价电子，与价电子能级相对应的能带成为价带。价带以上的能量最低的允许带成为倒带。能带隙的概念就是导带的最低点和价带的最高点的能量差，带隙越大，那么电子从价带被激发到导带就会越难，说白了就是电导率会越低。
这样的描述对于不太想深入了解光伏发电技术的汽车爱好者而言，多少有些不太像人话；直白的描述可以理解为「太阳能发电就是用光能推动（激发）电子从价带到导带，过程中产生电流」——然而不同频率的光线波长有很大差异，波长越短能量越大；反之波长太大的光线中的光子能量比较低，它的能量能带隙激活电子“移动”所需要的能量，也就是无法释放电子进行“胶质”所以就没法发电了。以晶体硅的能带隙标准为参考，有25%的光线是不能进行光电转化的。
重点：部分光子能量又会比较大，在进行光伏发电的电池板的过程中产生了热能，这部分的能量就不能转化为电能了；损失的比例也有30%左右，那么理论上就只有45%左右的可以进行光电转化，所以航空领域使用的电池板就能达到这个标准。
可是有些材料的电池板对电子流本身的抵抗力比较夸张，这还会造成相当程度的损失；结果是普通电池板只是20%左右，高标准的薄膜太阳能电池板或一些太阳能玻璃才能达到25%左右。这就是太阳能发电的问题所在，目前主要的晶体硅电池板匹配的光谱很有限，发电效率可以说是非常之低的；电池板是按照功率来计算，但也可以按照平方米来判断，大部分20%左右的电池板在有效光照条件下，每小时发电量只是200瓦而已，还能用于汽车吗？
汽车的耗电量和太阳能电池板的发电效率并不匹配！
大致标准：
小微型车 ≤10kwh/100km紧凑级车 10-20kwh/100km中大型车 10-30kwh/100km（1kwh≈1L oil，折算之后仍旧很节能）
一辆车的覆盖件面积能有多大？去掉车窗之后也就只有几平方米，而且不是所有位置都能覆盖柔性太阳能电池板，因为会让车身看起来很怪异；所以充其量可以安装2㎡左右，那么即便按照高效率的25%计算，每小时的发电量也只是500瓦——0.5kwh。汽车哪怕是以低速蠕行并定速巡航，这是耗电量最低的状态，电耗也总会在7-8kwh区间，这是发电量的14-16倍，很显然太阳能还无法满足车辆的正常续航。
那么如果太阳能电池板的效率足够高，出现一种能反应所有光谱的材料，效率可以达到90%，这又能满足车辆续航吗？显然差距还是很大的，车体覆盖件的面积决定了意义不大。即便作为充电使用也很有限，按照车辆可以达到5㎡计算，发电量能达到每小时4.5kwh，平均光照时长按照7小时计算，每天可发电31.5kwh；这对于节能减排还是很有些作用的，然而对于车辆本身而言就不太合理了。
因为过长时间的光照会造成车辆漆面结构、内饰塑料与橡胶件、皮革覆盖件等零部件的加速老化，后期维护和换件的成本是挺高的；同时PV板的成本投入也比较高，最终则是购车成本和车辆潜在维护成本都变高了。那么每天发电20~30kwh还有意义吗？重点是大部分家用汽车一天消耗不了这么多的电，充满之后就“闲置”了，这就显得更没有意义了吧。
结语：太阳能发电是推动新能源汽车增长的重要因素之一，反之新能源汽车的动力电池的梯次利用，扩充清洁发电的储能电站的容量，这也是推动清洁电能增长的驱动力；但是汽车本身并不适合成为“发电终端”，这种技术更适合大面积作业以减少传统火力发电的排放，汽车作为终端只需要从电网获取清洁电能即可，这样反而能提高电池板的利用率。
至于发电效率何时能有真正的突破还无法预测，因为材料学暂时没有突破，只有找到成本足够低且反应光谱范围足够大的材料出现，太阳能发电才会成为核心。
编辑：天和Auto-汽车科学岛
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