[发明专利]一种双硅片基固态超级电容及其制备方法

说明书

本发明涉及一种双硅片基固态超级电容及其制备方法，该超级电容由两个相对设置的电极结构粘合构成，电极结构包含衬底、设置在衬底背面上的硅纳米阵列结构、过渡金属掺杂的氧化铟薄膜层及固态电解质层，上述过渡金属包括镍、钴或者锰。本发明提供的硅基超级电容制备在低阻单晶硅的背面，可以充分利用硅材料，节约成本；与传统的硅基集成电路工艺兼容，制备工艺简单，成本低廉；过渡金属掺杂的氧化铟薄膜兼具氧化铟高电导率和过渡金属氧化物理论高比电容值的优势，从而保证所制备的超级电容可以同时拥有较高的功率和能量密度。

技术领域

本发明涉及一种超级电容器，尤其是涉及一种双硅片基固态超级电容及其制备方法。

背景技术

随着无线充电和物联网的快速发展，需要芯片能够实现能量自治。在用于能量存储的电子器件中，超级电容因同时拥有高的功率密度和循环寿命得到了广泛的关注。超级电容可以通过电双层(电双层超级电容)或者近表面的氧化还原反应(赝电容)来存储能量。通常，赝电容的能量密度要远远大于电双层电容。为了能与硅基芯片集成，需要将超级电容直接制备在芯片上。其次，由于需要额外的封装来阻止液态电解质的泄露，所以采用固态电解质是最佳的选择。也就是说，全固态超级电容更适合与硅基芯片集成。为了充分利用硅材料，可以对硅衬底进行结构设计，并使其直接作为电极材料。基于这种思想，大量的硅基纳米结构被用来作为制备超级电容的模板。由于硅很容易被氧化，而且是不可逆的，所以通常在硅表面覆盖一层钝化层，比如石墨烯、碳、氮化钛等。然而，这些超级电容都是利用电双层来存储电荷，所以可获得的能量密度都比较小。

为了增大能量密度，可以引入金属氧化物，比如氧化钌、氧化镍、氧化钴、氧化锰、氧化铟等，这些材料可以与电解质发生可逆的氧化还原反应，从而可以获得更大的电容密度和能量密度。此外，为了能够获得较高的功率密度和良好的充放电特性，还要求这些金属氧化物材料拥有较高的电导率。虽然氧化钌拥有最高的电导率，但是钌属于贵金属，所以氧化钌的制造成本较高，不利于大规模使用；此外氧化钌对环境有害。氧化铟电导率高，但是理论比电容值小；氧化镍、氧化钴和氧化锰理论比电容值都比较高，但是电导率低。中国专利CN104205433B、CN101989499A等公开的技术方案均无法实现将镍、钴、锰等过渡元素掺杂到氧化铟中，将过渡金属掺杂的氧化铟薄膜作为赝电容材料目前尚未有相关报道。因此，亟需开发一种工艺条件能与硅基集成电路兼容的，成本低廉，可以同时拥有较高的功率密度和能量密度的固态超级电容。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种双硅片基固态超级电容及其制备方法，根据之前对于氧化铟作为赝电容材料的研究以及其他研究者对于过渡金属氧化物作为赝电容材料的研究，提出了本方案。该超级电容与传统的硅基集成电路工艺兼容，其能量和功率密度高，制备工艺简单，成本低廉。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双硅片基固态超级电容，由两个相对设置的电极结构粘合构成，其中，电极结构包含衬底、设置在衬底背面上的硅纳米阵列结构、过渡金属掺杂的氧化铟薄膜层及固态电解质层；所述的过渡金属包括镍、钴或者锰，经原子沉积方法生长在所述氧化铟薄膜层内，，过渡金属所占摩尔比例为10～50％。

较佳地，所述的衬底选择其背面存在一个低电阻率区的单晶硅衬底，深度范围为1～100μm。该低电阻率区(0.001～0.01Ω·cm)单晶硅可以直接作为超级电容的集流体。

较佳地，所述的硅纳米阵列结构作为超级电容的集流体和三维骨架，可选择硅纳米柱或硅纳米孔，深度范围为1～100μm。。

较佳地，固态电解质选择氢氧化钾或者硫酸和PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)混合得到的凝胶。

上述硅基全固态超级电容的制备方法，包括：

步骤1，以衬底背面含有低电阻率区域的单晶硅衬底作为起始基底，在衬底的背面，通过光刻工艺定义出硅纳米阵列结构的图形；