【國中自然】2013-04-01太陽能與光電效應520 期
https://www.scimonth.com.tw/archives/6071
【國中自然】2022-09-16讓再生能源更有效率 AI智慧化維護檢測太陽能發電系統489 期
https://www.scimonth.com.tw/archives/5941
【國中自然】2020-08-15空汙程度的變化將影響太陽能發電效率464 期
https://www.scimonth.com.tw/archives/4422
科學月刊 https://www.scimonth.com.tw/
科學月刊647期202311月號P66_PM2.5與酸雨污染11211
南臺灣的空污比北部嚴重？從科學數據看 PM2.5 與酸雨污染現況/科學月刊647期202311月號P66_PM2.5與酸雨污染11211
【參照資料：十二年國教自然科領綱】
【來源網站：十二年國教課程綱要-領域/科目課程綱要】
【參照資料：請根據 十二年國教-議題融入說明手冊 中 19 項議題為主】
《科學月刊》提供之文章作為主題：檔案連結。
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1RB6-_UTgWze4AZMJyfBvwma_hm1QC7nQV5X4H06ZqZs/edit#gid=0
科學月刊:太陽能與光電效應520 期 (2013-04-01)
https://www.scimonth.com.tw/archives/6071
Author 作者賴昭正／美國芝加哥大學化學博士。
隨著第三世界的快速工業化，人類對能源的需求也顯著地急增；傳統石化工業所依賴的石油，不但將有用罄的一天，其所造成的環境汙染，更是人類要提早面對的問題。因此世界各國都在積極尋找「永遠用不完」，且無環境汙染的替代能源。這些所謂的「綠色工業」中，發展較快且又有相當大進展的應該首推太陽能面板的開發。然而有多少讀者了解，太陽能面板的物理不但是促進現代量子物理的大功臣，也是愛因斯坦獲得諾貝爾物理獎的最主要理論貢獻呢？！
太陽能
太陽一天所放射出的能量，足供人類一年所須；可是還好只有大約百億分之一的能量抵達地球，否則地球應該早就被全部蒸發掉了。但儘管如此，這「一點」能量已是地球上所有動、植物進化及生存的原動力。
太陽表面溫度約為6000℃，所發射出來的能量（電磁波）分布如圖一所示。可見光以上之輻射（如紫外線）大都為臭氧及大氣層所阻擋（吸收），因此未能抵達地球表面；否則因適者生存的演化，X– 光今日可能不是一種對人體有害的輻射！我們從圖一可以看到：五官中最重要的器官——眼睛——所能感應到的電磁波範圍，正是太陽能分布中最強的部份（占47％）：我們因之稱此範圍為可見光，其波長大約在390~750奈米（10-9 公尺）之間！你說這是巧合還是演化的必然結果？事實上不僅人類及大部份動物如此，大部份植物也是利用可見光來進行其生存與繁盛所必須之光合作用的！
圖一：太空中之太陽能分布情形。因空氣之關係，太陽能抵達地面之分布大不相同。（作者提供）
波長在750奈米至1毫米之間的輻射，大約占太陽輻射能的46％，因在可見紅光之外，我們稱之為紅外線；它的主要作用是讓我們感到熱與溫暖。比紅外線波長更長的輻射也許因為強度太低，因此似乎與動、植物的演化與生存沒有太大的關係；但當中所謂微波及廣播波帶卻是近代文明社會通訊的主要工具。
雖然地球上之植物顯然有效地利用太陽能，但這些利用似乎是「消極」地：為了生存與繁殖！自18世紀中之工業革命後，人類似乎突然領悟到了我們可以創造出許多不同的機器來代工及改進我們的生活品質。這些機器均需要能源驅動，因此隨著全世界人口的不斷增加及各國的工業化，我們對能源的需求也不斷地提高與迅速化！我們終於理解到煤及石油等（也是靠太陽能經千萬年儲存下來的產物）不但製造了空氣汙染，且終有用磬的一天！因此「積極」開發太陽能的直接利用已是近代文明社會的主要課題！
風力及水力等綠色能源的開發，均是大家耳熟能詳的技術。這些技術的最終來源雖然也是太陽，但技術本身卻是在探討如何有效地利用風力及水力等，因此是一種「間接」的太陽能利用技術。我們在此所要探討的，是如何有效地「直接」以太陽能來發電。它所憑藉的物理現象—— 光電效應（photoelectric effect）——雖然早在十九世紀末時就已經被科學家所發現，但其理論基礎不僅是近代量子物理的產物，事實上還是推動其發展的先鋒！
光電效應
1900年底，德國物理學家普朗克（M. planck）為了解釋圖一之「黑體輻射」的能量分布，被迫大膽地提出了「物質只能以小包裹的形式吸收或釋放輻射能」，率先敲響了量子物理革命之鐘！他之所以「大膽」，乃是因為此一觀念完全違反了那時已被廣為證實與接受的馬克士威（Maxwell）電磁理論。這一理論完全肯定了光及電磁波的波動性，因此它們與物質的作用也應是連續性，不應是包裹的交換形式。普朗克之所以「被迫」，乃是因為他實在想不出其他的解釋方法。此後的十幾年，他便一直在努力地想使他的量子觀念能容於古典力學裡；可是每次嘗試的結果，似乎均使自己失望得想收回那革命性的「大膽假設」而已〔註一〕。
1905年，一位名不見經傳的瑞士專利局小職員愛因斯坦不但不為普朗克擔憂，他反而火上加油，提出「事實上光本身就具有粒子（小包裹）性」！經他計算的結果，這小包裹的能量正好就是普朗克被迫所提出的：hv（與頻率v 成正比，比例常數h現稱為普朗克常數）！這不可能是巧合，因此理論上普朗克應該是很高興才對；但事實正好相反：1913年當普朗克等人推荐愛因斯坦為普魯士皇家科學院士時，他們的決議書這樣寫著：「……總結而論，我們可以說在近代物理的肥沃土地上，幾乎每一個大問題裡都有愛因斯坦的重要貢獻。因此在其大膽的假設下——例如『光量子』，他雖然有時過分越了軌，但我們不能因此而否定他。因為即使在最嚴格的科學領域，要提出一個前所未有的新觀念，有時也是必須冒點風險的。」
確實，當時像愛因斯坦這種無名之輩（1905 年時），如果沒有幾張王牌來支持他的論點，他的論文是決不可能被德國的著名物理期刊接受發表的。這幾張王牌中，最主要的就是輕易地解釋了光電效應。1900年時，物理學家早已發現了電子，也了解到物質是由電子（及其它東西）組成。光是一種電磁波，因此它與物質作用能將電子釋放出來（光電效應），應該是不值得大驚小怪的。問題出在依馬克士威的理論，釋放出來的電子速率應隨光強度的增加而增加——但這卻不是勒納（Lenard）在實驗中所發現的！依愛因斯坦之「光量子」說，增加光強度只是增加小包裹的數量，因此只能多打一些電子出來，不能增加電子的速率——這正是實驗上所觀察到的！要增加電子的速率，則必須提高光的頻率（因光量子的能量與頻率成正比）。愛因斯坦更於1906年，用高中就能懂的算術及能量不滅定律，提出了一個速率與頻率關係之定量公式。密立根（millikan）於1914 年非常精確地證實了此公式的正確性，愛因斯坦也因之於1921 年獲得了諾貝爾物理獎〔註二〕，密立根也於兩年後因此一實驗而得獎。……【更多內容請閱讀科學月刊第520期】
註一：詳見賴昭正所著《量子的故事》，第二版，凡異出版社，2005 年。
註二：相信不少讀者都以為愛因斯坦因相對論而獲諾貝爾獎，但官方的聲明則是因他「在理論物理的貢獻，尤其是發現光電效應的定律」。
太陽光電原理 簡介
影片 豔陽源源 供電不絕 太陽光電原理 簡介 科技大觀園20190102recut (精簡版共34秒)
影片 豔陽源源 供電不絕 太陽能光電板種類與原理 簡介 科技大觀園20190102cut (摘要版共2分51秒)
影片 豔陽源源 供電不絕 太陽光電原理 簡介 科技大觀園20190102(完整版共6分01秒)
豔陽源源 供電不絕 科技大觀園 2019年1月2日
以上影片來源為 豔陽源源 供電不絕 科技大觀園 2019年1月2日(完整版共6分01秒)
YouTube 影片 https://www.youtube.com/watch?v=LTB3df3vLk0
影片 豔陽源源 供電不絕 太陽光電原理 簡介 科技大觀園20190102recut/(精簡版共34秒)
YouTube 影片 https://youtu.be/8xZ1lmjoRMI
影片 豔陽源源 供電不絕 太陽光電原理 簡介 科技大觀園20190102cut(摘要版共2分51秒)
YouTube 影片 https://youtu.be/AMH2Gj0725Q
OpenShot 影片編輯器 https://www.openshot.org/zh-hant/download/
【觀念】光電效應
均一教育平台 量子現象(自然 高中 高中物理 選物V電磁現象二與量子現象 量子現象)
高中物理_物理_1-6 量子現象-光電效應_光電效應的實驗結果_吳原旭
YouTube 影片 https://www.youtube.com/watch?v=KfLtFt0KRLE
觀看次數：8,278次 2019年8月2日 [高中]基礎物理(一)_量子現象
#高中物理 #量子現象 #電磁波 #底限頻率 #光電流 DeltaMOOCx 台達磨課師是高中/高工及大學的免費公益磨課師（MOOCs）平臺。練習題、討論、教師輔導及更多數位課程資源，請至https://high.deltamoocx.net 註冊。本影片採用「創用CC-姓名標示-非商業性-禁止改作4.0」臺灣授權條款，相關授權作業依「創用CC-姓名標示-非商業性-禁止改作4.0」規範辦理
量子現象【觀念】光電效應（4／4）：光電方程式（選修物理Ⅴ）
YouTube 影片 https://www.youtube.com/watch?v=fllbPmRVLKs
觀看次數：15,652次 2019年2月25日 選修物理Ⅴ-02.量子現象
講義下載區https://sites.google.com/site/phyelea... 這是由吳旭明老師及蔡佳玲老師所建立的免費數位學習內容 更完整的課程結構請參考「播放清單」或至下方網頁觀看 高中物理線上學習網https://sites.google.com/site/phyelea... #高中物理 #108課綱 #選修物理 #量子物理 #量子論
精選播放
YouTube 影片 https://www.youtube.com/playlist?list=PLTQ2T0cDHYPdGu1Ledlo3CM9pfXEvmHOE
YouTube 影片 全部播放
選修物理Ⅴ-02.量子現象
YouTube 影片 31 部影片 觀看次數：183,682次 上次更新日期：2022年1月4日
這是由吳旭明老師及蔡佳玲所建立的免費數位學習內容 更完整的課程結構請參考「播放清單」或至下方網頁觀看 高中物理線上學習網https://sites.google.com/site/phyelearning/
量子現象【觀念】光電效應（3／3）：光量子論（高一物理）
YouTube 影片 https://www.youtube.com/watch?v=e6Kh9Ide5QA
YouTube 影片 https://www.youtube.com/watch?v=fou0zyfOwg0
YouTube 影片 https://www.youtube.com/watch?v=BSiSjH-lOAs
04高一物理 第六章 光電效應實驗分析與儀器講解
太陽光譜依波長的升冪排列分成五個區域 (引用自：Mark F. Naylor & Kevin C. Farmer; Sun damage and prevention; http://telemedicine.org/sundam/sundam2.4.1.html)：
1. UVC (Ultraviolet C)：波長範圍100~280 nm。UVC屬於不可見光範圍，由於它會被大氣層吸收，因此只有非常少量能夠抵達地球表面。這種輻射光譜的特性是具有殺菌力，故殺菌燈的波長多半落在這個範圍。
2. UVB (Ultraviolet B)：波長範圍280~315 nm。它也被大氣層大量的吸收，並且和UVC一起導致光化學反應製造出臭氧層。
3. UVA (Ultraviolet A)：波長範圍315~400 nm。一般認為它對DNA的傷害最小，因此常用來曬黑和做為牛皮癬的PUVA療法。
4. 可見光 (Visible)：波長範圍400~760 nm。如同名稱，這是肉眼可以看見的範圍。
5. 紅外光 (Infrared)：波長範圍760 nm~1 mm。在到達地球的電磁輻射中它們是很重要的一部分，依據波長可以分成三種類型：
紅外光-A：760 nm至1,400 nm
紅外光-B：1,400 nm至3,000 nm
紅外光-C：3,000 nm至1 mm
太陽光譜會隨著時間、大氣層厚度、雲層厚度等因素，影響太陽光頻譜分布與強度，經由空氣分子的散射也會產生許多漫射光。
圖1. 大氣層表面與海平面的太陽輻射光譜圖
(引用自維基百科， https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight)
大氣質量 (Air Mass, AM)：定義為大氣對地球表面接收太陽光的影響程度，不同的Air Mass亦代表不同的太陽光譜。太陽光的仰角隨時間而變動，當太陽在不同仰角時，光線會經過不同厚度的大氣層，此即Air Mass。
圖2. 不同的大氣質量代表不同的太陽光譜
大氣質量定義公式：AM＝ 1/cosθ， 其中θ為陽光與地面的夾角。
AM0:
大氣層外的光譜，近似於5800K黑體，稱為“AM0”，意思是“零大氣”。用於太空電力應用的太陽能電池，如通信衛星上的太陽能電池，通常使用 AM0 光譜來表徵。
AM1:
根據定義，太陽直接從頭頂垂直穿過大氣層到達海平面的光譜被稱為“AM1”。這意味著“一個大氣”。
AM1.5:
1.5 個大氣厚度，對應於太陽天頂角 θ=48.2°。AM1.5下的日光照度為 109,870 勒克斯 （對應於 AM1.5 光譜為 1000.4 W/m2）。
圖3. AM0 和 AM1.5G 的光譜參考
AM 1.5D:
太陽光以夾角θ=48.2˚穿過1.5倍大氣層厚度，直達測試平面的直達輻射。
AM 1.5G:
太陽光以夾角θ=48.2˚穿過1.5倍大氣層厚度，到達測試平面的全部輻射照度，包含直達輻射和各角度的漫射輻射。
AM 1.5G與AM1.5D的差異
太陽輻射是指太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。地球所接受的太陽輻射能量僅為太陽總輻射量的二十億分之一。常見的太陽輻射名詞有：
直達輻射 (Direct)：太陽光穿透大氣層時，一部分直達地面，不改變其輻射方向。
漫射輻射 (Diffuse)：另一部分被大氣層反射和散射後發生方向改變的太陽輻射。
全空輻射 (Global)：經過大氣層削弱後到達地面的太陽直達輻射和漫射輻射之總和。
其三者關係如公式：Global= Direct * cos(θ)+Diffuse
AM1.5G 和 AM1.5D 光譜的輻照強度以 SMARTS v 2.9.2 計算，根據國際標準 IEC 60904-3-Ed2。在光伏和太陽能電池 IV 測試應用中，AM1.5G 是用於地面光伏測試的標準太陽光譜。一個太陽條件下的輻照強度為 1000 W/m2。 對於聚光光伏設備，太陽能電池只能收集和感知直射部分的太陽輻射，因此，通常採用 AM1.5D 光譜作為其測試標準光譜。 AM1.5D在單太陽條件下的輻照強度為900 W/m2。
太陽常數是測量每單位面積的平均太陽電磁輻射（總太陽輻照度）的通量密度。它是在垂直於光線的表面上測量的。地球的截面積是127,400,000 平方公里，故整個地球接收到的功率是1.74×1017瓦特。
由於太陽表面常有有黑子等太陽活動，故太陽常數並不是固定不變的數值；一年當中變化幅度約在1 %左右。以人造衛星測得的數值是每平方米約1366瓦特 (AM 0 =1366 W/m2)，這個強度也稱為 AM0 一個太陽強度，即 AM0 光譜下的太陽強度。
有幾個用於評估太陽模擬及其範圍的國際標準。
太陽光穿過大氣層時，會受到空氣分子的影響而產生許多漫射光，當入射角度不同，太陽光通過大氣層的距離不同，發生散射的程度也隨之而異。這就是本文前述的大氣質量(Air Mass, AM). ASTM (美國材料與試驗協會)與IEC (國際電工委員會)制定了AM光譜輻射照度的標準值如下表，定義了不同光譜的輻照強度：
點此可下載AM0, AM1.5G與AM1.5D光譜數據：
表 1: ASTM三種標準光譜各波長範圍的輻照度占比
資料來源: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_simulator
根據 IEC 60904-9，描述太陽模擬器為：配置有光源且其光譜分佈近似於自然太陽光的設備，可用於評價光伏器件特性。因此，太陽光模擬器是一種人造光源，可以產生或模擬具有與太陽光相似的光譜分佈及光強的光。
許多不同類型的太陽光模擬器可用於確定 PV 器件的電流-電壓 (I-V) 特性。通常，使用單燈系統太陽光模擬器來檢查時，需將光伏器件放置在指定的測試區域；若為多燈系統，則應將光伏器件置放於光錐疊加的位置。各類型太陽光模擬器使用距離說明如下：
脈衝式單燈或多燈太陽光模擬器在暗室中運行，光源與光伏器件的距離通常為數米。使用擋板來抑制牆壁的內部反射。
脈衝式太陽光模擬器在封閉空間內運行，光源與光伏器件的距離通常小於一米。漫射器和反射器可用於實現指定的輻照度空間均勻性。
穩態單燈或多燈太陽光模擬器在暗室中運行，光源與光伏器件之間的距離通常為數米。
基於 LED 的多燈太陽光模擬器在光源和光伏器件之間的距離通常小於一米時運行。
太陽光特性 圖片搜尋11209