[发明专利]基于纳米PN结和纳米热电堆的热电光电能量收集器

说明书

本发明的基于纳米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。

技术领域

本发明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)的技术领域。

背景技术

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。

发明内容

技术问题:本发明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，本发明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。