[发明专利]一种高体积比能量密度微能源系统及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高体积比能量密度微能源系统及其制作方法，更具体地说涉及一种高体积比能量密度，可使物联网节点在连续阴天条件下正常工作的微能源系统的设计与制备方法。属微电子技术领域。

背景技术

物联网传感器节点的微型化、可布撒、无人值守是未来发展的趋势，对能源的体积、重量、功率和工作电流都提出了特殊的要求，迫切要求有体积小、重量轻、(体积)比容量高的微能源与之匹配，微能源与负载单片集成将有利于进一步提高微系统的体积比能量密度。

非晶锗硅薄膜太阳能电池是目前薄膜太阳电池中最有希望的电池之一，AM1.5条件(1000W/m²，25℃条件下，IEC61646--地面用光伏组件设计和定型(GB/T18911-2002)的测试标准)下，效率可达15％以上，另一方面，该电池衬底为玻璃，厚度为1毫米，具有很好的支撑性，成为能源微系统集成的衬底备选，利用玻璃正面、背面都可以采用溅射生长Al膜，通过通孔技术实现电学连接，同时可以通过Al膜实现正面锗硅薄膜电池与背面的能源管理模块、物联网节点收发模块的互连，实现有效的单片集成，提高微系统的体积比能量密度。

全固态薄膜锂电池克服了常规液态电解质电池需要严密封装的缺点，可以借助溅射工艺在真空中成膜，工艺简化，工艺可控性得到有效提升，同时也成为现有锂电池中长寿命、高体积比能量密度的代表之一。全固态薄膜锂电池通常由阴极薄膜、电解质薄膜和阳极薄膜三部分组成。常规全固态薄膜锂电池中的阴极薄膜材料一般采用LiCoO₂、LiMnZO以及Li_xV₂O₅。该类材料存在制备工艺复杂的问题，而且在制备过程中一般需要高温退火过程，而该退火过程将损害电子元器件，从而限制了全固态薄膜锂电池在半导体行业中的应用。本发明采用溅射工艺制备氮化镍钴薄膜作为锂电池阴极。常规锂电池采用液态电解液，存在封装不严可能泄漏和循环寿命受限的缺点，LiPON由于具有较高的锂离子电导率、良好的电化学稳定性成为当前锂电池电解质材料的重要备选材料。选用上述材料和工艺有利于提高锂电池的体积比能量密度。

通常采用1次电池的传感器节点，电池消耗完后电池节点失效；而采用二次电池的传感器节点，现有物联网传感器节点大多采用镍氢电池供电，主要缺点是体积大，通常为4×4×4cm³以上，所以体积比能量密度低，通常不超过150WH/L，电池消耗完后，需要人工换电池或充电，不能适应未来大规模抛撒，长时间无人值守的需求。调研未见使用如本发明所提出的非晶锗硅太阳电池的衬底、储能、能源管理及负载单片集成的实际应用报道。采用该结构最大的优点是体积比能量密度高，可以保持4天阴天连续供电，能够大规模抛撒，长时间无人值守的特殊需求。

发明内容