用藍光光碟「造」太陽能電池

藍光光碟以提供高存儲容量和高品質影音著稱。不過最近，美國西北大學材料科學與工程系黃嘉興副教授的研究團隊發現，只用藍光光碟看片實在太屈才了——他們將成龍的《警察故事Ⅲ：超級警察》藍光光碟上存儲數據的圖案，印在了太陽能電池片上，結果電池片能夠吸收更多的光，轉化效率（光能轉化為電能）一下提高了22%。這項研究發表於2014年11月的《自然·通訊》（NatureCommunications）上。

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。

黃嘉興的團隊還嘗試過各種藍光光碟，從電影到電視劇，包括動作片、歌劇、紀錄片、動畫片和黑白電影。無論是何種視頻內容，都可以提高太陽能電池的光吸收率。

黃嘉興（最右）和他的研究團隊。圖片來源：northwestern.edu

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做數據工程師的妻子猜想，這可能與光碟的數據壓制方式有關。於是，他們找到電子信息專家尋求幫助。

果然，提高光吸收率的秘密就藏在藍光光碟的信息代碼中——藍光光碟和普通DVD光碟的原理相似，燒錄時會在光碟上蝕刻長短不同的訊坑，代表二進位的「0」和「1」。在讀取數據時，激光照射到不同的訊坑上反射不同的激光，光監測器由此讀取數據。藍光光碟在刻錄數據時，採用的數據處理演算法有兩個特點：

1. 壓制二進位的視頻信息時，「0」和「1」是隨機排列的；

2. 為了防止光碟受到划痕或者指紋的傷害，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代碼。

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

DVD、HD-DVD和藍光光碟的結構對比。圖片來源：pioneer-optical.eu

准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、准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、准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里葉變換（右側）。圖片來源：研究論文

在對應的傅里葉變換中，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；准隨機圖案（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，和准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，負責捕捉光子的是激活層。激活層的納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，用有機硅材料覆蓋在光碟上「刻」印章，然後將印章壓在事先準備好的PTB7:PC71BM激活層上（PTB7:PC71BM是有機電池中常用的激活層材料）。利用這種方法，研究人員將有機電池的轉換效率提升了將近22%。

左圖為按過印章的激活層，右圖為印過圖案的區域出現彩虹色。圖片來源：研究論文

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。做一個準隨機圖案的納米結構模板很麻煩，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。

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