艾易欧科技很多人以为太阳光就是「亮亮的白光」其实不然。每天你都看到我但是你不一定懂我太阳光其实不是「一种」光而是「一大家子」光混合而成的。打个比方它就像一锅熬煮多年的老汤——里面有大块的肉、有萝卜、有香菇、还有八角和桂皮每种食材的味道都不一样却一起炖出了「汤」这个整体。太阳光也是一样里面有许许多多不同波长的光有的肉眼能看见比如红橙黄绿蓝靛紫有的完全看不见比如紫外线、红外线。把这些光按波长长短一根根排成一排就像把钢琴的琴键从低音到高音依次排开——这样一张「波长 vs 能量」的清单就是所谓的「太阳光谱」。这「一大家子」光按波长由短到长可以分成五个区域——你可以把它们想象成一栋五层楼越往上住的是「短波小子」越往下住的是「长波老兄」UVC短波紫外线100~280 nm——住在顶楼的「消毒工」人眼看不见它。它几乎被大气层完全拦截地面很难见到它的身影。但别小看它它的特点是「杀菌力极强」——医院里的杀菌灯、消毒柜用的就是这一波段。可以说UVC 是大自然派来的清洁工只是被大气层挡在了门外。UVB中波紫外线280~315 nm——「晒伤」的元凶它也被大气层大量吸收。不过它可不是省油的灯夏天把你皮肤晒红、晒脱皮的就是它。它和 UVC 一起在高层大气中参与「制造臭氧层」的光化学反应——既是阳光里的「小捣蛋」也是大气化学的参与者。UVA长波紫外线315~400 nm——「晒黑」的老师傅它对 DNA 的伤害相对较小穿透力却更强。晒黑沙龙里的灯管、治疗牛皮癣的 PUVA 疗法用的都是它。皮肤变黑、老化多半是它在悄悄起作用。可见光400~760 nm——唯一「看得见」的那一段就是肉眼能看见的光彩虹的红橙黄绿蓝靛紫全都在这里。这是太阳光里最「亲民」的一段也是我们感知世界的主要通道——没有它世界一片漆黑。红外光760 nm~1 mm——温暖的「热毯子」人眼看不见它但皮肤能感觉到它的「热」。冬天站在阳光下那种暖洋洋的感觉主要就是红外光的功劳。它还可以再细分成三段红外光-A760 nm 至 1,400 nm近红外最贴近可见光红外光-B1,400 nm 至 3,000 nm中红外红外光-C3,000 nm 至 1 mm远红外更像「纯热」太阳光的能量分布 其中 99.9% 的能量都集中在三大区域红外光、可见光、紫外光。需要注意的是光谱并不是一成不变的它还受空气时间经纬度等因素的影响下面的图是大气层外与海平面的太阳辐射光谱对比引用自维基百科https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight。可以看出阳光在穿过大气层后不少波段被「过滤」掉了。什么是「大气质量」Air Mass?说到太阳光的时候很多时候会说到一个名词大气质量.什么是大气质量呢先做个小实验拿一张白纸对着灯光看再拿一沓十张纸对着灯光看——同一盏灯穿过一张纸时还亮堂堂的穿过十张纸时就已经暗淡发黄了。阳光和大气层的关系跟这个道理一模一样大气层就是一层「过滤网」阳光穿过它越厚到地面时就被「滤」得越厉害。这「过滤网」的厚度对阳光造成的影响程度科学家给了它一个正式名字——大气质量Air Mass英文缩写AM。你可以把它理解为「阳光今天走了多远的大气路」。那问题来了大气层又不流动厚度怎么会变答案很简单——因为太阳在天上的位置会变。打个比方大气层就像一口盖在地球上的「透明锅盖」。中午太阳高悬头顶光线几乎是「垂直直下」走的路最短就像你从锅盖正中央往下戳一根签子只穿过锅盖一次而早晚太阳斜挂天边时光线是斜着划过来的要穿过更长一段「锅盖」才能到达地面就像签子从锅盖边缘斜插进去走的是更长的对角线。走得越长被吸收、被打散得越多。所以同一个地方的早晨和中午虽然晒的都是「太阳」但阳光的「质量」也就是光谱的成分和强度是不一样的——中午的阳光更「纯」、更烈早晚的阳光更「软」、更偏红橙。这就是大气质量在悄悄起作用。不同的大气质量对应着不同的太阳光谱。大气质量和太阳光标准上一节说过阳光穿过的大气越厚被「过滤」得越厉害。科学家为了方便讨论给不同的大气厚度起了名字——就像快递会标「同城」「省内」「省外」一样AM 也是给阳光「走了多远大气路」打的标签。具体的计算公式是AM 1 / cosθ其中 θ 是阳光与地面垂直方向的夹角。不用太在意公式本身只需记住一句口诀数字越大阳光走过的「大气路」越长被「过滤」得越多。比如下午 3 点的太阳光线是斜着穿过大气层的比正午走的路更长AM 值也就更大。常用的几个 AM 标签对应着三种不同的「阳光身份」AM0大气层外——「零大气」的太空阳光AM0 指的是大气层之外的阳光没经过任何大气过滤最接近太阳本来的样子——你可以把它想象成「刚出锅、还没被滤过的原汤」。人造卫星、空间站上的太阳能板就是在 AM0 环境下工作所以测试太空用的太阳能电池时要用 AM0 光谱。AM1太阳正当头——「一层大气」太阳正好从头顶正上方直射下来光线垂直穿过一层大气到达海平面——这种情况叫AM1意思是「只穿过一层大气」。这是正午太阳高悬头顶时的标准情况也是「最短路径」。AM1.5最常见的地面阳光实际生活中太阳并不总是正挂头顶。当太阳与垂直方向成约48.2° 夹角时差不多是上午 10 点或下午 3 点太阳的位置光线斜斜穿过的大气厚度大约是正午的1.5 倍——这就是AM1.5。为什么这个看起来「不上不下」的数字会成为标准因为它对应的是一年中大部分时间里、地球上大部分有人居住地区能接收到的「平均阳光」。就像考试出题要取「中等难度」一样太阳能电池测试也需要一个不偏不倚的标准条件大家才能横向比较——AM1.5 就是这个「及格线」。AM1.5 下的光照强度约为1000 W/m²照度约 109,870 勒克斯——差不多是一个晴朗春日午后的阳光。波长范围 [nm]AM1.5DAM1.5GAM0300–400no specno spec4.67%400–50016.75%18.21%16.8%500–60019.49%19.73%16.68%600–70018.36%18.2%14.28%700–80015.08%14.79%11.31%800–90012.82%12.39%8.98%900–110016.69%15.89%13.5%1100–1400no specno spec12.56%表 1ASTM 三种标准光谱在各波长范围的能量占比数据源https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_simulator小贴士这张表看起来复杂其实只说明一件事——同样是「阳光」因为穿过的大气厚度不同各色光所占的比例是不一样的。AM1.5D 与 AM1.5G差一个字母差在哪?先想象两个夏天里再常见不过的场景场景一你站在大树的树荫下头顶是密密的树叶阳光被挡得严严实实可脚下依然亮堂堂的——这些光从哪来场景二阴天时太阳被厚厚的云层完全遮住你抬头根本找不到太阳在哪可天空并不黑户外照样看得清路、看得清人脸——这些光又从哪来答案是这些光并不是「直接」从太阳射来的而是被大气、云层、树叶打散之后从四面八方漫过来的。就像你在一间白墙房间里打开手电筒光束照到的地方是亮的但光束之外的墙角也并非漆黑——因为光被墙壁「弹」到了各个角落。所以我们在地面实际晒到的太阳其实是由两部分「拼」起来的一部分是太阳直直照下来的光另一部分是被大气打散、从各个方向散射过来的光。正因为阳光有这两种不同的「到达方式」科学家在 AM1.5 后面又加了一个字母来区分——这就是 D 和 G 的由来。AM1.5DD Direct直射光太阳光以 48.2° 夹角穿过 1.5 倍大气厚度后直直照到地面的那一部分。它就像手电筒的光束——方向固定、会照出影子、也能被遮挡。晴天里你感受到的那种「太阳直晒、晒得发烫」主要就是它的功劳。AM1.5GG Global全光同样是穿过 1.5 倍大气厚度但统计的是到达地面的全部光线——既包括上面说的直射光也包括被大气打散、从四面八方散射过来的漫射光。一句话概括AM1.5G 直射光D 漫射光怎么快速记住两者的区别D 是「只算太阳直直照来的那束光」G 是「把地面能收到的光统统算上」。这也正好解释了开头的两个场景树荫下、阴天里直射光 D 几乎被挡住了但靠着漫射光全光 G 依然存在——所以世界依然明亮只是不再「晒」而已。直射、漫射、全光三者什么关系?上一节我们认识了 D 和 G这一节把「阳光大家庭」的账算得更细一点。先放一个震撼数字地球接收到的太阳辐射其实只占太阳总辐射量的二十亿分之一——太阳像个向四面八方洒水的喷壶地球只是站在遥远角落的一只小蚂蚁。但就是这二十亿分之一养活了地球上几乎所有生命。这部分洒到地面的光按「怎么到地面的」可以分成两笔账再加上一笔总账一共三个角色直射辐射Direct——「走直线的快递」阳光穿透大气层时一路直下方向不变像特快专递一样直接送到地面。它有明确的方向会照出影子也能被一把伞挡住。漫射辐射Diffuse——「被碰碎的光」另一部分阳光在路上被大气分子、水汽、灰尘撞来撞去方向被打乱变成从各个角度飘下来的光。阴天看不到太阳却天不黑、屋檐下没有直射阳光却不暗靠的就是它。它更像「包邮到家、但不知道从哪个方向来」的普通包裹。全空辐射Global——「两笔账的总账」到达地面的直射光 漫射光全部加起来就是我们身体实际感受到的「全部阳光」。晒在身上有多热、太阳能板能发多少电看的都是这笔总账。三笔账的关系写成公式是Global Direct × cos(θ) Diffuse公式里这个 cos(θ) 是什么意思这里有个生活化的道理阳光斜着照时同样一束光会「摊」在更大的面积上每一块地面分到的光就少了。你可以拿手电筒照桌面验证垂直往下照时光斑是一个又小又亮的圆把手电筒斜过来照光斑立刻拉成一个又大又暗的椭圆——光的总量没变但被摊薄了。太阳越低θ 越大直射光被「摊」得越薄这就是 cos(θ) 要表达的事。漫射光则没有方向不存在摊薄问题所以直接相加即可。一句话翻译这条公式全光 被角度「打折」后的直射光 漫射光。这也解释了为什么早晚太阳看起来红彤彤却不怎么热——直射光又被厚厚的大气削、又被低角度摊能到达的已经所剩不多。一平米地面上太阳到底「送」来多少光前面讲了光谱的「成分」这一节讲讲光谱的「剂量」——阳光照在地面上到底有多强先说单位。辐照强度的单位是W/m²瓦每平方米意思就是每一块 1 米 × 1 米的地面阳光每秒送来了多少瓦的能量。你可以把它想象成「光的雨」W/m² 测的就是雨下得有多大——毛毛雨还是瓢泼大雨量一量每平米落了多少水就知道。根据国际标准 IEC 60904-3-Ed2在「一个太阳」条件下两位主角的剂量是AM1.5G全光1000 W/m²地面上能收到的光全都算上——直射 漫射每平方米 1000 瓦。这是什么概念1000 瓦差不多就是一台电暖器满功率运行的功率只不过这个「电暖器」是从天而降、免费铺在你身上的。这也是地面太阳能电池最常用的测试标准。AM1.5D直射光900 W/m²只算太阳直直照下来的那束光每平方米 900 瓦。比 G 少的那 100 瓦正是漫射光贡献的部分。为什么要专门给直射光定一个标准因为有一类太阳能设备「挑食」——聚光型光伏设备用透镜或反光镜把阳光聚拢几百倍再发电的那种常见于大型光伏电站。它们只追着太阳的方向「吸光」从四面八方来的漫射光根本进不了它的「聚光碗」。就像用放大镜点火只有对准太阳的直射光才能聚出高温阴天散开的漫射光毫无用处。所以这类设备测试时用的就是只算直射的 AM1.5D。参数AM1.5G全光AM1.5D直射波长范围辐照强度 (W/m²)1000 (W/m²)900 (W/m²)300~4000nm(换算)100 (mW/cm²)90 (mW/cm²)光子通量4.291×10¹⁷ cm⁻²·s⁻¹3.986×10¹⁷ cm⁻²·s⁻¹表里的「光子通量」可以理解为「光的雨滴数量」每秒每平方厘米落下多少个光粒子。做电池研究的工程师会用到它普通读者记住上面两个整数全光 1000、直射 900就够用了。太阳到底有多大的「火力」聊聊「一个太阳」前面说的 1000 W/m²、900 W/m²都是阳光穿过大气层之后到达地面的强度。那一定会有人好奇在大气层之外、太阳的光还没有被「滤」过时火力到底有多猛科学家测出的答案是在地球轨道附近每平方米正对阳光的面积上能收到约1366 W/m²的能量。这个数字就叫「太阳常数」——它是太阳火力的「出厂值」也叫AM0 一个太阳强度。注意它和地面的 1000 W/m² 是配套的一对数字大气层外 1366被大气「扣」掉一部分后地面收到 1000——中间差掉的那三百多瓦就是被大气层反射、吸收、散射掉的「过路费」。这个火力有多惊人把整个地球当作一块「太阳能板」算一算地球迎光面的截面积约1.27 亿平方公里每秒接收的太阳能量约1.74×10¹⁷ 瓦特——相当于几百亿座大型发电厂同时满负荷运转。人类文明有史以来消耗的全部能量在它面前都只是零头。不过「常数」这个名字略有误导太阳表面有黑子活动火力并非铁板一块一年里会有约1%的起伏——对天气几乎无感但科学家测量时必须把它算进去。最后解释一个经常听到的说法「一个太阳强度」。为什么要数「几个太阳」因为实验室里可以「作弊」用聚光镜把阳光浓缩 100 倍再照到电池上这时的光强就叫「100 个太阳」——就像用放大镜把阳光聚成一个亮点亮到能点着火柴。倍数越高对电池的考验越极端。而「1 个太阳」就是不浓缩、不打折、原汁原味的标准阳光太空里 1 个太阳 1366 W/m²地面上 1 个太阳 1000 W/m²。它就像温度计上的「0℃」、秤上的「0 刻度」——是衡量所有太阳能电池性能的起点。只有大家都在「1 个太阳」下测不同电池、不同厂家的数据才能放在一起公平比较。一张表收尾三种「标准阳光」怎么对号入座文章走到这里我们认识了光谱、大气质量、直射和漫射信息量不小。最后用一张「标准菜单」把全部数字收拢起来方便以后查阅。为什么需要这张「菜单」打个比方全世界的厨师要比厨艺就得先约定「都用同一口锅、同一套调料」否则你用猛火、我用文火做出来的菜根本没法比。太阳能研究也一样——北京实验室、柏林实验室、硅谷实验室测出来的电池数据必须放在「同一束阳光」下才有可比性。这束「统一的阳光」由两个国际组织负责定义ASTM美国材料与试验协会和IEC国际电工委员会。他们把太空和地面的标准阳光写成了下面这张表大气质量国际标准辐照强度 (W/m²)一句话说明AM 0ASTM E4901366.1太空里的阳光卫星用AM 1.5 GASTM G1731000.4地面全光直射漫射最常用AM 1.5 DASTM G173900.1地面直射光聚光设备用AM 1.5 GIEC 60904-31000同上IEC 版的取整写法记住三句话就够了AM01366 W/m² 太空出厂版阳光给卫星用AM1.5G1000 W/m² 地面完整版阳光直射漫射全算上普通电池都测它AM1.5D900 W/m² 地面直射版阳光只追太阳的聚光设备测它。这也正是「太阳光模拟器」存在的意义真实的太阳说变就变——早晚不同、阴晴不同、季节不同、城市不同没人能靠天吃饭做精密测试。而太阳模拟器就是一盏「人造太阳」按下开关就能在实验室里随时、稳定地「重现」上面这几种标准阳光。有了它不管外面是刮风还是下雨太阳能电池的研发和质检都有了一把全世界通用、永不走偏的「光的标尺」。