用蓝光光碟“造”太阳能电池

蓝光光盘以提供高存储容量和高质量的音频和视频而闻名。然而，最近，美国西北大学材料科学与工程系副教授黄家兴的研究小组发现，只在蓝光光盘上观看电影太过低劣——他们将存储在成龙的“永不丢失三代:超级警察”蓝光光盘上的数据模式打印在太阳能电池上。结果，电池能够吸收更多的光，并且转换效率(光能到电能的转换)增加了22%。这项研究

黄家兴(最右边)和他的研究团队。资料来源:northwestern.edu

蓝光光盘中的秘密

尽管人们发现蓝光光盘可以帮助电池吸收更多的光，但黄家兴仍然不明白原因。一天，他的妻子，一位IBM的数据工程师，猜测这可能与光盘数据被抑制的方式有关。因此，他们找到了电子信息专家寻求帮助。

果然，提高光吸收率的秘密隐藏在蓝光光盘的信息代码中——蓝光光盘和普通的DVD光盘有相似的原理。刻录时，不同长度的凹坑将被蚀刻在光盘上，代表二进制“0”和“1”。当读取数据时，激光照射不同的凹坑并反射不同的激光，因此光学监视器读取数据。蓝光光盘刻录数据时使用的数据处理算法有两个特点:

当抑制二进制视频信息时，“0”和“1”是随机排列的；

为了防止光盘被划痕或指纹损坏，刻录光盘时，每隔几个有效字节就会添加一个重复的错误控制代码。

由随机码和常规差错控制码组成的行在蓝光盘上形成一个特殊的图案——准随机图案。此外，蓝光光盘上的这些凹坑比普通的DVD密度大得多，代表“0”和“1”的凹坑长度分别为150纳米和525纳米。这种尺寸的纳米结构非常适合捕捉整个太阳光谱的光。

DVD、高清DVD和蓝光光盘结构的比较。照片来源:先锋光学。

准随机模式的魔力是什么？

为什么印刷有准随机图案的电池的转换效率高于随机图案或未处理的电池？我们比较规则图案、随机图案、准随机图案和蓝光光盘上的图案。

A、B、C和D分别是规则图案、随机图案、准随机图案和蓝光盘图案(左侧)。

和其相应的亚波长特征尺寸。资料来源:研究论文

在相应的傅里叶变换中，从红色小圆到蓝色大圆的范围代表太阳光谱范围(315 nm-2.5μm)，黑点可视为吸收光。被困在两个圆形套管中的可能性越大，吸收的光就越多。规则图案(A)基本上不“捕获”太多的光；完全随机的模式(b)也漏掉了许多黑点；准随机图案(C)几乎“覆盖”了黑点。蓝光光盘(D)的图案与(C)相似，并且“捕捉”了许多黑点。因此，非常接近准随机图案的蓝光光盘图案可以帮助太阳能电池吸收更多的光。

蓝光光盘的正确使用

在太阳能电池中，活性层负责捕获光子。活化层的纳米结构将影响吸收光的能力。研究人员首先剥离蓝光光盘上层的塑料层，用硅树脂材料覆盖光盘以“雕刻”印章，然后将印章压在预先准备好的PTB7:PC71BM激活层上(PTB7:PC71BM是有机电池中常用的激活层材料)。使用这种方法，研究人员将有机电池的转换效率提高了近22%。

左边的图片显示的是被激活的图层，上面有邮票，右边的图片显示的是印有图案的区域的彩虹色。资料来源:研究论文

在太阳能电池研究领域，研究人员一直在寻找各种方法来改善电池的表面结构，以提高电池的转换效率，并尽可能降低制造成本。制作具有准随机图案的纳米结构模板非常麻烦，而蓝光光盘只是提供了一个现成的模板，所以黄家兴团队的制作方法不仅有效提高了电池转换效率，而且生产成本低——只需找到一张光盘。

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参考:

1.史密斯，王晨，郭，孙成，黄家兴。将蓝光电影光盘重新用作光子管理的准随机纳米压印模板。《自然通讯》，2014年；5: 5517 DOI:10.1038/ncomms6517

2.http://www . northwestern . edu/news center/stories/2014/11/blu-ray-disc-can-use-to-improve-solar-cell-performance . html