Солнечные батареи из дисков

Не всегда научные открытия совершаются осознанно. Довольно часто, изучая одни явления, исследователи сталкиваются с побочными эффектами, объяснения которым дать не могут. В 1839 году французский ученый Александр Беккерель, исследуя свойства электролитов, случайно столкнулся с тем, что впоследствии было названо фотовольтаикой. В конце XIX века немец Генрих Герц, работая с цинковыми разрядниками, случайно обнаружил, что свет, особенно в ультрафиолетовой части спектра, влияет на прохождение искры. Нечто похожее произошло с исследованиями в области создания новейших носителей информации. Работая над структурой этих новых носителей, ученые случайно столкнулись с явлением, которое может совершить революцию в солнечной энергетике. Эффект был настолько неординарным, что еще совсем недавно многие СМИ пестрели заголовками типа «Компакт-диски заменяют солнечные панели», «Солнечные батареи из дисков».

Немного истории

Вряд ли создатели лазерных дисков могли предположить, к чему приведет совершенствование технологии изготовления их детища. Создавая носители с лазерной записью информации, они преследовали одну-единственную цель – получить материал, из которого можно было бы изготавливать диски с возможностью качественной записи звука и изображения. Так появились CD-диски и чуть позже DVD-диски. Емкость этих носителей была небольшой – порядка 700 мегабайт на CD и 4.5 гигабайт на DVD. На диске DVD пользователь мог сделать двухчасовую видеозапись невысокого качества. Такой диск, как правило, состоит из двух поликарбонатных слоев и активного слоя, расположенного между ними.

Чтобы прочитать данные, лазерный луч должен пробить слой поликарбоната. Иногда из-за каких-то флуктуаций поликарбонат разлагает луч лазера на два пучка, тогда считывающее устройство не может распознать информацию. Двойное лучепреломление требует высокоточной юстировки для выравнивания поликарбонатных лучей. Но и такая юстировка не поможет, если луч был сильно искажен. А искажен он может быть, поскольку запись происходит лазерным лучом в красной области спектра, а следовательно, имеющим большую длину волны, что сказывается на плотности и на качестве записи.

Новое поколение носителей

Последующие усилия исследователей были направлены на поиск способов и материалов, с помощью которых можно было бы увеличить плотность и качество записи на носители. Результатом этих исследований стал формат HD DVD, который позволял записывать значительно большие объемы информации и с высоким качеством записи. Это стало возможным благодаря разработанной новой технологии получения матриц для дисков. Новый диск состоял из более плотных слоев, чем его предшественник, и записывался/читался более тонким лазерным лучом, чем обычные диски. Это позволило записывать в три раза больше информации на однослойный диск и в шесть раз больше на двухслойный.

Запись на CD, DVD, Blu-Ray дисках

И, наконец, появился совершенно новый формат – Blu-Ray. Уже само название говорит о том, что в процессе записи/считывания используется синий лазер, то есть все операции с носителем производятся лазером с синим лучом. Луч синей части спектра имеет более короткую длину волны, чем лучи красной части спектра, что позволило производить запись/чтение лучом, имеющим несравненно более тонкую фокусировку, благодаря чему резко повысились качество и плотность записи, а также скорость считывания информации. Однослойный диск Blu-Ray способен хранить в пять раз больше информации, чем диск DVD, а двухслойный – в десять раз. А если учесть, что новая технология позволяет получать многослойные материалы, то преимущества этого формата перед другими становятся очевидными.

Солнечные батареи и диски Blu-Ray

Когда были изучены все достоинства дисков Blu-Ray и их преимущества перед обычными дисками DVD, когда уже зашла речь о завершении работ по этой тематике, произошла та самая случайность, хорошо известная многим поколениям исследователей. В лаборатории Северо-Западного университета, что находится в штате Иллинойс, США, проводились работы с дисками Blu-Ray и материалами, из которых эти диски изготавливаются. В этой же лаборатории проводились исследовательские работы с солнечными батареями различных типов. И вот неизвестно, кто именно, но кто-то совершенно случайно положил диск Blu-Ray на рабочую поверхность гелиевой панели. Это было в конце рабочего дня, а следующим утром, когда исследователи включили свою аппаратуру, они обнаружили резкое увеличение электрических показателей солнечной батареи.

Когда был обнаружен и зафиксирован факт увеличения поглощения света при наложении диска Blu-Ray на панель солнечных батарей, руководитель лаборатории профессор Северо-Западного университета в Иллинойсе Цзясинь Хуань и его сотрудники провели ряд экспериментов. Целью этих экспериментов было убедиться в том, что изменение характеристик светопоглощения при наложении маски Blu-Ray на солнечную батарею было не случайностью, а закономерностью. Ранее профессором и его коллегами высказывались догадки о том, что эффективность солнечных батарей различных типов может быть существенно изменена в лучшую сторону, если на рабочую поверхность батареи нанести некоторые оптические маски. Но это были только догадки. Теперь же эти догадки получили экспериментальное подтверждение.

Заготовка матрицы структуры Blu-Ray

Началась работа по исследованию структуры Blu-Ray во взаимодействии с гелиевыми панелями. Выяснилось, что чистая маска без записи не оказывает какого-либо положительного эффекта. Исследователи установили, что для получения максимального эффекта на матрицу должна быть записана некоторая информация. И величина эффекта напрямую зависит от алгоритма сжатия информации, будь это видео или просто звук. При проведении экспериментов исследователи использовали все доступные им способы и материалы. В экспериментах были задействованы даже Blu-Ray диски с черно-белыми фильмами. В результате этих экспериментов было установлено, что наивысшая эффективность светопоглощения достигается в случае, когда расстояние между «1» и «0» находятся в промежутке от 150 нанометров до 525 нанометров.

Исследователи установили, что для того, чтобы резко повысить эффективность солнечных батарей, в маску должна быть записана какая-то информация. Эта информация (комбинация «1» и «0») может иметь три структуры: упорядоченную, случайную и квазислучайную. После многочисленных экспериментов за рабочую структуру была принята квазислучайная (т.е. с прослеживанием некоторых закономерностей). Дело в том, что при упорядоченной структуре маска пропускала только определенную часть спектра, при случайной – избыток спектра в виде волн ненужной длины.

Структура цифровой записи маски

Так вот диск Blu-Ray с записанной на него видеоинформацией и оказался именно той самой квазислучайной структурой. В качестве такой видеоинформации ученые использовали для экспериментов фильм «Суперполицейский», в котором главную роль сыграл Джеки Чан. По матрице этого диска изготовили пластиковый слепок, который и стал основой для солнечной батареи. Эту пленку наложили на серийную солнечную панель средней мощности. Результат превзошел все ожидания. Тщательные замеры показали эффективность этого солнечного модуля в 21.8%, что почти вдвое превысило ее номинальные характеристики.

Таким удивительным образом пересеклись технология Blu-Ray, цифровая запись на диски и солнечная фотовольтаика. Пока исследования приостановлены из-за отсутствия финансирования. Но, если найдутся инвесторы, заинтересованные в получении высокоэффективных гелиевых батарей, разработанные технологии очень быстро будут реализованы.