生物相容可降解的薄膜单晶硅光伏电池材料研究

Implantable optoelectronic systems devices based on biocompatible and biodegradable materials and devices are of great interest for applications in biosensing, diagnostics and therapy. Specifically, a biodegradable wireless energy harvesting device is one of the most important components in such implantable systems. To overcome challenges of current implantable energy solutions, the proposed work aims at the development of a fully biodegradable photovoltaic (PV) device as a biocompatible power source, based on the biocompatibility and hydrolysis properties of thin-film single crystalline silicon (c-Si) devices. Novel device fabrication methods and transfer printing technologies will be explored to integrate thin-film c-Si PV cells with biodegradable metal electrodes and polymer substrates, obtaining a flexible and fully degradable PV system. Based on the optical properties of skin tissues, numerical models will be established to design light trapping structures and optimize the performance of PV cells, which will operate underneath the skin using specific near-infrared illumination. Furthermore, we plan to investigate structure evolution, property change as well as cytotoxicity of the materials constituting the biodegradable PV cells, which are designed to degrade in a safe and controllable manner in biological fluids. This transformative research will establish fundamental understanding of light-material interactions in biological environments, develop new electronic and optical materials and device architectures for fully biodegradable PV cells, and provide routes for wireless energy harvesting devices in future biodegradable optoelectronic systems.

生物相容、可降解的光电子材料与器件在未来的可植入式生物传感、诊断、医疗等领域有广泛的应用前景。其中，可降解的植入式能量采集设备是该系统的重要组成部分。针对现有植入式能源器件的问题和局限性，本项目试图利用薄膜单晶硅的生物相容性，开发基于薄膜单晶硅的可降解光伏电池，作为生物相容的植入式电源。我们计划开发新型的半导体加工工艺，运用转印技术把薄膜单晶硅光伏器件与可降解的金属电极和高分子基底材料集成，来制备可完全降解的柔性薄膜电池。通过研究皮肤组织的光学性质，和优化设计薄膜电池的光学结构，运用特定近红外光使在皮肤组织下工作的电池实现理想的光电能量转换效率。进一步，我们计划探索电池各组成材料在体外溶液中的结构和物理化学性质变化与生物相容性，来实现整个电池系统在生物组织液里安全可控地降解。本项目的开展将为安全可降解的光电子器件的无线能量传输提供新的思路，并为未来植入式生物医疗器件的实际应用铺平道路。

生物相容、可降解的光电子材料与器件在未来的可植入式生物传感、诊断、医疗等领域有广泛的应用前景。其中，可降解的植入式电源供应设备是该系统的重要组成部分。针对现有植入式能源器件的问题和局限性，本项目利用薄膜单晶硅的生物相容性，实现基于薄膜单晶硅的可降解光伏电池，作为生物相容的植入式电源。我们通过开发新型的半导体加工工艺，运用转印技术把薄膜单晶硅光伏器件与可降解的金属电极和高分子基底材料集成，来制备完全可降解的柔性薄膜电池。通过研究皮肤组织的光学性质，和优化设计薄膜电池的光学结构，运用特定近红外光使在皮肤组织下工作的电池实现理想的光电能量转换效率。进一步，我们探索了电池各组成材料在体外溶液中的结构和物理化学性质变化与生物相容性，来实现整个电池系统在生物组织液里安全可控地降解。通过活体动物实验，在外界安全的红外光照透过4 mm厚的皮肤组织，我们验证了硅电池阵列可产生约~60 µW的电功率，可驱动微型蓝光LED在大鼠体内工作3天。整个硅电池阵列可在4个月后在生物体内被完全吸收，组织形态结果显示降解过程对周围组织没有产生炎症反应，具有较好的生物相容性。本项目的开展将为安全可降解的光电子器件的无线能量传输提供新的思路，并为未来植入式生物医疗器件的实际应用铺平道路。