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光的属性

EM Spectrum
The electromagnetic spectrum.

 

我们每天看到的光只是在地球上接收到太阳所发出的总能量的一小部分。太阳光是“电磁辐射”的一种形式,而我们所能看到的可见光只是电磁波谱的一小部分,如右图所示。

电磁波谱将光描述为一种具有特定波长的波。19世纪早期,托马斯·杨,弗朗索瓦·阿拉戈和奥古斯丁·让·菲涅耳就通过实验显示出光束具有干涉效应,这表明光是一种波。到19世纪60年代后期,光已经被认为是电磁波谱的一部分。但是,在19世纪后期,基于波的方程无法解释加热物体波长光谱的测量实验结果,光的波属性问题因此变得突出。这种差异通过1900年的1和1905年的2 的工作得以解决。普朗克提出,光的总能量是由不可区分的能量元素,即量子所组成。爱因斯坦在检测光电效应(某些金属和半导体在受到光照时会释放出电子)时,正确的区分了量子能量的数值。通过这项领域的研究,普朗克和爱因斯坦分别获得了1918年和1921年的诺贝尔物理学奖。根据该结论指出,光可被视为由 “小包裹” 或能量粒子(光子)组成。

今天,量子力学同时解释了光的波动性和粒子性的现象。在量子力学中,像其他所有如电子,质子等量子力学粒子一样,光子被描绘为“波包”最为精确。波包被定义为波的集合,这些波的相互作用方式可能是波包表现出空间局部化(类似于由无数个正弦波构成的方波),或者只是一个简单的波。在波包空间局部化的情况下,它被充当粒子。所以,根据情况的不同,光子既可以表现为波,又可以表现为粒子,这个概念被称为“波粒二象性”。

因为光是一种被称为光子的量子力学粒子,因此对光属性的完整物理描述需要对光进行量子力学分析。对于光伏应用来说,则很少用到这类详细信息,因此我们在这里仅是简要描述光的量子性质。但是,在某些情况下(幸运的是,在光伏系统中很少遇到),根据这里给出的解释,光的行为可能会和我们的常识相违背。这里的“常识”是指我们的日常观察,不能依靠它来观测量子力学效应,因为这些现象发生在人类观察范围之外。有关光更多的最新解释,请参阅3. 下图是PVCDROM所描述的波包,即光子。

 

蓝光为高能光子

  红光为低能光子

 红外线为为能量更低的光子(实际为不可见光)

入射阳光有几个关键特性,这些特性对于确定其如何与光伏转换器或其他物体相互作用至关重要。这些重要的特性是:

 

  • 入射光的光谱图;
  • 太阳的辐射功率密度;
  • 阳光辐射入射到光伏组件的角度;和
  • 在某一特定面积上太阳一年或一天中所辐射出的能量。

在本章结束前,您将会熟悉上述的四个概念。