01
没有活动部件，照样把阳光变成电
你看到的是一栋房子的平屋顶，正赶上一个晴朗的春日。三块太阳能电池板排成一排，装在倾斜的支架上，面朝南方。太阳从东方升起，一直爬到正午，再从西方落下。仪表盘跟着显示照到电池板上的光和它们发出的功率：日出前是零，正午前后最高，日落后又归零。在今天这样的晴天里，一块电池板能发电约2.3到2.7千瓦时。在这个纬度，算上真实的天气，三月里平均一天约发电1.8到2.1千瓦时。
下面几章要拆开来看的，是这排最西端的那一块。它是2020年代初典型的屋顶电池板：晶科能源的Tiger Neo 420瓦。它的尺寸是1722×1134毫米，重22千克。3.2毫米厚的玻璃下面，是108片硅做的半片电池，排成6列18行。电池板没有活动部件，也不储存电能。只有光照在它上面时，它才发电。更新的电池板用的电池片更大，正反两面都是玻璃，但原理完全一样。
铭牌上写着420瓦。这是电池板的额定功率，是在测试用的标准光照下测出来的：光照1000瓦/平方米，电池片温度保持在25°C。在这种测试里，它能把21.5%的光能变成电。真实的屋顶可没这么理想。在北纬40°一个晴朗春日的正午，照到板上的光约为970瓦/平方米，电池片的温度也比25°C高得多。所以它只能发出约380瓦，是铭牌数值的90%。热会吃掉功率，最后一章会细讲。
电池板要做三件事。先是接住光。再用这些光在硅里释放出电子。然后把这些电子汇成电流。墙上的一个盒子，也就是逆变器，再把这股电流变成家里能用的电。下面每一章讲其中一步。拖动时间轴可以让太阳移动，调节播放速度可以让一天过得更快或更慢。拖动模型可以旋转它。打开太阳轨迹、放大的电池片、电流流动或标注，还能看到更多。
02
迎着正午的太阳倾斜
模型展示的是春分或秋分这一天，也就是三月或九月里昼夜差不多一样长的那天。在北纬40°，大约是马德里、费城或北京的纬度，太阳在太阳时06:00从正东升起，18:00从正西落下。太阳时跟着太阳本身走，正午就是太阳升到最高的那一刻。今天这一刻，太阳高出南方地平线50°。电池板面朝南方，向后仰着，迎向正午的太阳。
光斜着照到一个面上，会铺开到更大的面积，每平方米分到的就少了。拿手电筒正对着墙照，再把它斜过来：光斑会变大，也会变暗。这就是余弦定律，也是太阳和电池板之间的角度这么要紧的原因。正午时，阳光几乎正对着这块电池板照下来。一早一晚，阳光斜得很厉害，被摊得很薄。
空气也有影响。正午时，阳光穿过的空气，是太阳在头顶正上方时的1.3倍。这个数叫作大气质量。日出和日落前后，光在空气里要走长得多的路。空气把大部分蓝光散射掉了，所以低处的太阳看起来发橙发红，能穿过来的能量也少得多。正午时，照到这块电池板上的光约为970瓦/平方米。如果它平躺在屋顶上，或者像墙一样竖着，得到的光都会少一些。
在春分和秋分，最佳倾角等于纬度，也就是40°，这块电池板的35°也差不多一样好。屋顶上的电池板不会跟着太阳转：装在住宅上，电机既花钱又加重量，很少划算。还有一部分光来自整片天空，而不只是太阳本身。正是因为有这种散射光，云会让发电量下降，但不会让它停下来。模型里是教科书式的晴空，没有云，也没有周围物体投下的阴影。拖动倾角，或者跳到一天中的三个时刻看看。
03
一块大半是玻璃的三明治
把电池板拆开，你会发现它是一块从正面一层层叠起来的三明治。最上面是3.2毫米厚的钢化超白玻璃。厂家选它，是因为它便宜、结实、稳定，而且非常透明。经过钢化，它足够坚固，扛得住积雪。玻璃表面还镀了一层减反射膜，让反射掉的光更少，到达电池片的光更多。在模型和放大图里，这些薄层都画得比实际厚很多。
玻璃下面是一层透明、发黏的薄膜，叫封装胶膜，通常是一种叫EVA的塑料。在工厂里，整叠材料会被加热，胶膜把各层粘成一整块密封的板，里面没有空气，也没有水。接着是电池片：大约七分之一毫米厚的硅片。细细的导线横穿过它们，把电流引走。这块电池板用的是许多根细圆线，而不是几条扁平的带子。电池片下面还有第二层封装胶膜。
电池板的背面是一层坚韧的塑料薄膜，叫背板。它挡住潮气，也让线路绝缘。阳极氧化铝边框包住四边，让电池板更坚固，也让安装夹具有地方夹。背面还装着接线盒，板里的线路从这里接到电缆上。盒里还有三个旁路二极管，讲接线的那一章会解释它们。按重量算，电池板大约四分之三是玻璃。真正干活的硅，只占其中一小部分。
电池片看起来几乎是黑色的。裸露的硅闪闪发亮，会把很多光反射回去。所以每片电池的表面都被蚀刻出细小的金字塔，再镀上一层薄薄的氮化硅。这层膜的厚度经过调校，让它反射得很少，你看到的颜色也由它决定。黑并不代表更好：这款电池板的全黑版本，额定功率反而略低一些。拉开各层，再选一层，看看它是什么做的，起什么作用。
04
一个光子，一个电子
光由一个个微小的能量包组成，叫作光子。硅吸收一个光子时，可能会把一个电子从束缚它的化学键上震下来。这个电子就能在晶体里自由游走了。它原来的位置留下一个空缺，叫作空穴。空穴也会游走，就像水里的气泡。一个光子最多只能释放出一个电子。在充足的阳光下，一片半片电池每秒释放出约4×10¹⁹个电子。电池板上方放大的那块切面，展示的是一片电池片工作时的样子。
光子至少要有1.12电子伏的能量，才能释放出一个电子。这就是硅的带隙。光越偏蓝，每个光子带的能量越多：400纳米时是3.1电子伏，600纳米时是2.1电子伏，1000纳米时是1.24电子伏。波长超过约1100纳米的光子能量太低，会直接穿过去。这部分约占阳光能量的19%，光子数的三分之一。偏蓝的光子带来的能量比需要的多，多出的部分变成热，约占阳光的30%。这两项损失，是单一材料电池的效率无法超过约33%的主要原因。
每种颜色的光在不同深度被吸收。400纳米的蓝光在最表面的0.1微米内就被吸收了。680纳米的红光能到约4.5微米深。1000纳米的红外光能走156微米，比整片140微米厚的硅片还深。所以电池片要靠陷光：金字塔让光斜着射进去，电池片背面再把光反射回来，让它再走一趟。硅电池效率的上限是29.4%，最好的硅电池已经做到28.1%。一块典型的新电池板，效率约为22%到23%。
被释放出来的电子和空穴，必须赶在再次相遇之前分开。电池片里有两种特别的层：一层只让电子通过，把空穴挡住；另一层正好相反。这些层就像单向门，于是电子堆在一边，空穴堆在另一边。这种不平衡就是电压，每片电池约0.7伏。在这种n型电池里，电子从背面离开，空穴从正面的银细栅线离开。切面里只画了一根银细栅线，没有画主栅线。拖动滑块换换光的颜色，看看每种光停在哪里。
05
最弱的一片说了算
一片电池只有约0.7伏，远远不够带动任何东西。所以电池片像链条一样一环接一环地串联起来，电压就加在一起。这块电池板相当于54片电池串成一串，不接负载时是38.1伏，在最佳工作点是31.5伏。同样的电流流过每一片，在测试光照下满功率时约为13.3安。电子本身只是慢慢漂移，每秒大约一毫米，甚至更慢。跑得快的是能量。
链条的强度取决于最弱的那一环。如果一片电池被遮住，它产生的电流就少了，会拖住其他所有电池片。阳光下的电池片甚至会迫使电流反向流过它，它们的功率在这一片里变成热，形成热斑。所以接线盒里装了三个旁路二极管，每个守护三分之一块电池板。阳光充足时，它们都不工作。当阴影把其中某一部分拖累得太厉害，这部分的二极管就会导通。电流从旁边绕过这一部分，损失约0.4伏。这样，一片电池被完全遮住，只会损失约三分之一的功率，而不是全部。
这块电池板采用半片技术：每片电池都切成两半。电池板的上半部分和下半部分是并联的，所以108片半片电池仍然相当于54片电池串联。电压保持不变，而每片半片电池只承载一半的电流，导线里以热的形式损失的功率就少了。当阴影盖满整条底边时，半片技术的好处最明显。电池板分成三部分，每部分都有上下两串电池片，上面那几串照样工作，保住约一半的功率。一块老式的60片电池板，这里画成同样大小，却几乎什么都保不住：它的三个部分都伸进了阴影里。
图表画的是电池板的电流随电压的变化。什么都不接时，电压最高，没有电流。把两根导线直接接在一起，电流最大，电压为零。功率等于两者相乘，它在曲线的拐弯处达到最高，这一点叫最大功率点。阴影会让曲线出现台阶和额外的峰。真实的电池板里，线路藏在电池片后面；这里每一串都画成正面的一条彩色线。阴影是斜着进来的，所以最先暗下去的是一个角。选一种排布，让阴影慢慢爬上来，看三个部分依次停止发电。
06
从屋顶到墙上的插座
电池板发出的是直流电，只朝一个方向流。家里用的是交流电，每秒来回变换方向很多次。墙上的盒子，也就是逆变器，负责把前者变成后者。它既不发电，也不储存电。进来的电能，它能传出去约96%，剩下的变成一点热量散掉。琥珀色的小点显示能量的去向：直流电从电池板流到逆变器，交流电再流到电表，进入家中。
逆变器还让电池板保持在最佳状态。最大功率点一整天都在移动：电压随电池片温度变化，电流随光照变化。所以逆变器要一点点摸索过去，这个办法叫最大功率点跟踪。它把电压稍微调一下，看看功率怎么变。功率上升了，就继续往同一个方向调；功率下降了，就往回调。就像在雾里爬山的人，它总能待在山顶附近。
热是电池板的敌人。温度每比25°C高出一度，这块电池板就损失0.29%的功率。这个数字就是它的温度系数。老一代的PERC电池板每度损失0.35%。晴天里，电池片温度约为45到65°C。正因为这样，这个晴朗春日的正午只能发出约380瓦，而不是420瓦。炎热夏天的屋顶上，损失还要更大。所以寒冷的晴天胜过炎热的晴天：电池板靠的是光，不是热。模型里的气温按一个温和的春日变化。
一个晴朗春日发的电，够一台冰箱用大约两天，或者给笔记本电脑充电约50次。在这个纬度，一块电池板一年约发电600到700千瓦时。每千瓦的电池板，在伦敦或柏林一年约发电1000千瓦时，在凤凰城约1800千瓦时。质保承诺30年后仍保有87.4%的功率。电池板约用一年就能收回制造它所耗的能量。算上整个寿命，它每发一千瓦时电，约产生40克二氧化碳。2025年，太阳能约占全世界发电量的8.7%。拖动温度滑块，或者让它跟着这一天变化。