[发明专利]基于多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的热电光电能量收集器

说明书

本发明的基于多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的热电光电能量收集器，主要应用于收集射频收发组件放大器的热能和环境中的光能给无线传感节点供电。基于多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的热电光电能量收集器包括光电池和热电能量收集器，光电池采用超晶格结构，热电能量收集器采用多晶硅纳米薄膜构成纳米热电偶，具有体积小的特点，同时与传统的热电光电能量收集器相比，具有较高的热电光电转化效率。本发明将收集到的能量然后通过DC‑DC转换模块转换成直流电信号，最终存储在充电电池中，充电电池中的电能可以实现给无线传感节点的供电。

技术领域

本发明提出了一种基于多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的热电光电能量收集器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

能源是人类社会生活和发展的物质基础，一直为世界各国所重视。现状信息社会对于能源的需求越来越大。射频收发组件作为现状信息社会无线系统的一个重要组成部分，广泛应用于通信和雷达系统。射频收发组件作尤其是其中的功率放大器，在工作时效率十分低，有相当一部分能量以热能的形式耗散，不仅造成收发组件的升温，影响了模块正常的工作，还造成了能量的浪费。

以多晶硅纳米薄膜和超晶格结构作为发电元件的热电光电能量收集器具有体积小的特点，同时与传统的热电光电能量收集器相比，多晶硅纳米薄膜的热导率远低于传统体材料，具有较高的热电光电转化效率，可对射频功率放大器工作中耗散的热能和环境中的光能进行重新收集，同时将光电池与热电能量收集器进行单片集成。收集产生的电能通过DC-DC转换被存贮在电池中，不仅能够提高能量的使用效率，减少能源的浪费，同时也可为布置在功率放大器周边的各种无线传感节点供电，最终实现绿色通信的目的。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种基于多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的热电光电能量收集器，光电池与热电能量收集器分别采用多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的纳米热电偶，二者集成在同一片衬底上，可同时对环境中的热能和光能进行收集，在复杂周围环境下，两种收集方式可相互补充，所收集的能量用于给无线传感节点供电，最终实现绿色通信。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的热电光电能量收集器。该结构主要包括光电池和热电能量收集器，两者制备于同一衬底之上，实现了光电-热电的单片集成。

基于多晶硅纳米薄膜和超晶格结构的热电光电能量收集器制作在长载流子寿命的N型硅片衬底上，主要由光电池和热电能量收集器集成而成。光电池由N型硅片衬底、绒面、氧化铝镀膜层、超晶格结构PN结、氮化硅层、光电池光电极和光电池输出pad构成。热电能量收集器由热电堆、二氧化硅保护层、聚酰亚胺层和金属散热板构成。其中热电堆包括N型多晶硅纳米薄膜、P型多晶硅纳米薄膜、金属连线和热电输出pad。光电池和热电能量收集器由二氧化硅保护层相隔离。

光电池的衬底选用长载流子寿命的N型硅片，衬底的下表面作为受光面，采用织构化的倒金字塔绒面结构，作用是减小入射光的反射；在绒面结构上涂覆了一层特定厚度的氧化铝镀膜层，利用氢钝化和固定电荷效应来减小电池的体复合与表面复合；在下表面采用离子注入方法制作了一个N-N+高低结，又被称为背电场结构，用于减小表面复合；在电池的上表面，非晶硅和碳化硅纳米薄膜交替排列构成超晶格结构，在超晶格结构的上方覆盖了一层外延的单晶硅薄膜，部分为P型掺杂区，作为光电池的发射区，部分为N型掺杂区，用于和基区电极形成欧姆接触，单晶硅薄膜上覆盖一层二氧化硅层钝化层，并于特定的区域开了一系列的电极接触孔，用于减少上表面的表面复合，叉指形光电池电极包括基区电极和发射区电极，采用金属互联层制作，相比传统的光电池结构，上表面的电极宽度很大，一方面减少了电池的背面反射，另一方面减小了电池的寄生电阻，有利于提高输出性能。