基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器制造技术

本发明专利技术的基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器，主要应用于收集计算机中央处理器的热能和环境中的光能给分布在计算机中央处理器周围的小功耗元器件供电。本发明专利技术的能量收集器利用纳米级别的异质光电PN结收集环境中的光电，利用纳米级别的热电偶收集计算机中央处理器上的热能，纳米热电偶的热导率远低于传统体材料，具有较高的热电转化效率，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小功耗元器件的供电。所述的基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器制作在N型硅片衬底上，包括光电池和热电能量收集器，这两者通过一层二氧化硅层进行电学隔离。

【技术实现步骤摘要】
基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器
本专利技术提出了一种基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
我国经济与社会发展已进入大量消耗能源阶段，而自身能源又贫乏，围绕能源而形成的国际政治、经济环境又复杂，这就决定了我们必须重视节能、支持可再生能源的发展，才能实现能源消费的可持续。与此同时，作为信息社会的重要硬件组成部分，中央处理器CPU的功耗相对较大，并且发热严重，效率较底。中央处理器工作时散发的热量不仅造成其温度升高，影响了正常的工作，还造成了能量的浪费。以纳米PN结和纳米热电堆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，纳米热电堆的热导率远低于传统体材料，具有较高的热电转化效率，可对中央处理器工作中耗散的热能和环境中的光能进行重新收集，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，同时也可为布置在中央处理器周围的小功耗元器件供电，最终实现绿色通信的目的。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是提供一种基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器，基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器包括光电池和热电能量收集器，光电池用以收集环境中的光能，热电能量收集器用以收集计算机中央处理器表面的热能，所收集的能量将转换成电能存储起来用于给计算机中央处理器周围的小功耗元器件供电，最终实现绿色通信。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器。其结构主要包括N型硅衬底、绒面、氧化铝镀膜层、衬底n型掺杂区、衬底P型掺杂、氮化硅层、光电池电极、光电池输出pad、二氧化硅隔离层、纳米热电堆、二氧化硅保护层、聚酰亚胺层和金属散热板。。基于纳米PN结和纳米热电堆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、纳米PN结、氮化硅层、光电池光电极和光电池输出pad构成，其中纳米PN结由衬底n型掺杂区、衬底P型掺杂构成，为光电异质结。热电能量收集器由纳米热电堆、二氧化硅保护层、聚酰亚胺层和金属散热板构成，其中纳米热电堆包括N型多晶硅纳米线簇、P型多晶硅纳米线簇、金属连线、聚甲基丙烯酸甲酯和热电输出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；在电池的上表面，采用凝胶旋涂法在N型多晶硅衬底上制作一个周期性的纳米光电PN结，光电PN结的宽度是纳米尺寸的；接着制作一个N-N+型的欧米接触用于引出光电极。然后在光电池上表面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。热电能量收集器主要由水平放置的纳米热电堆、聚酰亚胺隔热层和金属散热板构成。其中水平纳米热电堆是由多对水平纳米热电偶呈太阳发散状串联而成，水平纳米热电堆由水平放置的N型多晶硅纳米线簇和P型多晶硅纳米线簇构成，多晶硅纳米线簇直接利用金属连接线进行电器互联，两端通过金属pad输出，呈水平太阳发散结构排列在硅衬底上，衬底上中心位置的纳米热电堆上覆盖金属散热板，有效地实现了散热，同时提供纳米热电堆热端热场，增大了纳米热电堆与周围环境的热耦合；纳米热电堆的四周覆盖了一层聚酰亚胺层作为隔热层，实现与纳米热电堆热端的热学隔离；纳米热电堆上也有一层二氧化硅层作为电器绝缘层；为了增加热电能量收集器结构的稳定性，纳米热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯。热电能量收集器和光电池之间有一层二氧化硅层，作为电器绝缘层。光电池的工作原理如下：当具有适当能量的光子入射于光电池的PN结时，光子与构成半导体材料相互作用产生电子和空穴，在PN结区域的电场作用下，电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，分别聚集于两个电极部分，产生一定的电势差同时在光电输出pad输出功率。输出功率时，除了光生电流外，由于输出电压，还存在一个与光生电流相反的结“暗电流”，输出到负载的电流实为光生电流和暗电流之差。热电能量收集器的工作原理如下：当在基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器的散热板上施加一定的温差，热量会从热端面注入，经过纳米热电堆后，最后从冷端面排出，并在热电能量收集器上形成一定的温度分布。由于纳米热电堆存在一定的热阻，在纳米热电堆的冷热结点之间会产生相应的温差，基于塞贝克效应纳米热电堆两端的热电输出pad会输出与温差成正比的电势，连接负载后可实现功率输出。该基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器用于计算机中央处理器中，将基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器的散热板贴在计算机中央处理器的表面，对计算机中央处理器工作中耗散的热能进行收集，能够减少能源的浪费，提高能源利用效率；光电池的受光面朝上，用于接受环境中的光线，对光能进行俘获，收集的能量通过DC-DC转换模块后，被存贮在电池中，可为布置在计算机中央处理器周围的小功耗元器件供电，最终实现绿色通信。有益效果：本专利技术相对于现有的发电机具有以下优点：1.本专利技术的基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器以纳米PN结和纳米热电堆作为发电元件，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，具有较高的热电转化效率；2.工艺上采用成熟的CMOS工艺和MEMS工艺制造，优点有体积小、成本低、可批量制造，以及能够和微电子电路实现单片集成；3.实现了热电-光电两种能量收集方式的单片集成，在复杂周围环境下，两种收集方式可相互补充，协同供电；4.光电池采用全背电极结构，相对传统光电池结构，具有无遮光损失、低电极串阻和便于器件互联的优势；5.基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器的热电能量收集器采用水平型结构，即热流路径平行于芯片表面，电流路径平行于芯片表面，使得纳米热电堆的两端具有相当较大的温度差，同时位于芯片平面内的纳米热电堆，可采用IC兼容工艺制作，具有较高的集成密度和较大的输出电压密度；6.光电池与热电光电能量收集器为固态能量转换器，没有可动部件，可靠性高，使用寿命长，无需维护，工作时不会产生噪音；7.基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器的所有电极均在同一平面，避免了类似过孔的复杂电学连接。附图说明图1为本专利技术基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器在计算机中央处理器中的应用示意图；图2为本专利技术基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器的光电池衬底P型掺杂区的俯视结构示意图；图3为本专利技术基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器的光电池衬底N型掺杂区和衬底P型掺杂区的俯视结构示意图；图4为本专利技术基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器的光电池在图3中的A-A’向剖视本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器，其特征在于：所述的基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器包括光电池和热电能量收集器；光电池包括N型硅片衬底(7)，绒面(8)，氧化铝镀膜层(9)，纳米PN结，氮化硅层(12)，光电池电极(13)，光电输出pad(14)，纳米PN结包括衬底n型掺杂区(10)和衬底P型掺杂(11)，PN结的尺寸为纳米数量级；热电能量收集器包括纳米热电堆，第二二氧化硅层(15)，聚酰亚胺层(16)，金属散热板(17)，纳米热电堆包括N型多晶硅纳米线簇(18)，P型多晶硅纳米线簇(19)，金属连线(20)、聚甲基丙烯酸甲酯(21)和热电输出pad(22)；所述的光电池和热电能量收集器由第一二氧化硅层(23)进行电学隔离，收集的能量通过光电输出pad(14)和热电输出pad(22)连接向DC‑DC转换模块(4)；该能量收集器主要功能是收集计算机中央处理器(1)的热能和环境中的光能给小功耗元器件(5)供电；收集的能量通过DC‑DC转换模块(4)将收集的电能转换成直流电信号，最终存储在充电电池(6)中，充电电池(6)中的电可以实现给小功耗元器件(5)的供电。...

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器，其特征在于：所述的基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器包括光电池和热电能量收集器；光电池包括N型硅片衬底(7)，绒面(8)，氧化铝镀膜层(9)，纳米PN结，氮化硅层(12)，光电池电极(13)，光电输出pad(14)，纳米PN结包括衬底n型掺杂区(10)和衬底P型掺杂(11)，PN结的尺寸为纳米数量级；热电能量收集器包括纳米热电堆，第二二氧化硅层(15)，聚酰亚胺层(16)，金属散热板(17)，纳米热电堆包括N型多晶硅纳米线簇(18)，P型多晶硅纳米线簇(19)，金属连线(20)、聚甲基丙烯酸甲酯(21)和热电输出pad(22)；所述的光电池和热电能量收集器由第一二氧化硅层(23)进行电学隔离，收集的能量通过光电输出pad(14)和热电输出pad(22)连接向DC-DC转换模块(4)；该能量收集器主要功能是收集计算机中央处理器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖小平，严德洋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32