34、超薄芯片技术：从太阳能电池到视网膜植入的创新应用

超薄芯片技术：从太阳能电池到视网膜植入的创新应用

1. 柔性太阳能电池技术解析

在光伏市场中，太阳能电池的产量和效率是备受关注的重点。其中，柔性太阳能电池的发展尤为引人注目。随着太阳能电池厚度的变化，其性能也会发生显著改变。

当硅片厚度减小时，打破硅片所需的力呈线性下降，而其柔韧性则呈二次方增长。研究发现，厚度在 100 - 150 毫米范围内的太阳能电池对机械应力最为脆弱，而更薄的硅片由于更高的柔韧性，稳定性反而有所增强。例如，厚度为 50 毫米的单晶硅太阳能电池就比厚电池更加灵活。

从转换效率来看，在材料质量相似的情况下，薄的晶体硅太阳能电池比厚电池具有更高的转换效率。这是因为如果能减少短路电流密度的损失（例如通过改进光捕获技术），薄电池的开路电压会增加，从而提高效率。目前，报道的薄晶体硅太阳能电池的最高效率是由 Wang 等人实现的，他们制作的 47 毫米厚的单晶硅太阳能电池效率达到了 21.5%。不过，他们采用的是从厚晶圆背面减薄的方法，这种方法在工业生产中并不可行，但证明了薄单晶硅太阳能电池的效率潜力。

2. 不同类型薄晶体硅太阳能电池的性能对比

接下来，我们详细了解一下不同类型的薄晶体硅太阳能电池。
- 小面积记录太阳能电池 ：目前世界上不用减薄晶圆制作的薄晶体硅太阳能电池的记录，是由斯图加特大学物理电子研究所（IPE）采用层转移工艺制作的。该工艺也称为 PSI 工艺，基于硅在氢氟酸中的电化学阳极氧化以及随后的气相外延硅沉积。通过这种工艺制作的厚度小于 50 毫米的单晶硅太阳能电池，附着在玻璃衬底上的效率可达 16.9%，独立式太阳能电池效率可达 17.0%。

这种太阳能电池的制作过程如下：
1. 从附着在晶圆上的层系统开始，对太阳能电池正面进行随机金字塔纹理处理。
2. 在低 n 型掺杂发射极上形成热氧化硅钝化和抗反射层，发射极的薄层电阻为 100 O/sq。
3. 通过光刻定义具有高效特性的正面接触，由蒸发的 Ti/Pd/Ag 层叠组成。
4. 将薄膜与衬底晶圆分离。传统转移工艺中，用环氧树脂附着玻璃衬底，然后用机械力分离薄膜；独立式转移工艺则使用真空拾取工具分离薄膜。
5. 对于稳定的太阳能电池，采用 Brendle 提出的高性能背面接触：通过湿化学蚀刻去除高 p 型掺杂硅层，然后沉积由氢化非晶硅和非晶硅氮化物组成的层叠，最后蒸发铝背面接触并通过激光烧结形成与基底材料的电接触。而独立式太阳能电池则采用简单的蒸发铝背面接触，但由于背面表面复合，性能受到限制。

这两种太阳能电池在面积为 2 平方厘米时效率均约为 17%，是不用减薄晶圆制作的单晶硅太阳能电池的最高报道效率。独立式太阳能电池的功率重量比为 1.46 W/g，是 200 毫米厚、效率为 17%的工业单晶硅太阳能电池的五倍。
- 大面积薄太阳能电池 ：由 Brendel 及其同事在太阳能能源研究所（ISFH）通过 PSI 工艺制作的大面积单晶硅太阳能电池，附着在玻璃衬底上的面积为 95.5 平方厘米，最大效率为 14.1%。与小面积电池相比，这种方法避免了光刻和蒸发接触等高成本工艺，但效率有所降低，不过更接近工业生产，仍有改进潜力。
- 薄背接触背结太阳能电池 ：这种电池将 pn 结横向布置在太阳能电池背面，在使用更薄的晶圆时有一些优势。例如，Haase 展示的基于 PSI 工艺制作的薄单晶硅背接触背结器件，正面覆盖二氧化硅钝化和抗反射层，然后附着在玻璃衬底上，再形成背结和背接触。其主要优点是避免了正面金属化，从而减少反射，并且由于少数载流子的收集路径长度减小，载流子收集更好。但由于大多数载流子在正面附近产生而在背面收集，正面表面复合变得更加重要。

以下是不同厚度（W ≤ 50 毫米）的薄单晶硅太阳能电池的性能参数对比表格：
| 制作机构 | 方法 | 效率（%） | 厚度（毫米） | 开路电压（mV） | 短路电流密度（mA/cm²） | 填充因子（%） | 面积（cm²） | 年份 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| UNSW | 晶圆减薄 | 21.5 | 47 | 698.5 | 37.9 | 81.1 | 4.0 | 1995 |
| IPE | 层转移 | 17.0 | 47.6 | 634 | 36.0 | 74.6 | 2.0 | 2009 |
| IPE | 层转移 | 16.9 | 41.6 | 641 | 33.5 | 78.7 | 2.0 | 2007 |
| ZAE | PSI | 15.4 | 25.5 | 623 | 32.7 | 75.5 | 3.88 | 2003 |
| ISFH | PSI | 14.1 | 25 | 616 | 29.0 | 78.8 | 95.5 | 2006 |
| ISFH | PSI（背接触） | 13.5 | 30 | 633 | 28.7 | 74 | 79.2 | 2009 |
| ISE | 晶圆减薄 | 20.7 | 37 | 677 | 37.5 | 81.6 | 4.0 | 2009 |

从表格中可以看出，不用减薄晶圆制作的太阳能电池的最大效率远低于新南威尔士大学（UNSW）的 21.5%，这表明薄单晶硅太阳能电池仍有很大的改进潜力。模拟显示，对于体材料寿命超过 200 ms 的情况，效率可接近 24%。

3. 薄太阳能电池的应用领域

薄单晶硅太阳能电池由于具有高功率重量比和柔韧性，开辟了许多新的应用领域：
- 航空和航天应用 ：在这些领域，对太阳能电池的功率重量比要求很高，薄太阳能电池能够满足这一需求。
- 曲面应用 ：薄 c - Si 薄膜的柔韧性使其可以应用在曲面上。
- 消费电子 ：如太阳能夹克或手机等，这些应用需要具有高功率重量比的柔性模块。此外，还包括低重量辐射传感器、信用卡上的柔性电源或便携式户外发电机等。

例如，在服装集成光伏（CIPV）中，将非晶硅模块集成到滑雪夹克中，通过 USB 端口为消费电子设备供电。但非晶硅模块的转换效率较低，而使用薄、柔性的单晶硅太阳能电池模块可以在相同功率输出下减少所需的模块面积。

4. 视网膜植入技术的背景与发展历程

除了太阳能电池领域，超薄芯片技术在视网膜植入方面也有重要应用。视网膜植入是一种直接替代人眼视网膜中功能失调的光感受器的技术。

目前，电子视觉辅助设备已经成功帮助视力受损的人在控制测试环境中看到轮廓、改善方向感并识别光源、形状、字母和单词。这对于因视网膜退行性疾病（如色素性视网膜炎或黄斑变性）而完全丧失视力的人来说是个好消息，仅在德国每年就有 17,000 例此类患者。

早期尝试通过视网膜的电刺激来创建技术视觉辅助设备可以追溯到 1956 年的 Tassiker。当时，半导体和刺激电极的小型化技术还不存在，但有详细记录描述了通过光感受器电流在视网膜中电生成（诱发）光印象（磷光体）的刺激。20 世纪 60 年代末，Brindley 和 Dobelle 通过使用表面电极阵列对视觉皮层进行电刺激来研究视觉印象的产生。到了 20 世纪 90 年代，微技术的进步以及全球对神经技术和神经植入的关注，促使创建了多个联盟，并详细阐述了使用微电子植入物刺激视网膜或视神经的不同方法。目前，有近 30 个联盟或公司采用不同方法来创建神经电子视觉辅助设备。

5. 视网膜植入的不同概念和技术

视网膜植入有多种不同的解剖位置和刺激电极的方法，主要包括以下几种：
- 视网膜下刺激 ：直接在退化的感受器处进行刺激。
- 视网膜上刺激 ：直接在神经节细胞处进行刺激。
- 表面神经纤维和视神经刺激 ：使用称为袖带电极的螺旋电极，附着在眼球外的视神经上。
- 经巩膜植入 ：位于眼球周围巩膜的外侧，通过巩膜使用针状电极产生视网膜下刺激，这种方法可以避免在眼球内进行广泛的手术操作。

从体外和体内测试中获得的信息表明，在导电电极上的电荷转移在 1 - 40 nC 范围内时，在视网膜下和视网膜上刺激期间可以产生电刺激的短光现象。电荷在电极材料和组织之间的传输是通过电极极大分形表面上水分子的再极化进行的，不会超过解离所需的电压，因此信号传输优选为电容性，避免了有毒反应产物的产生。

从技术角度来看，不同的植入位置需要不同的信息传输方法。视网膜上和经巩膜植入以及视神经刺激需要视频摄像机处理的图像信息，并通过无线电或光耦合将信息串行传输到植入物。内部电路的结构通常包括数据/能量传输、刺激信号发生器（通常是双相幅度控制电源）和单级或多级多路复用器，将信号串行转发到 16 - 200 个刺激电极。用于成像的摄像机最好是高分辨率、低功耗的类型。

以下是视网膜植入不同概念的对比表格：
| 植入类型 | 刺激位置 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 视网膜下刺激 | 退化的感受器 | 更接近自然视觉处理过程 | 手术难度较大 |
| 视网膜上刺激 | 神经节细胞 | 手术相对简单 | 可能需要更复杂的信号处理 |
| 表面神经纤维和视神经刺激 | 视神经 | 避免眼球内手术 | 信号传输可能不够精确 |
| 经巩膜植入 | 巩膜外侧 | 避免眼球内广泛手术 | 刺激效果可能受巩膜影响 |

综上所述，超薄芯片技术在太阳能电池和视网膜植入领域都展现出了巨大的潜力和应用前景。随着技术的不断发展，我们有理由相信这些领域将会取得更加令人瞩目的成果。

超薄芯片技术：从太阳能电池到视网膜植入的创新应用

6. 视网膜植入芯片的设计与要求

由于眼球内可用的物理空间有限，视网膜植入芯片需要非常薄，厚度通常在 30 - 50 毫米之间。而且这些芯片是未封装的，因此需要进行钝化处理以确保长期的稳定性和可靠性。

在芯片设计方面，主要有被动和主动两种设计概念：
- 被动设计概念 ：这种设计相对简单，芯片主要起到传导和转换信号的作用，不包含复杂的信号处理电路。其优点是结构简单、功耗低，但可能在信号处理能力和适应性方面存在一定局限。
- 主动设计概念 ：主动设计的芯片集成了更多的功能电路，能够对输入的信号进行更复杂的处理和优化。例如，可以根据不同的视觉场景调整刺激参数，提高视觉恢复的效果。但主动设计芯片的复杂度和功耗相对较高。

以下是被动和主动设计概念的对比流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(输入信号):::process --> B(被动芯片):::process
    A --> C(主动芯片):::process
    B --> D(简单传导与转换):::process
    C --> E(复杂信号处理):::process
    D --> F(输出刺激信号):::process
    E --> F

7. 视网膜植入技术面临的挑战与解决方案

尽管视网膜植入技术已经取得了一定的进展，但仍然面临着许多挑战：
- 生物相容性问题 ：芯片与眼球内组织的长期接触可能会引发免疫反应或炎症，影响芯片的性能和患者的健康。解决方案包括采用生物相容性良好的材料制作芯片，以及对芯片表面进行特殊处理，降低免疫原性。
- 信号传输与处理 ：如何准确地将外部图像信息转换为适合视网膜神经细胞的刺激信号，是一个关键问题。目前的技术在信号处理的精度和适应性方面还有待提高。可以通过进一步研究视网膜神经细胞的生理特性，优化信号处理算法，提高信号传输的准确性。
- 手术风险 ：视网膜植入手术是一种复杂的手术，存在一定的风险，如感染、出血等。为了降低手术风险，需要不断改进手术技术，提高医生的操作水平，同时开发更安全、便捷的手术工具。

以下是应对这些挑战的操作步骤列表：
1. 生物相容性方面 ：
- 筛选和测试生物相容性材料，如某些陶瓷、聚合物等。
- 对芯片表面进行涂层处理，如涂覆生物活性分子，促进组织与芯片的良好结合。
2. 信号传输与处理方面 ：
- 建立视网膜神经细胞的数学模型，深入研究其对不同刺激信号的响应特性。
- 开发自适应的信号处理算法，根据患者的实际情况实时调整刺激参数。
3. 手术风险方面 ：
- 开展模拟手术培训，提高医生的手术技能。
- 研发新型的手术器械，如更精确的微操作工具和可视化设备。

8. 超薄芯片技术未来发展趋势

超薄芯片技术在太阳能电池和视网膜植入领域的应用前景广阔，未来可能会朝着以下几个方向发展：
- 更高的效率和性能 ：在太阳能电池方面，通过进一步优化材料和结构，提高转换效率；在视网膜植入方面，提高芯片的信号处理能力和刺激精度，改善视觉恢复效果。
- 更小的尺寸和功耗 ：随着制造工艺的不断进步，芯片的尺寸将进一步减小，功耗也会降低，这对于太阳能电池的集成和视网膜植入的长期使用都非常重要。
- 更多的功能集成 ：太阳能电池可能会集成储能、智能控制等功能；视网膜植入芯片可能会集成更多的传感器和反馈机制，实现更智能化的视觉恢复。

以下是未来发展趋势的对比表格：
| 应用领域 | 发展趋势 | 具体表现 |
| ---- | ---- | ---- |
| 太阳能电池 | 更高的效率和性能 | 转换效率进一步提高，例如接近理论极限效率 |
| | 更小的尺寸和功耗 | 电池体积更小，可集成性更强，功耗降低以提高能源利用率 |
| | 更多的功能集成 | 集成储能模块，实现白天发电存储，晚上供电；具备智能控制功能，根据光照条件自动调整工作模式 |
| 视网膜植入 | 更高的效率和性能 | 更精确地模拟自然视觉信号，提高视觉恢复的清晰度和色彩感知 |
| | 更小的尺寸和功耗 | 芯片更轻薄，减少对眼球的负担，降低功耗以延长电池使用寿命 |
| | 更多的功能集成 | 集成生物传感器，实时监测眼球内环境；具备反馈机制，根据患者的视觉体验自动调整刺激参数 |

9. 结论

超薄芯片技术在太阳能电池和视网膜植入领域都展现出了巨大的潜力和应用价值。在太阳能电池方面，不同类型的薄晶体硅太阳能电池各有优缺点，未来有望通过技术创新提高效率和降低成本，拓展更多的应用场景。在视网膜植入领域，虽然已经取得了一定的进展，但仍然面临着诸多挑战，需要科研人员不断努力，解决生物相容性、信号处理和手术风险等问题。

随着技术的不断发展，超薄芯片技术将在更多领域得到应用，为人类的生活带来更多的便利和改善。无论是在清洁能源领域还是医疗健康领域，超薄芯片技术都将成为推动行业发展的重要力量。我们期待着未来这些技术能够取得更大的突破，为人类创造更美好的未来。