【无标题】 - 技术栈

什么是太阳光谱?

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-A：760 nm 至 1,400 nm（近红外，最贴近可见光）
- 红外光-B：1,400 nm 至 3,000 nm（中红外）
- 红外光-C：3,000 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 $nm$	AM1.5D	AM1.5G	AM0
300--400	no spec	no spec	4.67%
400--500	16.75%	18.21%	16.8%
500--600	19.49%	19.73%	16.68%
600--700	18.36%	18.2%	14.28%
700--800	15.08%	14.79%	11.31%
800--900	12.82%	12.39%	8.98%
900--1100	16.69%	15.89%	13.5%
1100--1400	no spec	no spec	12.56%

表 1：ASTM 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。

AM1.5D（D = 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。

AM1.5G（G = 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⁻¹	3.986×10¹⁷ 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 0	ASTM E490	1366.1	太空里的阳光，卫星用
AM 1.5 G	ASTM G173	1000.4	地面全光（直射+漫射），最常用
AM 1.5 D	ASTM G173	900.1	地面直射光，聚光设备用
AM 1.5 G	IEC 60904-3	1000	同上，IEC 版的取整写法

记住三句话就够了：

AM0（1366 W/m²）= 太空出厂版阳光，给卫星用；

AM1.5G（1000 W/m²）= 地面完整版阳光，直射漫射全算上，普通电池都测它；

AM1.5D（900 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」。