2021年10月15日 | “充电桩杀手”出现，太阳能能否引领电动汽车补能革命？

最近，在一段网传视频中，一台贴着小米logo的概念车，打开行李架竟然能升起来一束像扇子一样打开的太阳能充电板，犹如孔雀开屏。虽然视频有点假，但这阵势已经有了一种科幻电影的感觉。

而前段时间刚刚发布的小鹏P5，高配车型也能选装太阳能车顶，行驶过程中，可以利用太阳光的能量为车载电器（包括香氛、扬声器等等）提供电能，停车时如果车内温度过高，还可以直接驱动鼓风机，为车内持续降温。

实际上小鹏P7的太阳能车顶“并不孤单”的，在高配Aion S、新版索纳塔HEV、新版丰田普锐斯PHEV等众多车型上，都能发现太阳能车顶的身影。

恰好社长最近的文章里，也收到了一位小伙伴的留言：以后电车就用光充电了，还换什么电？

想象一下，以后的电动车都头顶“向日葵”，完全不用再插枪充电的场景……

好像的确是挺香的。

不过回到现实中，太阳能车顶真的能代替充电桩给电动车补能吗？未来会如何发展？

光伏电池又是怎么把光变成电的？

社长恰好有个朋友是学光伏专业、又做了几年光伏行业研究员，在一顿烧烤的威逼利诱之下，给我讲了很多。今天的内容有些硬核，大家缓慢食用。

01.  光怎么变成电？

如今我们所大规模应用的光伏电池都是基于半导体制成的，不过半导体到底是什么东西？

铜、铁、铝这种能导电的材料是导体，橡胶、塑料、石头这种不导电材料是绝缘体。

从定义上来说，半导体是指的导电性介于导体和绝缘体之间的物质。

光看定义的话是不是还是觉得云里雾里，不知所云？

不过没关系，社长来给大家举一个例子。

一个原子就像一个迷你的太阳系，由许多带负电的电子围绕着带正电的原子核组成。

高中物理中讲过，物质导电的必要条件是物质拥有能自由移动的带电微粒。

从微观来看，如果一个原子最外层有8个电子，电子就会在自己的轨道内稳定运行，既不容易失去电子也不容易得到电子，从宏观来看，其导电性就会很差。

硅是我们目前各种半导体材料中用得最多、影响力也最大的一种材料，说硅是半导体产业的基石也毫不为过。

硅原子的最外层有4个电子，都是可以自由移动的，按理来说硅的导电性能应该很不错才对，但事实上晶体硅几乎不导电，社长最开始怎么也想不通。

后来看到了晶体硅的结构示意图，社长恍然大悟。

晶体硅由无数个硅原子组成，硅原子与硅原子之间像手牵手一样，最终每个硅原子都“找到了朋友”，巧妙地凑成了最外层8个电子的稳定状态。这时晶体硅内部的电子被“锁”的死死的，没有可以自由移动的电子。

如果我们强行“塞”给晶体硅一个可以自由电子，晶体硅是不是就能导电了？

磷原子很适合当这个“捣蛋鬼”！它最外层有5个电子，恰好比硅多一个。

把磷原子“塞”进晶体硅里之后，恰好多了一个“没人要”的电子，而这个多出来的电子恰恰赋予了晶体硅导电的能力。

同理，硼原子最外层有3个电子，相比硅来说少一个电子。

把硼原子“塞”进晶体硅里，就形成了电子空穴，电子空穴也可以被视为可自由移动的带电粒子，所以掺杂了硼的晶体硅也可以导电。

如果我们把硅一端掺杂硼，另一端掺杂磷，就相当于把原本中性的硅，人为制造了一个正负极（我们通常把它称为“PN结”）。

PN结的负极里由于掺杂了磷，存在大量带负电的电子；正极里由于掺杂了硼，存在大量带正电的电子空穴。

当太阳光照射到PN结上的时候，神奇的现象发生了！光激发了PN结内部的活性，让电子空穴在正极的一端聚集，而电子在负极的一端聚集，光照强度越大，聚集在两极的带电粒子就越多。

电子和电子空穴渴望两两结合、相互抵消，这时我们推波助澜，用导线将PN结的两极连接起来，创造一个通道，电流就会顺着导线从正极流向负极。

这里光就相当于一个外力，推动电流流动，光照强度越大，电流就越大，光伏发电就是这样把光变成电的。

02.  光伏的诞生与成长

光伏产业可以算是中国领先全球的代表性领域了，但实际上，光伏并不是中国人发现的。

时光追溯到19世纪初法国工业革命时期，法国科学家们如雨后春笋般涌现。

贝克勒尔家族是当时最负盛名的物理学世家，连续四代人世袭了法国国立自然史博物馆物理学教授之职，时长达80余年之久，发现“光伏”的正是这四代人中的第二代。

第一代A.C.贝克勒尔对光学、矿物学、电化学等领域研究颇深，是人类历史上最先研究如何用电发光的人。

第二代A.E.贝克勒尔是A.C.贝克勒尔的次子，他继承了父亲的优秀基因，从小就展现出极强的求知欲和研究天赋，他正是“光伏之父”。

刚刚成年的A.E.贝克勒尔因成绩优异，时同时获得了法国两所顶级院校的录取通知，但他全都拒绝了，决定到自然史博物馆给任物理学教授的父亲当助手。

他在辅助父亲用化学电池做电发光试验的过程中，突发奇想：既然电可以变成光，那么反过来，光是不是也可以变成电？

某一天，19岁的A.E.贝克勒尔偷偷跑进父亲的实验室，模仿父亲的做法，将两片金属浸泡在溶液中，照猫画虎的攒了一个可以将化学能转化为电能的溶液电池。

他把溶液电池放到阳光底下照射，他惊奇的发现，电池产生的电压竟然变高了！

发现了这一现象后他欣喜若狂，连夜把所观察到的现象记录了下来，并写成了一篇论文，论文中他给这种现象起了个名字叫做“光生伏特效应”，简称“光伏”。

也许A.E贝克勒尔当时怎么也想不到，经历了一个半世纪后，光伏一词不但沿用至今，还成为了推动世界能源变革的主力军。

虽然A.E贝克勒尔发现了液体光伏效应，但这离我们应用最为广泛的晶硅光伏电池还有点距离。

这里不得不提到现代光伏诞生的地方……美国贝尔实验室，全球最强大的科学研究机构之一，堪称诺贝尔奖的摇篮。

恰宾和皮尔松是两位贝尔实验室的半导体专家，1954年的某一天，他们在用半导体做光学实验时意外的发现，晶体硅在掺杂其他元素后也会产生光伏效应，于是顺着这一思路，他们首次制成了单晶硅太阳能电池。

单晶硅太阳能电池的发明引起了科学界的重大反响，许多学者都开始研究光伏电池技术与应用，5年时间里光伏电池的转化效率从6%幅提升至14%。

令人意想不到的是，光伏电池的首个应用案例并不是在“地上”，而是在“天上”。

1958年，美国先锋1号无线电通信卫星首次搭载了一块小型单晶硅光伏电池，功率仅0.1瓦，为备用话筒供电。

先锋1号发射后，其自带的化学电池系统仅运行了3月就因电量不足停止了工作，但令所有人都没有想到的是，当初仅仅为了尝试而搭载的光伏供电系统，却整整运行了6年之久。

光伏电池的长效供电直接“盘活”了航空航天，而航空航天也在反哺光伏，带来了全球光伏电池产能的大幅扩张。

如今，光伏已经在不知不觉中渗透到了我们的生活中，包括照明系统、屋顶发电、手持式计算器、太阳能充电宝、共享单车等等，应用案例数不胜数……

03.  一场无声的革命，正在进行

不得不说，太阳能车顶的确能让人感到科技感十足，让新能源汽车多了几分清洁环保的味道。

不过太阳能车顶究竟能产生多少电？是不是有了它就不需要充电桩了？

社长给大家算了一笔账。

充电速度取决于充电功率，普通家用慢充桩充电功率在6-8千瓦最为常见。

以小鹏P5的太阳能车顶功率只有62瓦，发一度电需要16小时。

其600km续航版本搭载了71.4度电的电池，假设小鹏P5只用太阳能车顶充电，从0-100%充电至少需要1142小时，假设每天有效光照时间为4小时，则需要9.5个月才能把小鹏P5的电充满。

这充电速度实在是……不敢恭维！

现在的太阳能车顶不能代替充电桩，是因为转换效率太低了吗？如果我们换上世界上转换效率最高的光伏电池呢？

目前效率最高的光伏电池“活”在美国国家可再生能源实验室里，距离量产遥遥无期，转换效率高达47%（一般量产晶硅电池的转换效率为18-23%），把它铺满整个车顶，光照强度为1000瓦每平米。

最终我们计算可以得出，用世界上转换效率最高的光伏电池作为太阳能车顶，一小时大概也只能发0.7度电，也就是一小时多5-6公里续航。

姑且算能用，但绝对算不上好用，想要完全替代掉慢充桩，差距还是很大的。

因为太阳光本身的能量就不高，所以要想让太阳能车顶的发电功率达到6千瓦慢充桩的水平，需要在使用目前转换效率最高的光伏电池的同时，把铺设面积扩大9倍，也就是13.5平米。

弄这么大面积的光伏板放在车顶给车充电，真是铺天盖地，估计是要被人投诉的。

所以，太阳能车顶真的要被“判死刑”了吗？

一些不可思议的故事，改变了社长对太阳能车顶悲观的态度。

实际上，早在20世纪70年代就有人想过，车能不能完全利用太阳能去驱动？

世界上最早的太阳能汽车于1978年在英国研制成功，不过由于太阳能板的发电功率太低，整车时速仅为13公里，更为详细的数据也无从考证。

不过，人们对于清洁能源是渴望的，他们在背后孜孜不倦地做着尝试，不知不觉的完成了令世界震惊的壮举。

2008年5月，瑞士中学教师 帕尔玛驾驶太阳能车来到中国，已成功完成了横跨三大洲、25个国家，长达3.1万公里的旅程！

帕尔玛11岁时就已经有了开着汽车去环球漫游的梦想，但是他的老师告诉他，地球正在变暖，南北两极的冰川正在融化，太多汽车排放了太多的废气。

帕尔玛一直希望能拥有一辆零排放的太阳能汽车，但20多年过去了，市面上根本买不到这样的车，不过他不打算因此放弃，他打算自己造一辆太阳能汽车。

他跑遍了全瑞士的四所理工大学，在他们的帮助下设计、制造了一辆太阳能汽车，然后他踏上了用太阳能汽车环球旅行的征程。

这辆太阳能汽车看起来十分破旧廉价，车头只有三个轮子、两个座位，车尾悬挂着一块面积巨大的太阳能电池板，但帕尔玛说，为了打造这辆车，花的钱基本上够买一辆法拉利的了。

“我只是一个普通的公民，仅凭我一人无法改变全球变暖，但我可以向大家证明，每个人都可以为环保贡献一份力。”帕尔玛说到。

像帕尔玛这样的“太阳能汽车狂热者”，世界上还有很多。

1987年，澳大利亚举行了首届世界太阳能汽车拉力赛。大赛的初衷是为了探寻太阳能汽车的极限，并呼吁人们减少对化石能源的使用。

赛程全长约3200公里，几乎纵贯整个澳大利亚，参赛团队必须驾驶以太阳能为动力的赛车，虽然中途允许给赛车动力电池充电，但充电功率不得超过5kW，随后的赛程只能靠太阳能或再生制动装置回收的电能跑完。

首次在大赛中，通用汽车打造的“圣雷易莎”号太阳能赛车以44小时54分的成绩夺得了冠军，其最高时速达到了100公里每小时，令人不可思议。

在此之后，澳大利亚世界太阳能汽车拉力赛每两年举办一次。

随着光伏电池技术的不断突破，转换效率有了突飞猛进的增长，同时，这些“玩”太阳能汽车的人，开始更加注重空气动力学设计、轻量化、电驱动效率等方面的优化。

2003年的澳大利亚太阳能汽车拉力赛上，由荷兰制造的“NunaII”太阳能汽车获得冠军，仅用30小时54 分的时间就跑完了全程，同时创造了太阳能汽车最高时速170公里的世界新纪录。

“太阳能汽车狂热者”们正在通过不懈努力，向世界证明太阳能汽车是可行且有存在意义的。

社长认为，太阳能车顶能否在补能环节大放异彩，除了光伏电池本身的效率提升和光伏发电系统成本下降以外，车本身的进步也十分关键。轻量化、超低风阻、高效电驱，带来足够低的电耗，所有技术齐头并进，太阳能车顶补能的未来才指日可待。

虽然现阶段，乘用车的太阳能车顶还无法做到代替充电桩，但它的出现预示着电动汽车未来的补能方式将不会仅局限于慢充、快充、换电这三种方式，太阳能补能将给我们带来更多的选择和可能性。

04.  写在最后

科技会如何改变这个世界，谁都无法预料。

很多时候，那些思路惊奇、行为激进、无法令人理解的尝试未能成功，并不是因为思路上的错误，而仅仅是因为时候未到。

达芬奇在1510年曾设计过一款飞行器，当时有很多抱有飞天梦想的人参照他的设计草图来制作飞行器实物，但无一成功飞行，后来渐渐地被人淡忘。

直到500多年后的21世纪，一些“闲得蛋疼”的加拿大人把达芬奇的飞行器手稿翻出来，按照他的设计思路再造了一次，而这一次却试飞成功了。当年的失败只是因为没有像现在一样轻便的材料。

我们再来看近期的小鹏，勇上激光雷达、率先在国内发布城市NGP、做飞行汽车、推出智能“马”……一系列操作让人一些人觉得过于激进、甚至有些疯狂。

何小鹏在去年对全体员工的内部邮件曾说过：要在激进的快跑中寻找平衡，而不是在稳健发展中寻求加速。

在尝试新兴事物的过程中，暂时的失败与成功都没那么重要，重要的反而是尝试本身。

一些人敢于敢于脑洞大开，做一些看似无厘头的尝试，往往得不到人们的理解。不过这也不重要，或许他们并没有活在当下，而是超前于时代，活在未来。