在我们开始建设清洁能源工厂之前，我们必须找到清洁能源的来源。在全球的能源需求达到数十太瓦的时候，我们的选择仅限于一种或者两种清洁能源，这就是太阳能和核聚变。地球接收到的太阳能大约为1.2×10¹⁷W，或者1.2×10⁵ TW，这超过我们目前消耗能源速率的大约7000倍。地球一小时接收的太阳能超过我们整个行星一年的总能量消耗。在可预见的未来之内，只有太阳能具有满足整个星球能源需求的能力。除了核聚变之外，没有其他的我们目前已知的清洁能源具有这样的规模，在未来的能源结构中，这些其他已知的清洁能源只能成为补充的能源来源。Lewis给出的关于清洁能源来源及其规模的更详细的分析可以在参考文献[7]中找到。除了太阳能和核聚变之外，其他的清洁能源包括风能、水能、生物质能、洋流、潮汐能、地热能和核裂变。有趣的是，除了海洋潮汐、地热能和核能之外，许多清洁能源也是源自太阳能的。太阳能利用所需要的土地也不是很大。把地球表面1%的面积铺上10%转换效率的太阳能转换装置就可以产生大约120TW的能量^[8]，这远远高于所预测的到2100年地球上的能量需求。

图1.4是在空气质量1.5（AM1.5）的情况下标准太阳光谱，也就是说太阳与天顶成48°角时的太阳光谱。这一光谱包含了从300～2500nm光谱范围的直射和散射的太阳光。AM1.5的太阳光强度大约为1000W/m²。太阳电池的效率通常是在这一光谱下测量的。图中的数据被转换为光子束流，也就是单位面积单位时间和单位波长下的光子数。这对于太阳能光伏来说比单位波长单位面积的以瓦特为单位的光谱辐照能量更实用，因为它代表了光子的数目而不需要是能量数。它决定太阳光所产生的载流子的数目。

图1.4 AM1.5的参考太阳光谱^[9]。也就是说太阳大约是在天顶约48°。这一光谱包含了直射和散射的太阳光，其总功率大约为1000W/m²。数据是以光子流为单位给出的，因为光子数决定了太阳光所能产生的载流子数。

目前核聚变还没有被证明为可控的和可靠的产生能源的方法，而多种太阳能利用技术已经获得产业应用。美国能源部的一个题为“太阳能利用基础研究需求”的报告提供了把太阳能从光能转换为其他多种更便于应用的能量形式的技术介绍^[8]。总的来说，有三种令人感兴趣把太阳能直接转换为其他形式能源的转换过程：

1）光电转换；

2）光化学转换；(www.daowen.com)

3）光热转换。

我们日常生活中最常见的两种能源形式是电力和石油。光电和光化学转换可以为化石能源以及化石能源产生的电力提供替代。虽然不如光电和光化学流行，热能也以热空气或者热水集中供热的方式在城市里出现。

与核能和燃煤发电工厂等受控的能量产生方式相比，太阳能是一种难以预测的能量来源。在给定的时刻，太阳与地球上任何位置的相对位置可以相当精确地预测，这确定了对这一给定位置当时太阳光强度的最大可能值。与这一数值相比，天气和人类活动诸如污染的影响更加难以预测。此外，我们的能量需求经常与通常在中午达到峰值的太阳能产生的周期不匹配。一旦太阳能转换为电能、化学能或者热能，经常需要为以后或者其他地域的需求进行能量的存储和输送。

太阳能到电能的转换采用光伏器件，包括光电化学器件。本书将提供太阳能光伏达到太瓦级的主要绊脚石和几个瓶颈问题的分析。特别是，本书将提供一个关于太瓦级太阳能光伏的自然资源限制的定量分析。光化学转换把太阳能转化存储在化学键里。产生的太阳能燃料可以采用与石油输运相似的方法运输。换句话说，光化学转换把太阳能产生和存储合并为一步，因此与其他两个转换过程相比具有先发优势。光化学转换的一个例子是光解水，即太阳能把水分子（H₂ O）分解为燃料氢气（H₂）和副产物氧气（O₂）。另一个可能是太阳能驱动的二氧化碳光化学还原为一氧化碳（CO），可以用于合成燃料的制备。一种今天常见的光热转换技术是屋顶上的太阳能热水器。它为数百万家庭提供低于100℃的热水。

人们也开发了集成两种转换过程到同一个系统的更为复杂的技术。这在聚光太阳能系统中体现的更明显，他们采用镜子或者透镜把大面积的太阳光聚焦到一个很小的面积上。在这样的系统的焦点上，液体被加热到约1000℃。所产生的蒸汽可以用于驱动传统的汽轮发电机。从原理上讲，高温同样也可以用于进行热化学还原把CO₂转化为CO用于合成燃料。聚光太阳能电力系统需要跟踪太阳的追踪系统，并且必须被安装在干燥的对直射太阳光没有遮挡的气候环境下。