CN112071935B - 一种基于太阳能的三维集成系统及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于太阳能的三维集成系统及制备方法，所述三维集成系统包括纳米电容结构、太阳能电池、第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，其中：所述纳米电容结构安装在所述太阳能电池底部，所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构分别设置在所述太阳能电池的顶部左右两侧，所述太阳能电池和所述纳米电容结构之间通过所述第一硅通孔结构、所述第二硅通孔结构集成在一起并电力连接，使得所述太阳能电池将产生的电能储存在所述纳米电容结构内部，且所述纳米电容结构与所述太阳能电池共用一个电极，通过收集太阳能进行发电并将电力储存在纳米电容结构之中，能够提供持续稳定的能量输出，同时系统集成度高，体积小，易于微缩。

Description

一种基于太阳能的三维集成系统及制备方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种基于太阳能的三维集成系统及制备方法。
背景技术
在摩尔定律引领器件的小型化技术发展路线之外，功能化的微纳米器件集成形成多功能化的微纳米器件系统，并实现人体健康、环境监测、人机交互、个人电子以及生物诊断等方面的大规模网络，其重要性日益凸显。集成嵌入式的能量收集器件形成智能化的自供能系统是电子器件发展的重要方面。自供能器件可以将环境中的能源如热能、太阳能和机械能等转化为电能。其中，太阳能电池在自供能中具有较好的前景，可以为射频设别标签、物联网、手机等便携式电子产品供能。
然而，纳米发电机依赖环境中无法持续获得的能量源。因此，需要能量存储器件来维持器件不中断的工作，能量存储器件能够提供峰值负载，然而能量产生器件却无法提供。一般来讲，能量存储器件或者是电池，或者是电容。然而，电池一般都是独立的能量供应部件，很难与其它器件直接集成。此外，电池的另外一个缺点是它有限的放电效率。相比之下，电容可以提供更大的放电电流；使用电容作为能量存储的其它优势还包括较长的循环寿命和较高的功率密度。
因此，有必要提供一种新型的基于太阳能的三维集成系统及制备方法以解决现有技术中存在的上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于太阳能的三维集成系统及制备方法，收集太阳能进行发电并将电力储存在纳米电容结构之中，能够提供持续稳定的能量输出。
为实现上述目的，本发明的所述一种基于太阳能的三维集成系统，包括纳米电容结构、太阳能电池、第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，其中：
所述纳米电容结构安装在所述太阳能电池底部，所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构分别设置在所述太阳能电池的顶部左右两侧，所述太阳能电池和所述纳米电容结构之间通过所述第一硅通孔结构、所述第二硅通孔结构集成在一起并电力连接，使得所述太阳能电池将产生的电能储存在所述纳米电容结构内部，且所述纳米电容结构与所述太阳能电池共用一个电极。
本发明的有益效果在于：通过将太阳能电池与纳米电容结构采用共用电极的方式集成在一起，并通过第一硅通孔结构和第二硅通孔结构电连接，使得太阳能电池在收集电能之后将电能储存在纳米电容结构之中，从而使得整个系统能够持续稳定输出电能，而且整体结构尺寸较小，易于微缩，同时第一硅通孔结构和第二硅通孔结构在太阳能电池上占据面积较小，保证了太阳能电池具有良好的发电效果。
进一步的，所述纳米电容结构包括刻蚀衬底，所述刻蚀衬底上设置有多个硅纳米孔，所述刻蚀衬底表面和所述硅纳米孔表面由下到上依次设置有第一隔离介质、第一底部金属电极层、第一绝缘介质和第一顶部金属电极层，且所述硅纳米孔内部被完全填充。其有益效果在于：第一隔离介质将刻蚀衬底与第一底部金属电极层隔离开，同时通过第一绝缘介质将第一底部金属电极层和第一顶部金属电极层绝缘隔离，保证纳米电容结构工作时不易产生干扰影响，使得纳米电容结构工作更加稳定。
进一步的，所述太阳能电池包括第一半导体层、第二半导体层与第二顶部金属电极层，所述第一半导体层和所述第二半导体层依次设置在所述第一顶部金属电极层顶端并形成PN结，所述第二顶部金属电极层设置在所述第二半导体层顶部，所述第一顶部金属电极层、所述PN结和所述第二顶部金属电极层共同组成太阳能电池。其有益效果在于：采用第一半导体层和第二半导体层组成PN结，配合第一顶部金属电极层和第二顶部金属电极层组成太阳能电池进行太阳能发电，实现太阳能和电能的转换，而且太阳能电池和纳米电容结构集成在一起，减小了系统体积，提高了系统集成度。
进一步的，所述第一硅通孔结构贯穿所述第二顶部金属电极层、所述第一半导体层、所述第二半导体层并与所述第一顶部金属电极层接触，所述第二硅通孔结构贯穿所述第二顶部金属电极层、所述第一半导体层、所述第二半导体层、所述第一顶部金属电极层、所述第一绝缘介质，并与所述第一底部金属电极层接触，所述第一硅通孔结构的侧壁、上表面与所述第二硅通孔结构侧壁、上表面均设置有第二隔离介质。其有益效果在于：通过第一硅通孔结构和第二硅通孔结构将纳米电容结构与太阳能电池之间集成在一起并导电连接，提高了系统的集成度，而且第一硅通孔结构和第二硅通孔结构都是分布在太阳能电池的顶部两侧局部位置，对太阳能电池的太阳能采集影响较小，保证太阳能电池的高效运行。
进一步的，所述第二隔离介质在所述第二顶部金属电极层右上方呈断裂状态并形成沟槽结构，所述沟槽结构与所述第二硅通孔结构相邻设置。其有益效果在于：沟槽结构能够将第一硅通孔结构与第二硅通孔结构隔离开来，避免两者产生影响。
进一步的，所述第一硅通孔结构的内表面、所述第二硅通孔结构的内表面、所述沟槽结构的内表面均设置有一层铜扩散阻挡层，所述铜扩散阻挡层将所述第一底部金属电极层与所述第二顶部金属电极层电连接，所述铜扩散阻挡层表面设置有一层铜籽晶层，所述铜籽晶层表面覆盖设置有铜金属层，所述第一硅通孔结构、所述第二硅通孔结构、所述沟槽结构内部被所述铜扩散阻挡层、铜籽晶层、铜金属层组成的结构完全填充，位于所述第一硅通孔结构内部、所述第二硅通孔结构内部、所述沟槽结构内部的所述铜金属层与所述铜籽晶层高度相同。其有益效果在于：通过第一硅通孔结构和第二硅通孔结构内部沉积的各个材料层，使得纳米电容结构内储存的太阳能电池的电能能够向外部传输，起到了良好的传导作用。
进一步的，所述第二顶部金属电极层上表面设置有中心槽，所述中心槽贯穿所述第二隔离介质、铜扩散阻挡层和铜籽晶层，所述中心槽左右两侧均设置有第三隔离介质，所述第三隔离介质分别与所述铜扩散阻挡层、铜籽晶层、铜金属层接触，且所述第三隔离介质的高度与所述铜籽晶层的高度相同。其有益效果在于：通过第三隔离介质将两侧的铜扩散阻挡层、铜籽晶层、铜金属层之间隔离开来，避免产生相互影响。
进一步的，所述第一硅通孔结构顶部设置有第一金属接触凸点，所述第二硅通孔结构顶部设置有第二金属接触凸点，所述第一金属接触凸点通过所述第一硅通孔结构与所述第一顶部金属电极层导通连接，所述第二金属接触凸点通过所述第二硅通孔结构与所述第一底部金属电极层导通连接，所述第一金属接触凸点和所述第二金属接触凸点均与所述铜金属层接触连接。其有益效果在于：通过第一金属接触凸点和第二金属接触凸点，将纳米电容结构内收集的太阳能电池的电能向外部输出，以便接负载使用，输出持续稳定的电能。
本发明还提供了一种基于太阳能的三维集成系统的制备方法，包括如下步骤：
选择刻蚀衬底并在所述刻蚀衬底表面刻蚀出多个硅纳米孔并制备获得纳米电容结构；
在所述纳米电容结构表面制备出共用电极的太阳能电池；
对所述太阳能电池顶部两侧处理得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构；
在所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构内部进行金属布线，将所述纳米电容结构与所述太阳能电池之间导通连接，以获得最终的三维集成系统。
本发明的有益效果在于：通过将纳米电容结构和太阳能电池之间集成在一起，不仅共用一个电极，而且通过第一硅通孔结构和第二硅通孔结构集成纳米电容结构与太阳能电池，减小了系统体积，提高了系统集成度，能够获得持续稳定的能量输出。
进一步的，所述选择刻蚀衬底并在所述刻蚀衬底表面刻蚀出多个硅纳米孔并制备获得纳米电容结构的具体过程包括：
选择刻蚀衬底并在所述刻蚀衬底上确定出硅纳米孔的图形结构；
根据所述图形结构在所述刻蚀衬底上刻蚀获得多个硅纳米孔以形成阵列；
在所述硅纳米孔内表面和所述刻蚀衬底顶端表面沉积获得第一隔离介质；
在所述第一隔离介质表面沉积获得第一底部金属电极层、第一绝缘介质和第一顶部金属电极层。
其有益效果在于：通过上述方式得到的纳米电容结构性能稳定，使用寿命长。
进一步的，所述第一隔离介质包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种，所述第一隔离介质的厚度为100~200 nm。
进一步的，所述第一底部金属电极层和所述第一顶部金属电极层包括TaN、TiN、WN、MoN、Ni和Ru中的至少一种，所述第一底部金属电极层的厚度为50~150 nm，所述第一顶部金属电极层的厚度为100~300 nm。
进一步的，所述第一绝缘介质包括Al2O3、ZrO2、TiO2、HfO2、La2O3、HfZrO、HfAlO、HfTiO中的至少一种，所述第一绝缘介质的厚度为10~50 nm。
进一步的，所述硅纳米孔的刻蚀方法包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀中的至少一种。
进一步的，获得所述第一隔离介质、第一底部金属电极层、第一绝缘介质和第一顶部金属电极层的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积和脉冲激光沉积中的至少一种。
进一步的，所述在所述纳米电容结构表面制备出共用电极的太阳能电池的具体过程包括：
在所述第一顶部金属电极层上表面生长一层多晶硅作为第一半导体层；
在所述多晶硅表面刻蚀形成多晶硅纳米线，并在所述多晶硅纳米线内壁表面沉积一层第二半导体层，并与所述第一半导体层结合形成PN结；
在所述第二半导体层表面沉积一层第二顶部金属电极层。
其有益效果在于：通过上述方式获得太阳能电池，以纳米电容结构的第一顶部金属电极层作为太阳能电池的第二底部金属电极层，配合第二顶部金属电极层和形成的PN结，共同组成太阳能电池，在实现太阳能电池发电的同时，将太阳能电池和纳米电容结构集成在一起。
进一步的，所述第一半导体层采用离子注入工艺作为P型导电层，所述第二半导体层采用ZnO、IGZO、IZO或者In2O3中的至少一种作为N型导电层。
进一步的，所述第一半导体层采用离子注入工艺作为N型导电层，所述第二半导体层采用聚3,4-乙烯二氧噻吩或者NiO作为P型导电层。
进一步的，所述第一半导体层的厚度为1~10μm，所述第二半导体层的厚度为50~100nm。
进一步的，所述多晶硅纳米线的长度大小为0.5~9.5μm，直径大小为100~300nm。
进一步的，所述第二顶部金属电极层包括Au、Ag、Al、TiN、TaN中的至少一种，所述第二顶部金属电极层的厚度为100~200nm。
进一步的，所述对所述太阳能电池顶部两侧处理得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构的具体过程包括：
旋涂光刻胶并通过曝光和显影工艺定义出第一硅通孔结构和第二硅通孔结构的位置和图形；
刻蚀位于左侧的所述第二顶部金属电极层、所述第二半导体层和所述第一半导体层，直至与所述第一顶部金属电极层接触，得到第一硅通孔结构；
刻蚀位于右侧的所述第二顶部金属电极层、所述第二半导体层、所述第一半导体层、所述第一顶部金属电极层和所述第一绝缘介质，直至与所述第一底部金属电极层接触，得到第二硅通孔结构。
其有益效果在于：通过上述方式获得第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，将纳米电容结构和太阳能电池之间集成在一起，不仅降低了系统体积，而且提高了系统集成度，同时采用上述方法获得的第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，分布在太阳能电池的顶部两侧，对太阳能电池的太阳能发电工作产生的影响较小。
进一步的，所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构的刻蚀处理方法包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀或者使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀工艺中的至少一种。
进一步的，所述在所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构内部进行金属布线，将所述纳米电容结构与所述太阳能电池之间导通连接，以获得最终的三维集成系统的具体过程包括：
在所述第一硅通孔结构内壁、所述第二硅通孔结构内壁以及位于中间位置的所述第二顶部金属电极层沉积一层第二隔离介质；
刻蚀位于所述第二顶部金属电极层顶端右侧的所述第二隔离介质得到沟槽结构；
刻蚀所述第一硅通孔结构内部的所述第二隔离介质直至露出第一顶部金属电极层，刻蚀所述第二硅通孔结构内部的所述第二隔离介质、所述第一顶部金属电极层、所述第一绝缘介质，直至露出所述第一底部金属电极层；
在所述第一硅通孔结构内壁、所述第二硅通孔结构内壁以及所述沟槽结构内壁由下到上依次沉积铜扩散阻挡层、铜籽晶层，并在所述铜籽晶层表面电镀一层铜金属层；
抛光处理所述铜金属层直至所述铜金属层与所述铜籽晶层的高度相同；
刻蚀位于所述沟槽结构与所述第一硅通孔结构之间的所述铜金属层、所述铜籽晶层和所述铜扩散阻挡层得到中心槽；
在所述中心槽左右两侧内壁沉积一层第三隔离介质并形成左右两个侧墙，直至两个所述侧墙的高度与所述铜金属层的高度齐平。
其有益效果在于：通过上述方法在第一硅通孔结构和第二硅通孔结构上进行金属布线，将纳米电容结构与太阳能电池电连接起来，方便将纳米电容结构内的电能稳定输出到外部。
优选的，所述第二隔离介质和所述第三隔离介质包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。
进一步的，所述铜籽晶层包括Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。
进一步的，所述铜扩散阻挡层包括TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种。
进一步的，所述第二隔离介质、所述第三隔离介质、所述铜籽晶层和所述铜扩散阻挡层的获得方式包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积中的至少一种。
进一步的，还包括在所述第一硅通孔结构上电镀一层铜材料作为第一金属接触凸点，在所述沟槽结构和所述第二硅通孔结构上电镀一层铜材料作为第二金属接触凸点，所述第一金属接触凸点覆盖并与所述铜金属层和局部所述铜籽晶层接触，所述第二金属接触凸点覆盖并与所述铜金属层和局部铜籽晶层接触。
附图说明
图1为本发明的三维集成系统的整体结构示意图；
图2为本发明的三维集成系统的制备方法的整体流程示意图；
图3为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S12后得到的结构示意图；
图4为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S14之后得到的结构示意图；
图5为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S21之后得到的结构示意图；
图6为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S22之后得到的结构示意图；
图7为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S23之后得到的结构示意图；
图8为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S33之后得到的结构示意图；
图9为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S41之后得到的结构示意图；
图10为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S43之后得到的结构示意图；
图11为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S44之后得到的结构示意图；
图12为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S46之后得到的结构示意图；
图13为本发明的三维集成系统的制备方法在完成步骤S47之后得到的结构示意图；
图14为本发明的三维集成系统的制备方法在完成之后电镀第一金属接触凸点和第二金属接触凸点得到的结构示意图；
图15为本发明的三维集成系统的制备方法的步骤S1的具体工作流程示意图；
图16为本发明的三维集成系统的制备方法的步骤S2的具体工作流程示意图；
图17为本发明的三维集成系统的制备方法的步骤S3的具体工作流程示意图；
图18为本发明的三维集成系统的制备方法的步骤S4的具体工作流程示意图。
图中标号：
101-纳米电容结构；102-太阳能电池；103-第一硅通孔结构；104-第二硅通孔结构；105-沟槽结构；
200-刻蚀衬底；201-第一隔离介质；202-第一底部金属电极层；203-第一绝缘介质；204-第一顶部金属电极层；205-第一半导体层；206-第二半导体层；207-第二顶部金属电极层；208-第二隔离介质；209-铜扩散阻挡层；210-铜籽晶层；211-铜金属层；212-第三隔离介质；213-第一金属接触凸点；214-第二金属接触凸点。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种基于太阳能的三维集成系统，包括纳米电容结构101、太阳能电池102、第一硅通孔结构103和第二硅通孔结构104，其中：
所述纳米电容结构101安装在所述太阳能电池102底部，所述第一硅通孔结构103和所述第二硅通孔结构104分别设置在所述太阳能电池102的顶部左右两侧，所述太阳能电池102和所述纳米电容结构101之间通过所述第一硅通孔结构103、所述第二硅通孔结构104集成在一起并电力连接，使得所述太阳能电池102将产生的电能储存在所述纳米电容结构101内部，且所述纳米电容结构101与所述太阳能电池102共用一个电极。
在一种可能的实施方式中，所述纳米电容结构101包括刻蚀衬底200，所述刻蚀衬底200上设置有多个硅纳米孔，所述刻蚀衬底200表面和所述硅纳米孔表面由下到上依次设置有第一隔离介质2021、第一底部金属电极层202、第一绝缘介质203和第一顶部金属电极层204，且所述硅纳米孔内部被完全填充。
在一种可能的实施方式中，所述太阳能电池102包括第一半导体层205、第二半导体层206与第二顶部金属电极层207，所述第一半导体层205和所述第二半导体层106依次设置在所述第一顶部金属电极204层顶端并形成PN结，所述第二顶部金属电极层207设置在所述第二半导体层206顶部，所述第一顶部金属电极层104、所述PN结和所述第二顶部金属电极层207共同组成太阳能电池202。
在一种可能的实施方式中，所述第一硅通孔结构103贯穿所述第二顶部金属电极层207、所述第一半导体层205、所述第二半导体层206并与所述第一顶部金属电极层204接触，所述第二硅通孔结构104贯穿所述第二顶部金属电极层207、所述第一半导体层205、所述第二半导体层106、所述第一顶部金属电极层204、所述第一绝缘介质203，并与所述第一底部金属电极层202接触，所述第一硅通孔结构103的侧壁、上表面与所述第二硅通孔结构104侧壁、上表面均设置有第二隔离介质208。
在一种可能的实施方式中，所述第二隔离介质208在所述第二顶部金属电极层107右上方呈断裂状态并形成沟槽结构105，所述沟槽结构105与所述第二硅通孔104结构相邻设置。
在一种可能的实施方式中，所述第一硅通孔结构103的内表面、所述第二硅通孔结构104的内表面、所述沟槽结构105的内表面均设置有一层铜扩散阻挡层209，所述铜扩散阻挡层209将所述第一底部金属电极层202与所述第二顶部金属电极层207电连接，所述铜扩散阻挡层209表面设置有一层铜籽晶层210，所述铜籽晶层210表面覆盖设置有铜金属层211，所述第一硅通孔结构103、所述第二硅通孔结构104、所述沟槽结构105内部被所述铜扩散阻挡层209、铜籽晶层210、铜金属层211组成的结构完全填充，位于所述第一硅通孔结构103内部、所述第二硅通孔结构104内部、所述沟槽结构105内部的所述铜金属层211与所述铜籽晶层210高度相同。
在一种可能的实施方式中，所述第二顶部金属电极层207上表面设置有中心槽，所述中心槽贯穿所述第二隔离介质208、铜扩散阻挡层209和铜籽晶层210，所述中心槽左右两侧均设置有第三隔离介质212，所述第三隔离介质212分别与所述铜扩散阻挡层209、铜籽晶层210、铜金属层211接触，且所述第三隔离介质212的高度与所述铜籽晶层210的高度相同。
在一种可能的实施方式中，所述第一硅通孔结构103顶部设置有第一金属接触凸点213，所述第二硅通孔结构104顶部设置有第二金属接触凸点214，所述第一金属接触凸点213通过所述第一硅通孔结构103与所述第一顶部金属电极层204导通连接，所述第二金属接触凸点214通过所述第二硅通孔结构104与所述第一底部金属电极层202导通连接，所述第一金属接触凸点213和所述第二金属接触凸点214均与所述铜金属层211接触连接。
本发明还提供了一种基于太阳能的三维集成系统的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1、选择刻蚀衬底200并在所述刻蚀衬底200表面刻蚀出多个硅纳米孔并制备获得纳米电容结构101；
在一种可能的实施方式中，如图15所示，上述步骤的具体过程包括：
S11、选择刻蚀衬底200并在所述刻蚀衬底200结构上确定出硅纳米孔的图形结构；
S12、根据所述图形结构在所述刻蚀衬底200上刻蚀获得多个硅纳米孔以形成阵列；
在刻蚀得到多个硅纳米孔以形成阵列之后，得到的结构图如图3所示。
S13、在所述硅纳米孔内表面和所述刻蚀衬底200顶端表面沉积获得第一隔离介质201；
S14、在所述第一隔离介质201表面沉积获得第一底部金属电极层202、第一绝缘介质203和第一顶部金属电极层204。
上述步骤完成之后，得到的结构图如图4所示。
在一种可能的实施方式中，所述第一隔离介质201包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种，所述第一隔离介质201的厚度为100~200 nm。
优选的，第一隔离介质201选择SiO2，其厚度为150nm。
在一种可能的实施方式中，所述第一底部金属电极层202和所述第一顶部金属电极层204包括TaN、TiN、WN、MoN、Ni和Ru中的至少一种，所述第一底部金属电极层202的厚度为50~150 nm，所述第一顶部金属电极层204的厚度为100~300 nm。
优选的，第一底部金属电极层202和第一顶部金属电极层204都采用TiN，第一底部金属电极层202的厚度为100nm，第一顶部金属电极层204的厚度为200nm。
在一种可能的实施方式中，所述第一绝缘介质203包括Al2O3、ZrO2、TiO2、HfO2、La2O3、HfZrO、HfAlO、HfTiO中的至少一种，所述第一绝缘介质203的厚度为10~50 nm。
优选的，所述第一绝缘介质203采用Al2O3，其厚度为30nm。
需要说明的是，在本实施例中，刻蚀衬底200采用硅衬底结构，其中刻蚀得到的单个硅纳米孔的直径范围为0.5~1μm，深度范围为10~20μm。
优选的，单个硅纳米孔的宽度为0.75μm，深度为15μm。
在一种可能的实施方式中，所述硅纳米孔的刻蚀方法包括干法刻蚀比如离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀，或者通过使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，获得所述第一隔离介质201、第一底部金属电极层202、第一绝缘介质203和第一顶部金属电极层204的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积和脉冲激光沉积中的至少一种。
需要说明的是，上述刻蚀方法和沉积方法均为现有技术中的常用刻蚀方法，本技术方案不涉及对刻蚀方法和沉积方法本身的改进，任何能够实现本技术方案刻蚀效果和沉积效果的方法均可以应用于本技术方案之中，对此不作特别限制，此处不再赘述。
S2、在所述纳米电容结构101表面制备出共用电极的太阳能电池102。
在一种可能的实施方式中，如图16所示，上述步骤的具体过程包括：
S21、在所述第一顶部金属电极层204上表面生长一层多晶硅作为第一半导体层205。
通过处理后得到的结构如图5所示。
S22、在所述多晶硅表面刻蚀形成多晶硅纳米线，并在所述多晶硅纳米线内壁表面沉积一层第二半导体层206，并与所述第一半导体层205结合形成PN结。
在刻蚀形成多晶硅纳米线之后，得到的结构图如图6所示。
需要说明的是，刻蚀得到多晶硅纳米线的刻蚀方法包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀，或者通过使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀工艺中的至少一种，本实施例中采用反应离子刻蚀工艺。
S23在所述第二半导体层206表面沉积一层第二顶部金属电极层207。
通过沉积第二顶部金属电极层207得到太阳能电池102，其结构图如图7所示。
在上述方案中，第一半导体层205和第二半导体层206分别作为P型导电层和N型导电层，也可以分别作为N型导电层和P型导电层，本方案对此不作特别限制，具体根据实际情况选择。
在一种可能的实施方式中，所述第一半导体层205采用离子注入工艺作为P型导电层，所述第二半导体层206采用ZnO、IGZO、IZO或者In2O3中的至少一种作为N型导电层。
在一种可能的实施方式中，所述第一半导体层205采用离子注入工艺作为N型导电层，所述第二半导体层206采用聚3,4-乙烯二氧噻吩或者NiO作为P型导电层。
在本实施例中，通过离子注入工艺将多晶硅材料变为P型导电层，作为第一半导体层205，并在多晶硅纳米线内部沉积一层ZnO材料作为N型导电层，并作为第二半导体层206，使得第一半导体层205和第二半导体层206组合成为PN结，并与第一顶部金属电极层204、第二顶部金属电极层207组合形成太阳能电池102。
在一种可能的实施方式中，所述第一半导体层205的厚度为1~10μm，所述第二半导体层206的厚度为50~100nm。
在一种可能的实施方式中，所述多晶硅纳米线的长度大小为0.5~9.5μm，直径大小为100~300nm。
在一种可能的实施方式中，所述第二顶部金属电极层包括Au、Ag、Al、TiN、TaN中的至少一种，所述第二顶部金属电极层的厚度为100~200nm。
S3、对所述太阳能电池102顶部两侧处理得到第一硅通孔结构103和第二硅通孔结构104。
在一种可能的实施方式中，如图17所示，上述步骤的具体过程包括：
S31、旋涂光刻胶并通过曝光和显影工艺定义出第一硅通孔结构103和第二硅通孔结构104的位置和图形；
S32、刻蚀位于左侧的所述第二顶部金属电极层207、所述第二半导体层206和所述第一半导体层205，直至与所述第一顶部金属电极层204接触，得到第一硅通孔结构103；
S33、刻蚀位于右侧的所述第二顶部金属电极层207、所述第二半导体层206、所述第一半导体层205、所述第一顶部金属电极层204和所述第一绝缘介质203，直至与所述第一底部金属电极层202接触，得到第二硅通孔结构104。
在上述过程完成之后，得到的结构图如图8所示。
在一种可能的实施方式中，所述第一硅通孔结构103和所述第二硅通孔结构104的刻蚀处理方法包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀或者使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀工艺中的至少一种。
S4、在所述第一硅通孔结构103和所述第二硅通孔结构104内部进行金属布线，将所述纳米电容结构101与所述太阳能电池102之间导通连接，以获得最终的三维集成系统。
在一种可能的实施方式中，如图18所示，上述步骤的具体过程包括：
S41、在所述第一硅通孔结构103内壁、所述第二硅通孔结构104内壁以及位于中间位置的所述第二顶部金属电极层207沉积一层第二隔离介质208。
沉积一层第二隔离介质208之后得到的结构图如图9所示。
S42、刻蚀位于所述第二顶部金属电极层207顶端右侧的所述第二隔离介质208得到沟槽结构105；
S43、刻蚀所述第一硅通孔结构103内部的所述第二隔离介质208直至露出第一顶部金属电极层204，刻蚀所述第二硅通孔结构104内部的所述第二隔离介质208、所述第一顶部金属电极层204、所述第一绝缘介质203，直至露出所述第一底部金属电极层202。所得结构如图10所示。
S44、在所述第一硅通孔结构103内壁、所述第二硅通孔结构104内壁以及所述沟槽结构105内壁由下到上依次沉积铜扩散阻挡层209、铜籽晶层210，并在所述铜籽晶层表面电镀一层铜金属层211。所得结构如图11所示。
S45、抛光处理所述铜金属层211直至所述铜金属层211与所述铜籽晶层210的高度相同；
S46、刻蚀位于所述沟槽结构105与所述第一硅通孔结构103之间的所述铜金属层211、所述铜籽晶层210和所述铜扩散阻挡层209得到中心槽。所得结构如图12所示。
S47、在所述中心槽左右两侧内壁沉积一层第三隔离介质212并形成左右两个侧墙，直至两个所述侧墙的高度与所述铜金属层211的高度齐平。所得结构如图13所示。
在一种可能的实施方式中，所述第二隔离介质208和所述第三隔离介质212包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，所述铜籽晶层210包括Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，所述铜扩散阻挡层209包括TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，所述第二隔离介质208、所述第三隔离介质212、所述铜籽晶层210和所述铜扩散阻挡层209的获得方式包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，还包括在所述第一硅通孔结构103上电镀一层铜材料作为第一金属接触凸点213，在所述沟槽结构105和所述第二硅通孔结构104上电镀一层铜材料作为第二金属接触凸点104，所述第一金属接触凸点213覆盖并与所述铜金属层211和局部所述铜籽晶层210接触，所述第二金属接触凸点214覆盖并与所述铜金属层211和局部铜籽晶层210接触，最终所得结构如图14所示。
在上述过程中，由于第一顶部金属电极层204通过第一硅通孔结构103引出第一金属接触凸点213，第一底部金属电极层202通过第二硅通孔结构104引出第二金属接触凸点214，以便通过第一金属接触凸点213和第二金属接触凸点214接外部负载，将储存在纳米电容结构101中的电能向外部持续输出。
需要说明的是，由于太阳能电池102和纳米电容结构101共用第一顶部金属电极层204，所以当太阳能电池102收集到能量以后，第二顶部金属电极层207会通过沟槽结构105和第二硅通孔结构104给纳米电容结构101的第一底部金属电极层202充电，此外，纳米电容结构101可以通过第一金属接触凸点213和第二金属接触凸点214给其它负载，比如射频识别标签、手机等元件供电。
进一步的，由于第二顶部金属电极层207采用ITO透明导电薄膜和ZnO等透明半导体材料，有利于太阳光入射到pn结界面，形成光生载流子，从而在电池两侧形成电动势，提高了太阳能电池102的太阳能转化效率。
本发明的有益效果在于：将太阳能电池收集到的能量储存在纳米电容结构之中，能够获得稳定的能量输出；同时采用第一硅通孔结构和第二硅通孔结构将纳米电容结构和太阳能电池集成在一起，能够降低整个系统所占用的面积，有利于系统面积的减小与系统集成度的提高；而且三维集成系统的太阳能电池和纳米电容结构所采用的材料都易于尺寸微缩，因此整个系统的尺寸也易于微缩；同时第一硅通孔结构和第二硅通孔结构主要是分布在太阳能电池的顶部两侧的局部区域，对于太阳能电池的太阳能采集并发电的工作产生的影响较小，保证太阳能电池能够正常稳定工作。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (24)

1.一种基于太阳能的三维集成系统，其特征在于，包括纳米电容结构、太阳能电池、第一硅通孔结构和第二硅通孔结构，其中：
所述纳米电容结构安装在所述太阳能电池底部，所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构分别设置在所述太阳能电池的顶部左右两侧，所述太阳能电池和所述纳米电容结构之间通过所述第一硅通孔结构、所述第二硅通孔结构集成在一起并电力连接，使得所述太阳能电池将产生的电能储存在所述纳米电容结构内部，且所述纳米电容结构与所述太阳能电池共用一个电极；
所述纳米电容结构包括刻蚀衬底，所述刻蚀衬底上设置有多个硅纳米孔，所述刻蚀衬底表面和所述硅纳米孔表面由下到上依次设置有第一隔离介质、第一底部金属电极层、第一绝缘介质和第一顶部金属电极层，且所述硅纳米孔内部被完全填充；
所述太阳能电池包括第一半导体层、第二半导体层与第二顶部金属电极层，所述第一半导体层和所述第二半导体层依次设置在所述第一顶部金属电极层顶端并形成PN结，所述第二顶部金属电极层设置在所述第二半导体层顶部，所述第一顶部金属电极层、所述PN结和所述第二顶部金属电极层共同组成太阳能电池；
所述第一硅通孔结构贯穿所述第二顶部金属电极层、所述第一半导体层、所述第二半导体层并与所述第一顶部金属电极层接触，所述第二硅通孔结构贯穿所述第二顶部金属电极层、所述第一半导体层、所述第二半导体层、所述第一顶部金属电极层、所述第一绝缘介质，并与所述第一底部金属电极层接触，所述第一硅通孔结构的侧壁、上表面与所述第二硅通孔结构侧壁、上表面均设置有第二隔离介质。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能的三维集成系统，其特征在于，所述第二隔离介质在所述第二顶部金属电极层右上方呈断裂状态并形成沟槽结构，所述沟槽结构与所述第二硅通孔结构相邻设置。
3.根据权利要求2所述的基于太阳能的三维集成系统，其特征在于，所述第一硅通孔结构的内表面、所述第二硅通孔结构的内表面、所述沟槽结构的内表面均设置有一层铜扩散阻挡层，所述铜扩散阻挡层将所述第一底部金属电极层与所述第二顶部金属电极层电连接，所述铜扩散阻挡层表面设置有一层铜籽晶层，所述铜籽晶层表面覆盖设置有铜金属层，所述第一硅通孔结构、所述第二硅通孔结构、所述沟槽结构内部被所述铜扩散阻挡层、铜籽晶层、铜金属层组成的结构完全填充，位于所述第一硅通孔结构内部、所述第二硅通孔结构内部、所述沟槽结构内部的所述铜金属层与所述铜籽晶层高度相同。
4.根据权利要求3所述的基于太阳能的三维集成系统，其特征在于，所述第二顶部金属电极层上表面设置有中心槽，所述中心槽贯穿所述第二隔离介质、铜扩散阻挡层和铜籽晶层，所述中心槽左右两侧均设置有第三隔离介质，所述第三隔离介质分别与所述铜扩散阻挡层、铜籽晶层、铜金属层接触，且所述第三隔离介质的高度与所述铜籽晶层的高度相同。
5.根据权利要求3所述的基于太阳能的三维集成系统，其特征在于，所述第一硅通孔结构顶部设置有第一金属接触凸点，所述第二硅通孔结构顶部设置有第二金属接触凸点，所述第一金属接触凸点通过所述第一硅通孔结构与所述第一顶部金属电极层导通连接，所述第二金属接触凸点通过所述第二硅通孔结构与所述第一底部金属电极层导通连接，所述第一金属接触凸点和所述第二金属接触凸点均与所述铜金属层接触连接。
6.一种基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
选择刻蚀衬底并在所述刻蚀衬底表面刻蚀出多个硅纳米孔并制备获得纳米电容结构；
在所述纳米电容结构表面制备出共用电极的太阳能电池；
对所述太阳能电池顶部两侧处理得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构；
在所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构内部进行金属布线，将所述纳米电容结构与所述太阳能电池之间导通连接，以获得最终的三维集成系统；
所述选择刻蚀衬底并在所述刻蚀衬底表面刻蚀出多个硅纳米孔并制备获得纳米电容结构的具体过程包括：
选择刻蚀衬底并在所述刻蚀衬底上确定出硅纳米孔的图形结构；
根据所述图形结构在所述刻蚀衬底上刻蚀获得多个硅纳米孔以形成阵列；
在所述硅纳米孔内表面和所述刻蚀衬底顶端表面沉积获得第一隔离介质；
在所述第一隔离介质表面沉积获得第一底部金属电极层、第一绝缘介质和第一顶部金属电极层；
所述在所述纳米电容结构表面制备出共用电极的太阳能电池的具体过程包括：
在所述第一顶部金属电极层上表面生长一层多晶硅作为第一半导体层；
在所述多晶硅表面刻蚀形成多晶硅纳米线，并在所述多晶硅纳米线内壁表面沉积一层第二半导体层，并与所述第一半导体层结合形成PN结；
在所述第二半导体层表面沉积一层第二顶部金属电极层。
7.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一隔离介质包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种，所述第一隔离介质的厚度为100~200 nm。
8.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一底部金属电极层和所述第一顶部金属电极层包括TaN、TiN、WN、MoN、Ni和Ru中的至少一种，所述第一底部金属电极层的厚度为50~150 nm，所述第一顶部金属电极层的厚度为100~300 nm。
9.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘介质包括Al2O3、ZrO2、TiO2、HfO2、La2O3、HfZrO、HfAlO、HfTiO中的至少一种，所述第一绝缘介质的厚度为10~50 nm。
10.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述硅纳米孔的刻蚀方法包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀中的至少一种。
11.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，获得所述第一隔离介质、第一底部金属电极层、第一绝缘介质和第一顶部金属电极层的沉积方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积和脉冲激光沉积中的至少一种。
12.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一半导体层采用离子注入工艺作为P型导电层，所述第二半导体层采用ZnO、IGZO、IZO或者In2O3中的至少一种作为N型导电层。
13.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一半导体层采用离子注入工艺作为N型导电层，所述第二半导体层采用聚3,4-乙烯二氧噻吩或者NiO作为P型导电层。
14.根据权利要求12或13所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一半导体层的厚度为1~10μm，所述第二半导体层的厚度为50~100nm。
15.根据权利要求14所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述多晶硅纳米线的长度大小为0.5~9.5μm，直径大小为100~300nm。
16.根据权利要求14所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第二顶部金属电极层包括Au、Ag、Al、TiN、TaN中的至少一种，所述第二顶部金属电极层的厚度为100~200nm。
17.根据权利要求6所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述对所述太阳能电池顶部两侧处理得到第一硅通孔结构和第二硅通孔结构的具体过程包括：
旋涂光刻胶并通过曝光和显影工艺定义出第一硅通孔结构和第二硅通孔结构的位置和图形；
刻蚀位于左侧的所述第二顶部金属电极层、所述第二半导体层和所述第一半导体层，直至与所述第一顶部金属电极层接触，得到第一硅通孔结构；
刻蚀位于右侧的所述第二顶部金属电极层、所述第二半导体层、所述第一半导体层、所述第一顶部金属电极层和所述第一绝缘介质，直至与所述第一底部金属电极层接触，得到第二硅通孔结构。
18.根据权利要求17所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构的刻蚀处理方法包括离子铣刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀、激光烧蚀或者使用蚀刻剂溶液的湿法刻蚀工艺中的至少一种。
19.根据权利要求17所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述在所述第一硅通孔结构和所述第二硅通孔结构内部进行金属布线，将所述纳米电容结构与所述太阳能电池之间导通连接，以获得最终的三维集成系统的具体过程包括：
在所述第一硅通孔结构内壁、所述第二硅通孔结构内壁以及位于中间位置的所述第二顶部金属电极层沉积一层第二隔离介质；
刻蚀位于所述第二顶部金属电极层顶端右侧的所述第二隔离介质得到沟槽结构；
刻蚀所述第一硅通孔结构内部的所述第二隔离介质直至露出第一顶部金属电极层，刻蚀所述第二硅通孔结构内部的所述第二隔离介质、所述第一顶部金属电极层、所述第一绝缘介质，直至露出所述第一底部金属电极层；
在所述第一硅通孔结构内壁、所述第二硅通孔结构内壁以及所述沟槽结构内壁由下到上依次沉积铜扩散阻挡层、铜籽晶层，并在所述铜籽晶层表面电镀一层铜金属层；
抛光处理所述铜金属层直至所述铜金属层与所述铜籽晶层的高度相同；
刻蚀位于所述沟槽结构与所述第一硅通孔结构之间的所述铜金属层、所述铜籽晶层和所述铜扩散阻挡层得到中心槽；
在所述中心槽左右两侧内壁沉积一层第三隔离介质并形成左右两个侧墙，直至两个所述侧墙的高度与所述铜金属层的高度齐平。
20.根据权利要求19所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第二隔离介质和所述第三隔离介质包括SiO2、Si3N4、SiON、SiCOH、SiCOFH中的至少一种。
21.根据权利要求19所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述铜籽晶层包括Cu、Ru、Co、RuCo、CuRu、CuCo中的至少一种。
22.根据权利要求19所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述铜扩散阻挡层包括TaN、TiN、ZrN、MnSiO3中的至少一种。
23.根据权利要求19所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，所述第二隔离介质、所述第三隔离介质、所述铜籽晶层和所述铜扩散阻挡层的获得方式包括物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积中的至少一种。
24.根据权利要求19所述的基于太阳能的三维集成系统的制备方法，其特征在于，还包括在所述第一硅通孔结构上电镀一层铜材料作为第一金属接触凸点，在所述沟槽结构和所述第二硅通孔结构上电镀一层铜材料作为第二金属接触凸点，所述第一金属接触凸点覆盖并与所述铜金属层和局部所述铜籽晶层接触，所述第二金属接触凸点覆盖并与所述铜金属层和局部铜籽晶层接触。
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