文章題目：Implantable photoelectronic charging (I-PEC) for medical implants

關鍵詞： Photoelectronic charging，Medical implants，PV device，

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000062

????近日，美國賓夕法尼亞州立大學的王凱助理教授團隊聯(lián)合該校副校長Shashank Priya教授在Energy Reviews發(fā)表文章“Implantable photoelectronic charging (I-PEC) for medical implants”, 該文章詳細介紹了使用可植入式能源器件對醫(yī)用植入設備進行充電的技術進展，并就平面光伏器件為體內(nèi)植入醫(yī)療設備進行充電的主要研究成果進行了總結。

01?內(nèi)容簡介

????1. Introduction?（前言）

????2. Existing power demands in medical devices and powering techniques（醫(yī)療器械和供電技術中的現(xiàn)有電力需求）

????3. Historical trajectory of I-PEC?（植入式光電子充電的發(fā)展軌跡）

????4. Potential design?（潛在設計）

????? ?4.1. Materials（材料）

????? ???4.1.1. Flexible TCO （柔性透明導電氧化物）

????? ???4.1.2. P-type & n-type selective buffer（p型和n型選擇性緩沖材料）

????? ???4.1.3. Photoactive layer（光活性層）

??????? ?4.1.4. Back contact （底部導電材料）

???????4.2. PV device（光伏器件）

????? ???4.2.1. PCE exceeding SQ limit value of 33%（能量轉換效率超過肖特基-奎爾33%的極限）

????? ? ?4.2.2. Skin penetration of light（光的趨膚深度）

???????4.3. System（系統(tǒng)）

????5. Outlook（展望）

02?內(nèi)容亮點

（1）具有傳感、健康監(jiān)測、刺激、診斷和生理治療等功能的醫(yī)用植入設備正在受到越來越多的關注，可植入系統(tǒng)的能源需求也在不斷增長。

（2）使用植入式能源器件進行充電或最終替換有害電池，對于提供長期可持續(xù)的解決方案至關重要。

（3）利用壓電、熱電、射頻電力傳輸、生物燃料和光電轉換的能量收集技術已經(jīng)被嘗試用于植入式能源。

（4）平面光伏器件具有更輕的重量、更高的能量密度和更高的效率，為體內(nèi)植入醫(yī)療設備提供了很有前途的電源解決方案。

03?內(nèi)容導讀

（1）材料

????為了構建不對稱的電勢場，需要具有不同功函數(shù)的電極或不同能級的電荷轉移緩沖層來誘導耗盡區(qū)以及修改界面以最小化這些損失。透明導電氧化物聚合物和金屬納米網(wǎng)線都已經(jīng)被報道可以作為超薄、柔性和透明電極。本研究重點關注材料與生物環(huán)境的兼容性上，如吸水/溶脹、溫度范圍和光學特性。

????對于光伏的基本要求，這些P型和N型緩沖材料需要是(i)透明的，允許足夠的光到達光敏層，(ii)表現(xiàn)出能級匹配以形成歐姆接觸，以實現(xiàn)有利的載流子轉移，并為其他類型的載流子的不需要的背轉移而形成肖特基勢壘，(iii)具有足夠高的載流子遷移率，以最大限度地減少轉移損耗和穩(wěn)定性，以最大化器件壽命。

????光敏層是將光子能量轉化為電能的核心材料。根據(jù)材料類型和功率標準，人們可能將光敏層分為硅、有機物和鈣鈦礦等類型。光伏中的背接觸金屬是用于光生載流子的收集，通常利用Au和Ag金屬，為了醫(yī)療植入器件應用相匹配，需要有效地管理金屬接觸以連接到設備的其他面板。

（2）光伏器件

????對于無線光伏充電，光源不一定是太陽光。通過適當?shù)墓芾砉庠?，可以最大限度地提高光伏發(fā)電機的能量轉換效率，這需要考慮皮膚和軟組織的光穿透能力。本研究將討論光學管理以及皮膚下的光伏設備，重點將放在能量轉換效率和光穿透方面。

（3）系統(tǒng)

如下圖所示，未來的醫(yī)療植入物可能有多層功能面板，每一層都具有處理不同任務的不同功能。圖中顯示了植入式系統(tǒng)的三層設計的示例。該系統(tǒng)最上面的部分是光伏電池板，它從人造光源或自然光源(如太陽光)中獲取能量。

04?重要結論

（1）在系統(tǒng)層面

????如光的趨膚深度、光輻射對軟組織的損傷和潛在的病理風險(如皮膚燒傷、腫瘤)、系統(tǒng)耐久性和廣義生物相容性等問題需要進一步研究。考慮到功能傳感器的進一步發(fā)明、數(shù)據(jù)科學和身體信號解碼發(fā)展的多樣性和潛力，新的功能模塊將來可能會添加到植入系統(tǒng)中。這可能為可植入光電充電帶來新的機遇，因為與其他無線能量傳輸或能量收集技術相比，光伏充電代表了能量收集的最高功率水平。

（2）在器件層面

?????光伏器件與其他功能模塊的聯(lián)合制造可能是最令人困惑的組件，這將依賴于芯片系統(tǒng)設計的知識。為了實現(xiàn)這一目標，需要來自不同背景的專業(yè)知識和跨多個學科的合作。

（3）在材料層面

????來自高能量密度的第三代光伏材料的推動特別令人感興趣。雖然有機或鈣鈦礦材料面臨著自身的可靠性、毒性和生物兼容性問題，但傳統(tǒng)宏觀光伏領域的并行發(fā)展可能會在材料層面提供進一步的解決方案來解決這些問題。盡管如此，隨著之前對硅基光伏的信心，第三代光伏材料的研究，特別是對近紅外(皮膚最高趨膚深度)高外量子效率的關注，可能會引起對這種可植入光電充電技術的極大關注。同時，最近在可生物降解的光伏器件上的突破對這篇的主題特別有價值。

作者簡介：

王凱，賓夕法尼亞州立大學，助理教授。研究領域包含Solar energy、Halide perovskite single-crystals、Bio-electronics、Optoelectronics Multiple energy harvester，至今發(fā)表SCI論文約60篇，H-index 38，總引用超過5000次。發(fā)表文章包括Nature communications、Joule、Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical Society、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials 等國際著名期刊。

Shashank Priya，賓夕法尼亞州立大學副校長，材料科學與工程學院教授。他的研究興趣主要集中在多功能材料、能源和仿生系統(tǒng)等領域。至今發(fā)表SCI論文約200篇，H-index 77，總引用超過28000次。

Energy Reviews?簡介?

???Energy Reviews 是由深圳大學牽頭，聯(lián)合 Elsevier出版集團、深圳市低碳與清潔能源研究院創(chuàng)辦。Energy Reviews是一本國際性、跨學科、高質(zhì)量的開放獲取?(Open Access)?學術期刊，旨在通過發(fā)表最新的高質(zhì)量研究綜述、觀點與評述，向公眾傳播有影響力的研究。接收包括但不限于能源數(shù)值計算、大數(shù)據(jù)與人工智能；能源相關的材料科學、化學和生物學；傳統(tǒng)化石能源利用、勘探與CCUS；能源工程工藝和設備；能源研究的量化方法與工具；氣候變化與環(huán)境等相關方向的優(yōu)質(zhì)綜述成果。

“關注前沿 | 引領趨勢”