青岛大学AM：剪纸结构集成商用硅电池：可拉伸硅太阳能模块为可穿戴设备供电

将太阳能电池集成到可穿戴电子设备中，是提升便携性与可持续性的关键，但身体运动带来的连续弯曲、拉伸甚至扭转会在器件功能层中产生显著应力，可能损害性能甚至造成不可逆结构损伤。有机和钙钛矿太阳能电池在柔性、可拉伸光伏方面进展迅速，但仍面临材料稳定性、运行寿命和可扩展性等挑战；硅太阳能电池虽效率高、稳定性突出、制造工艺成熟，却受限于硅片的脆性和较差延展性。蛇形互连、岛桥结构以及剪纸/折纸等结构设计已被用于赋予光伏器件可变形能力，其中剪纸结构可通过特殊图案切割使二维平面实现拉伸，并具有负泊松比、结构多样性和高拉伸性等特性。

针对这一矛盾，青岛大学刘玉强教授、王逸凡副教授、李明华副教授和北京师范大学薄志山教授、香港科技大学Antonio Facchetti教授合作，提出利用柔性剪纸结构基板集成商用硅太阳能电池的可变形模块方案。由14个硅电池组成的Module‐14‐7S2P功率输出为37.50 mW，在5000次形变循环后保持原始功率输出的95%以上，水中浸泡120 h后保持94%以上；在13%应变下仍保留约80%的初始功率输出，并得到有限元模拟支持。该工作为硅太阳能电池在可穿戴应用中提供了新可能，有望加速可持续、便携式太阳能供电可穿戴电子设备的采用。相关论文以“Kirigami-Inspired Stretchable Silicon Solar Cell Modules as Portable Power Sources”为题，发表在Advanced Materials上。

研究首先通过三点弯曲模型比较不同面积硅电池的受力行为，模拟显示面积越大，相同位移所需施加的力越小、更易变形，而小面积硅电池刚度更大、外力下变形更小，可降低局部应力集中和损伤风险，因此选用边长5 mm×5 mm的硅电池作为后续模块单元（图1a–c）。

图1：硅片的模拟与力-位移曲线分析。(a) 边长5 mm方形硅太阳能电池三点加压的模拟力图（正视图）。(b) 边长50、100、150和200 mm方形硅太阳能电池三点加压的模拟力图（侧视图）。(c) 不同面积硅太阳能电池三点加压模拟对应的力-位移曲线。

在结构设计上，Module‐14‐7S2P将14个电池排成两组各7个串联后再并联，并可按实际供能需求灵活扩展为不同数量和阵列（图2a）；其剪纸结构聚酰亚胺基板承载铜电路、连接焊盘和定位框，通过精确切口与圆角倒角在形变时提供应力支撑（图2b），体现出良好的可扩展性与结构可设计性。

图2：剪纸启发的硅太阳能电池模块及基板电路设计。(a) 3×5模块阵列电路示意图，示出两组各7个电池串联（虚线）后通过外部导线并联。(b) 剪纸启发的硅太阳能电池模块示意图，其中第I部分由置于基板上的小面积硅太阳能电池组成，第II部分代表剪纸结构基板的主要部件，第III部分显示整个模块附着于假设纺织品上的状态。

为验证可拉伸机制，研究对带铜线聚酰亚胺基板和集成模块进行拉伸测试（图3a–f），发现10%变形前主要由基板自身承担，超过10%后铜电路开始参与，基板约在15.4%变形、429 kPa应力下失效，模块约在16.4%变形、415 kPa应力下失效，失效由聚酰亚胺裂纹引发并扩展至铜导线；有限元模拟进一步显示，15%应变下电池发生面外旋转、受光面积减小，功率随应变增加下降约20%，与实验观察一致（图3g,h）。

图3：剪纸启发基板与硅模块（Module‐14‐7S2P）的照片及应力-应变分析。(a) 剪纸启发基板（PI+Cu导线）在展平时与拉伸后的照片。(b) 剪纸启发基板对应的应力-应变曲线（拉伸测试速度为5 mm/min）。注意，基板最大位移处的应力与成年人站在硬币大小面积上的压力相当，如插图所示。(c) 剪纸硅模块展平时的照片。(d) 剪纸硅模块拉伸后（应变=13%）的照片。(e) 对应的应力-应变曲线。(f) 模块一部分在不同应变下突出显示PI基板和Cu导线的光学图像。(g) 12电池剪纸基硅太阳能电池模块（每电池2×2 cm²，俯视图）在0%（左）和15%（右）拉伸-扭转耦合载荷下的有限元模拟。(h) 归一化模块功率随应变的变化。

在稳定性与应用评估中，Module‐14‐7S2P经5000次10%拉伸或折叠循环后，PCE和功率仍保持原始值的95%以上（图4a、b），水浸120 h后仍保持94%以上（图4c）；模块可共形附着于纺织品（图4d），Module‐16‐8S2P可驱动柔性LED显示并通过蓝牙实时改变显示图像（图4e），Module‐45‐15S3P可固定于日常服装（图4f），显示出该剪纸结构模块在纺织基底上的集成与供能潜力。

图4：剪纸结构硅太阳能电池模块的性能与应用。(a) 在循环10%拉伸变形测试中，构建于3×5基板上的Module‐14‐7S2P的PCE和功率变化。(b) 在循环折叠测试中Module‐14‐7S2P的PCE和功率变化。(c) 在不同水浸时间后Module‐14‐7S2P的PCE和功率变化。(d) 显示两组Module‐14‐7S2P附着于纺织品上的共形性图像。(e) 由Module‐16‐8S2P供电用于信息展示的柔性LED显示器。(f) 附着有两组Module‐45‐15S3P的日常服装。

在智能穿戴演示中，Module‐16‐8S2P为心率和血氧传感器供电，在静坐阅读（图5a）和35分钟循环运动（图5c）条件下均能稳定记录心率和SpO₂变化，测试装置示意如图5b所示，表明其作为可穿戴稳定电源具有实际可行性。

图5：模块为心率和SpO₂监测传感器供电及不同条件下的监测结果。(a) 静坐状态下的心率和SpO₂监测。(b) 心率和SpO₂监测测试装置示意图。(c) 运动期间的心率和SpO₂监测。

综上，该研究通过剪纸结构基板集成商用硅电池，在不牺牲光电性能的情况下赋予刚性硅电池模块延展性，并实现可调输出和良好稳定性。该策略为刚性硅电池用于柔性模块、可穿戴和便携式电子提供了可扩展路径，也为未来利用剪纸基工程策略进一步拓展太阳能电池适用性奠定了基础。