1348
需用时 02:41
用蓝光光碟“造”太阳能电池

蓝光光碟以提供高存储容量和高品质影音著称。不过最近,美国西北大学材料科学与工程系黄嘉兴副教授的研究团队发现,只用蓝光光碟看片实在太屈才了——他们将成龙的《警察故事Ⅲ:超级警察》蓝光光碟上存储数据的图案,印在了太阳能电池片上,结果电池片能够吸收更多的光,转化效率(光能转化为电能)一下提高了22%。这项研究[1]发表于2014年11月的《自然·通讯》(Nature Communications)上。

难道成龙这部《超级警察》有神奇的力量,能帮科学家解决难题?当然不是。其实秘密在电影蓝光光碟的蚀刻图案上。

“起先我们预感,蓝光光碟或许能提高太阳能电池转换效率。经过实验发现,将光盘本身自带的图案印在电池上,效果很不错。”黄嘉兴表示,“其实电子工程师和计算机科学家在研究蓝光技术时,就已经无意中帮我们做了一些工作。”[2]

黄嘉兴的团队还尝试过各种蓝光光碟,从电影到电视剧,包括动作片、歌剧、纪录片、动画片和黑白电影。无论是何种视频内容,都可以提高太阳能电池的光吸收率。

黄嘉兴(最右)和他的研究团队。图片来源:northwestern.edu

蓝光光碟中的秘密

虽然发现了蓝光光碟能够帮助电池吸收更多的光,但黄嘉兴还不明白其中的原因。有一天,他在IBM做数据工程师的妻子猜想,这可能与光盘的数据压制方式有关。于是,他们找到电子信息专家寻求帮助。

果然,提高光吸收率的秘密就藏在蓝光光碟的信息代码中——蓝光光碟和普通DVD光碟的原理相似,烧录时会在光盘上蚀刻长短不同的讯坑,代表二进制的“0”和“1”。在读取数据时,激光照射到不同的讯坑上反射不同的激光,光监测器由此读取数据。蓝光光碟在刻录数据时,采用的数据处理算法有两个特点:

  1. 压制二进制的视频信息时,“0”和“1”是随机排列的;
  2. 为了防止光盘受到划痕或者指纹的伤害,在烧录光盘时,每隔几个有效字节就要加入一段重复的错误控制代码。

随机代码与有规律的错误控制代码组成的纹路,使蓝光光碟上形成了一种特殊的图案——准随机图案。再加上蓝光光碟上的这些小坑要比普通DVD密集得多,代表“0”和“1”的讯坑长度分别为150nm和525nm,这种尺寸的纳米结构恰好非常适合用来捕获整个太阳光谱的光。

DVD、HD-DVD和蓝光光碟的结构对比。图片来源:pioneer-optical.eu

准随机图案有什么神奇之处?

为什么印有准随机图案的电池片,就比随机图案或未经处理的电池片转换效率高呢?我们将规则图案、随机图案、准随机图案和蓝光光碟上的图案,以及进行对比。

a,b,c,d分别为规则图案、随机图案、准随机图案和蓝光光碟图案(左侧),及其对应的亚波长级特征尺寸的傅里叶变换(右侧)。图片来源:研究论文

在对应的傅里叶变换中,红色小圆到蓝色大圆的范围代表太阳光谱范围(315 nm-2.5μm),黑点可看成吸收的光。被两个圆套中的概率越大,那么可吸收的光就越多。规则图案(a)基本上没“套住”多少光;完全随机的图案(b)也漏掉不少黑点;准随机图案(c)几乎把黑点都“套住”了;而蓝光光碟图案(d)的情况与(c)相似,也“套住”了不少黑点。所以,和准随机图案十分接近的蓝光光碟图案,能帮助太阳能电池吸收更多的光。

蓝光光碟的正确使用方法

太阳能电池中,负责捕捉光子的是激活层。激活层的纳米机构会影响吸收光的能力。研究人员先剥离蓝光光碟上层的塑料层,用有机硅材料覆盖在光盘上“刻”印章,然后将印章压在事先准备好的PTB7:PC71BM激活层上(PTB7:PC71BM是有机电池中常用的激活层材料)。利用这种方法,研究人员将有机电池的转换效率提升了将近22%。

左图为按过印章的激活层,右图为印过图案的区域出现彩虹色。图片来源:研究论文

在太阳能电池研究领域中,研究人员为了增加电池的转换效率,一直在寻找各种方法改善电池片表面结构,而且还要尽量降低制作成本。做一个准随机图案的纳米结构模板很麻烦,而蓝光光碟正好提供了现成的模板,因此黄嘉兴团队的制作方法不仅有效提高了电池转换效率,而且生产成本也很低——找张光盘就行。(编辑:球藻怪)

参考文献:

  1. Alexander J. Smith, Chen Wang, Dongning Guo, Cheng Sun, Jiaxing Huang.Repurposing Blu-ray movie discs as quasi-random nanoimprinting templates for photon management. Nature Communications, 2014; 5: 5517 DOI:10.1038/ncomms6517
  2. http://www.northwestern.edu/newscenter/stories/2014/11/blu-ray-disc-can-be-used-to-improve-solar-cell-performance.html

文章题图:whiteglossyundergroundboard.com

The End

发布于2014-12-23, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

欢仔258

光学工程硕士

pic