剪纸结构启发的可拉伸硅太阳能电池模块：面向可穿戴电子器件的可持续便携式电源

《Advanced Materials》：Kirigami-Inspired Stretchable Silicon Solar Cell Modules as Portable Power Sources

　　

将光伏模块集成到可穿戴电子设备中，代表了提升便携性与可持续性的关键进展。尽管硅太阳能电池具有高效率和高稳定性，但传统硅太阳能电池模块质地脆硬，阻碍了其在机械柔性和抗冲击可穿戴设备中的应用。在此，研究人员提出了一种利用柔性剪纸结构（Kirigami）基底集成商用硅电池、制备不同尺寸可变形硅太阳能电池模块的新型方法，使其能够耐受身体活动引起的持续变形。例如，由14个硅太阳能电池组成的Module-14-7S2P模块输出功率为37.50 mW，在经历5000次变形循环后仍保持>95%的原始功率输出，在120小时水浸后仍保持>94%的功率输出。此外，该模块在13%应变变形下保持约80%的初始功率输出，该数据得到有限元分析（FEA）仿真的支持。本研究为硅太阳能电池在可穿戴应用中的使用开辟了新的可能性，加速了太阳能驱动的可持续便携式可穿戴电子设备的普及应用。

**研究背景与问题**

可穿戴电子设备的发展对能源供给的便携性与可持续性提出了更高要求，将光伏模块集成到可穿戴设备中成为重要发展方向。太阳能电池或微型模块必须承受身体活动引起的持续弯曲、拉伸乃至扭转变形，这些功能层所受应力可能损害器件性能，甚至造成不可逆的结构损伤。近年来有机和钙钛矿太阳能电池在柔性光伏领域进展迅速：有机电池通过调控体异质结结晶动力学，效率已超过21%，侧链有机硅烷功能化使活性层应变可超过90%；钙钛矿电池效率已突破27%，柔性器件效率接近25%。然而二者均受限于材料稳定性不足、器件运行寿命有限以及规模化生产的困难。硅太阳能电池凭借原料丰富、效率高、稳定性突出及工艺成熟成为主导清洁能源，BSF、PERC、TOP-Con与异质结等技术推动其功率转换效率（PCE）超过27%，但商业级180–200 μm硅晶圆的脆性与差的延展性使其几乎不产生机械变形，难以直接用于柔性应用。Liu等人通过钝化薄晶圆边缘结构，实现了1000次弯曲循环下效率的稳定输出；Li等人采用57 μm超薄晶圆获得1.9 W g^?1的功率质量比。这些进展显著提升了硅电池的宏观弯曲能力，但要充分挖掘硅电池技术在可穿戴供电源中的潜力，仍需在不牺牲高效率与稳定性的前提下发展提升机械柔性的有效策略。蛇形互连、岛桥结构与剪纸（Kirigami）等结构设计已被证明可赋予光伏器件可变形性，其中剪纸结构兼具负泊松比、结构多样性、柔软性与高拉伸性，但其在硅基组件中的应用仍待探索。

**研究内容、结论与意义**

研究人员报道了基于商用硅电池、采用剪纸策略的可拉伸硅太阳能电池模块设计。通过将剪纸结构柔性基底与互连线路及硅电池集成，构建了多种可承受结构变形的模块。核心模块Module-14-7S2P由14个硅电池组成，分为两组各7个串联后再经外部电路并联；该模块输出功率37.50 mW，在5000次拉伸或折叠循环后保持>95%的原始功率，120小时水浸后保持>94%的功率，在13%应变下保持约80%初始功率（由有限元分析（FEA）仿真支持）。通过修改串并联配置，模块可有效驱动心率与血氧传感器等不同可穿戴设备。该论文发表于《Advanced Materials》。研究表明，剪纸设计策略有效解决了刚性硅电池模块固有的机械约束，为刚性太阳能电池用于柔性模块提供了有前景的路径，为可穿戴与便携式电子应用奠定了基础。

**关键技术方法**

研究人员采用三点弯曲模型与有限元分析（FEA）仿真评估不同面积硅电池的应力与变形分布，据此选定5 mm×5 mm电池；基于聚酰亚胺（PI）薄膜与圆角铜线电路设计剪纸结构基底，通过精确切割与圆孔焊盘集成商用单晶硅电池，构建不同串并联配置的模块；利用万能材料试验机制备基底与模块的应力-应变曲线；通过步进电机施加10%应变完成0°–90°弯折循环与120小时水浸测试；结合拉伸-扭转耦合仿真揭示功率-应变关系，并将模块用于驱动柔性LED及心率/血氧传感器。

**研究结果**

1. 硅电池尺寸效应：三点弯曲仿真表明，电池面积越小刚度越大，相同位移下所需反力越小、变形越受抑制，大面积电池更易变形而增加受损风险，故选用5 mm×5 mm小面积电池，兼顾紧凑尺寸与复杂曲面适应性。

2. 模块结构与电路设计：剪纸基底由0.12 mm厚PI膜与0.2 mm宽圆角铜线构成，1 mm直径圆孔焊盘固定硅电池正负电极，切割与倒角设计实现可编程面外变形与应力重分配，并可按需灵活扩展至不同数量与尺寸。

3. 拉伸力学性能：基底在10%应变前应力变化平缓，超过10%后铜电路参与承载，15%后结构失稳，于15.4%应变、429 kPa应力下失效（最大应力相当于成人站立于硬币面积上的压强）；模块在16.4%应变、415 kPa下失效，微裂纹起裂于PI并扩展至铜线，约15%应变内接触电阻可忽略。

4. 功率-应变关系：18电池模块在约13%应变（伴随约30°扭转）下功率由230.44 mW降至186.85 mW（约?19%）；FEA显示15%应变时最扭曲电池面外旋转约25°，随折叠角增大受光面积减小，功率在0–15%应变内下降约20%，与实验结果一致。

5. 光伏输出特性：单电池开路电压（V_OC）为0.54 V、短路电流密度（J_SC）为35.68 mA/cm²、填充因子（FF）为71.77%、PCE为13.92%；串联增加升高V_OC、降低J_SC；并联增加提升J_SC与功率而V_OC基本不变。Module-14-7S2P的V_OC为3.53 V、功率37.5 mW、PCE 13.39%；Module-16-8S2P的V_OC为4.07 V、功率42.03 mW，更适配可穿戴部件。

6. 稳定性：Module-14-7S2P在5000次循环变形后PCE与功率保持>95%，120小时水浸后保持>94%，源于硅电池稳定性与剪纸结构电接触的可靠性；组装后的模块可沿切割线弯折甚至折叠而不损伤硅电池。

7. 应用演示：两组Module-14-7S2P可贴合纺织物；Module-16-8S2P可驱动柔性LED显示并经蓝牙实时更新；Module-45-15S3P可固定于日常服装并制成大面积光伏卷；Module-16-8S2P为心率与血氧饱和度（SpO₂）传感器提供9.489 V、1.58 mA/cm²的输出，在久坐阅读与35分钟循环运动状态下均能实现稳定准确的记录。

**讨论与结论**

与蛇形互连、岛桥结构、超薄硅边缘钝化等已有可拉伸光伏架构相比，本方案的突出优势在于兼具可拉伸性、本征防水性（无需额外封装）以及基于商用硅电池的规模化低成本制造；剪纸图案可直接集成于卷对卷（R2R）生产线，适配商业PI膜与标准激光切割设备。研究人员指出，模块失效由PI裂纹起裂并扩展至铜线主导，未来结合弹性体（PU、SEBS）与金属/碳纳米管（CNT）复合导电材料可进一步提升延展性；剪纸结构通过可编程面外变形改变应力传播路径、避免互连处应力集中，从而保持器件电连续性与功能完整性。结论部分强调，通过组合不同电池数量与配置，模块实现了J_SC 2.22–35.68 mA/cm²、V_OC 0.54–7.56 V与功率2.61–42.03 mW的宽范围输出；剪纸设计策略在解决刚性硅电池模块机械约束方面有效且适用广泛，为可穿戴与便携式电子应用中的刚性太阳能电池柔性化提供了有前景的路径，并为基于剪纸工程策略进一步拓展太阳能电池适用性奠定了基础。