Energy Reviews | 可植入式光电子充电技术进展
文章题目：Implantable photoelectronic charging (I-PEC) for medical implants
关键词： Photoelectronic charging，Medical implants，PV device，
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000062
近日，美国宾夕法尼亚州立大学的王凯助理教授团队联合该校副校长Shashank Priya教授在Energy Reviews发表文章“Implantable photoelectronic charging (I-PEC) for medical implants”, 该文章详细介绍了使用可植入式能源器件对医用植入设备进行充电的技术进展，并就平面光伏器件为体内植入医疗设备进行充电的主要研究成果进行了总结。
01 内容简介
1. Introduction （前言）
2. Existing power demands in medical devices and powering techniques（医疗器械和供电技术中的现有电力需求）
3. Historical trajectory of I-PEC （植入式光电子充电的发展轨迹）
4. Potential design （潜在设计）
4.1. Materials（材料）
4.1.1. Flexible TCO （柔性透明导电氧化物）
4.1.2. P-type & n-type selective buffer（p型和n型选择性缓冲材料）
4.1.3. Photoactive layer（光活性层）
4.1.4. Back contact （底部导电材料）
4.2. PV device（光伏器件）
4.2.1. PCE exceeding SQ limit value of 33%（能量转换效率超过肖特基-奎尔33%的极限）
4.2.2. Skin penetration of light（光的趋肤深度）
4.3. System（系统）
5. Outlook（展望）
02 内容亮点
（1）具有传感、健康监测、刺激、诊断和生理治疗等功能的医用植入设备正在受到越来越多的关注，可植入系统的能源需求也在不断增长。
（2）使用植入式能源器件进行充电或最终替换有害电池，对于提供长期可持续的解决方案至关重要。
（3）利用压电、热电、射频电力传输、生物燃料和光电转换的能量收集技术已经被尝试用于植入式能源。
（4）平面光伏器件具有更轻的重量、更高的能量密度和更高的效率，为体内植入医疗设备提供了很有前途的电源解决方案。
03 内容导读
（1）材料
为了构建不对称的电势场，需要具有不同功函数的电极或不同能级的电荷转移缓冲层来诱导耗尽区以及修改界面以最小化这些损失。透明导电氧化物聚合物和金属纳米网线都已经被报道可以作为超薄、柔性和透明电极。本研究重点关注材料与生物环境的兼容性上，如吸水/溶胀、温度范围和光学特性。
对于光伏的基本要求，这些P型和N型缓冲材料需要是(i)透明的，允许足够的光到达光敏层，(ii)表现出能级匹配以形成欧姆接触，以实现有利的载流子转移，并为其他类型的载流子的不需要的背转移而形成肖特基势垒，(iii)具有足够高的载流子迁移率，以最大限度地减少转移损耗和稳定性，以最大化器件寿命。
光敏层是将光子能量转化为电能的核心材料。根据材料类型和功率标准，人们可能将光敏层分为硅、有机物和钙钛矿等类型。光伏中的背接触金属是用于光生载流子的收集，通常利用Au和Ag金属，为了医疗植入器件应用相匹配，需要有效地管理金属接触以连接到设备的其他面板。
（2）光伏器件
对于无线光伏充电，光源不一定是太阳光。通过适当的管理光源，可以最大限度地提高光伏发电机的能量转换效率，这需要考虑皮肤和软组织的光穿透能力。本研究将讨论光学管理以及皮肤下的光伏设备，重点将放在能量转换效率和光穿透方面。
（3）系统
如下图所示，未来的医疗植入物可能有多层功能面板，每一层都具有处理不同任务的不同功能。图中显示了植入式系统的三层设计的示例。该系统最上面的部分是光伏电池板，它从人造光源或自然光源(如太阳光)中获取能量。
04 重要结论
（1）在系统层面
如光的趋肤深度、光辐射对软组织的损伤和潜在的病理风险(如皮肤烧伤、肿瘤)、系统耐久性和广义生物相容性等问题需要进一步研究。考虑到功能传感器的进一步发明、数据科学和身体信号解码发展的多样性和潜力，新的功能模块将来可能会添加到植入系统中。这可能为可植入光电充电带来新的机遇，因为与其他无线能量传输或能量收集技术相比，光伏充电代表了能量收集的最高功率水平。
（2）在器件层面
光伏器件与其他功能模块的联合制造可能是最令人困惑的组件，这将依赖于芯片系统设计的知识。为了实现这一目标，需要来自不同背景的专业知识和跨多个学科的合作。
（3）在材料层面
来自高能量密度的第三代光伏材料的推动特别令人感兴趣。虽然有机或钙钛矿材料面临着自身的可靠性、毒性和生物兼容性问题，但传统宏观光伏领域的并行发展可能会在材料层面提供进一步的解决方案来解决这些问题。尽管如此，随着之前对硅基光伏的信心，第三代光伏材料的研究，特别是对近红外(皮肤最高趋肤深度)高外量子效率的关注，可能会引起对这种可植入光电充电技术的极大关注。同时，最近在可生物降解的光伏器件上的突破对这篇的主题特别有价值。
作者简介：
王凯，宾夕法尼亚州立大学，助理教授。研究领域包含Solar energy、Halide perovskite single-crystals、Bio-electronics、Optoelectronics Multiple energy harvester，至今发表SCI论文约60篇，H-index 38，总引用超过5000次。发表文章包括Nature communications、Joule、Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical Society、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials 等国际著名期刊。
Shashank Priya，宾夕法尼亚州立大学副校长，材料科学与工程学院教授。他的研究兴趣主要集中在多功能材料、能源和仿生系统等领域。至今发表SCI论文约200篇，H-index 77，总引用超过28000次。
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