揭秘 藍光光碟「造」太陽能電池的神奇之處

2021-06-27 19:55:06 字數 1785 閱讀 4611

ofweek光學

難道成龍這部《超級警察》有神奇的力量,能幫科學家解決難題?當然不是。其實秘密在電影藍光光碟的蝕刻圖案上。

「起先我們預感,藍光光碟或許能提高太陽能電池轉換效率。經過實驗發現,將光碟本身自帶的圖案印在電池上,效果很不錯。」黃嘉興表示,「其實電子工程師和計算機科學家在研究藍光技術時,就已經無意中幫我們做了一些工作。」

黃嘉興(最右)和他的研究團隊。

藍光光碟中的秘密

雖然發現了藍光光碟能夠幫助電池吸收更多的光,但黃嘉興還不明白其中的原因。有一天,他在ibm做資料工程師的妻子猜想,這可能與光碟的資料壓制方式有關。於是,他們找到電子資訊專家尋求幫助。

果然,提高光吸收率的秘密就藏在藍光光碟的資訊**中——藍光光碟和普通***光碟的原理相似,燒錄時會在光碟上蝕刻長短不同的訊坑,代表二進位制的「0」和「1」。在讀取資料時,雷射照射到不同的訊坑上反射不同的雷射,光監測器由此讀取資料。藍光光碟在燒錄資料時,採用的資料處理演算法有兩個特點:

為了防止光碟受到劃痕或者指紋的傷害,在燒錄光碟時,每隔幾個有效位元組就要加入一段重複的錯誤控制**。

隨機**與有規律的錯誤控制**組成的紋路,使藍光光碟上形成了一種特殊的圖案——準隨機圖案。再加上藍光光碟上的這些小坑要比普通***密集得多,代表「0」和「1」的訊坑長度分別為150nm和525nm,這種尺寸的奈米結構恰好非常適合用來捕獲整個太陽光譜的光。

***、hd-***和藍光光碟的結構對比。

準隨機圖案有什麼神奇之處?

為什麼印有準隨機圖案的電池片,就比隨機圖案或未經處理的電池片轉換效率高呢?我們將規則圖案、隨機圖案、準隨機圖案和藍光光碟上的圖案,以及進行對比。

a,b,c,d分別為規則圖案、隨機圖案、準隨機圖案和藍光光碟圖案(左側),及其對應的亞波長級特徵尺寸的傅利葉變換(右側)。

在對應的傅利葉變換中,紅色小圓到藍色大圓的範圍代表太陽光譜範圍(315nm-2.5μm),黑點可看成吸收的光。被兩個圓套中的概率越大,那麼可吸收的光就越多。規則圖案(a)基本上沒「套住」多少光;完全隨機的圖案(b)也漏掉不少黑點;準隨機圖案(c)幾乎把黑點都「套住」了;而藍光光碟圖案(d)的情況與(c)相似,也「套住」了不少黑點。所以,和準隨機圖案十分接近的藍光光碟圖案,能幫助太陽能電池吸收更多的光。

藍光光碟的正確使用方法

太陽能電池中,負責捕捉光子的是啟用層。啟用層的奈米機構會影響吸收光的能力。研究人員先剝離藍光光碟上層的塑料層,用有機矽材料覆蓋在光碟上「刻」印章,然後將印章壓在事先準備好的ptb7:pc71bm啟用層上(ptb7:pc71bm是有機電池中常用的啟用層材料)。利用這種方法,研究人員將有機電池的轉換效率提公升了將近22%。

左圖為按過印章的啟用層,右圖為印過圖案的區域出現彩虹色。

在太陽能電池研究領域中,研究人員為了增加電池的轉換效率,一直在尋找各種方法改善電池片表面結構,而且還要盡量降低製作成本。做乙個準隨機圖案的奈米結構模板很麻煩,而藍光光碟正好提供了現成的模板,因此黃嘉興團隊的製作方法不僅有效提高了電池轉換效率,而且生產成本也很低——找張光碟就行。光學網

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