毕业论文开题报告
论文题目：
Cu2(Zn, Fe)SnS4薄膜的制备及其光电性能研究
学生姓名： 冯桢哲 班 级： B材料104 学 号：1010201419 专 业:材料科学与工程 指导教师： 管 浩
2014年3月11日
1.本课题目的、意义及国内外研究进展
进入21世纪以来，经济全球化进程明显加快，世界经济快速发展，使得全球
对能源的需求快速增长。预计到2050年，全球的能源需求是现在的2倍。到本世纪末，全球能源需求将是现在的3倍。而目前使用最多的传统化石燃料的储量是有限的。根据一些研究机构的预测，传统化石能源的开采利用将在今后十几年至几十年内达到峰值，随后传统化石能源将不可逆转的转向耗竭（据美国石油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供人类开采时间不超过95年）。不仅如此，随着人类对传统化石能源的大规模开采，其开采难度和开采成本不断增加，造成传统能源的价格逐渐增加。如石油价格在过去几十年内飙升了10倍，美国石油工业的能源投资回报率(产出能源焦耳数和投入能量焦耳数的比值)从1930年的100降至现在的15。因此，人类必须开发新能源以应对能源需求的危机，维持社会和经济的发展，维持人类文明的持续发展。
除能源危机外，全球气候变暖也是困扰我们的一个难题。由全球气候变暖引发的高温、干旱、飓风、暴雨等各种极端天气在最近几年内频频发生，给人类带来了极大的人身的经济损失。目前的主流观点认为，大气中CO2的含量增加是全球气候变暖的主要因素，而大气中CO2含量的激增主要是由于人类对传统化石能源的大量消耗。如果不采取任何措施降低CO2的排放量，随着全球变暖趋势的进一步发展，地球生态环境可能会恶化到危及人类生存的地步。据联合国政府间气候变化专门委员会发布的第四份气候变化评估报告预测，从现在起到2080年，全球平均气温将升高2℃-4℃。所造成的灾害和恶果将触目惊心：饮用水可能遇到问题的人有11亿-32亿，面临饥饿威胁的人有2亿-6亿，每年沿海地区可能遭受洪涝灾害的人有2亿-7亿。因此，必须要限制传统化石能源的消耗，减少碳排放以避免生态环境进一步恶化。
综上所述，能源和环境的双重危机迫使全球各国大力推动低碳排放的可再生能源的发展。随着人们对开发可再生能源认识的提高，开发可再生能源逐渐由被动开发转为主动开发。美国奥巴马总统就职后，发布了一系列与新能源有关的经济振兴计划，其中将能源产业的转型和发展定为经济复兴计划的核心。计划通过发展新能源产业带动其他产业的发展，再造美国经济新的增长点。2010年3月欧盟发布欧洲低碳2050路线图。报告认为，欧盟可以通过较高的减排目标和适
当的政策，在未来取得技术和整个经济的竞争优势。低碳经济的投资将会在未来带来18%-22%的GDP增长，同时取得失业率的下降和更多的投资机会。研发资金和早期项目资金的投入，在新能源等领域将会在后期带来大规模的成本效益和渗透效益。可见低碳排放的可再生能源的发展不再仅仅是要应对能源和环境危机，其对提高国家科技竞争力、带动经济发展都具有重要的意义。
中国是目前世界上最大的发展中国家，中国迅猛发展的制造业对能源的需求非常强烈。但中国的传统能源人均占有量远低于世界平均水平，因此中国的能源形势比世界能源形势要严峻得多。只有大力开发可再生能源，才能解决中国能源供应不足问题，才能提高国家的综合竞争力并在新的低碳经济浪潮中占得先机。
太阳能是一种发展潜力巨大的清洁可再生能源。目前太阳能的利用那个主要有太阳热、太阳热发电、光伏发电三种形式。光伏发电是利用半导体的光电效应将太阳能转换成电能一种发电技术，是太阳能利用最有前景的形式。与常规发电技术相比，性能稳定、维护简单、资源永不枯竭、对环境友好等特点，如果按2050年全球的能源需求计算，全世界只需在占全球总面积0.125%的面积上安装转换效率20%的太阳能电池即可供给全人类所需的所有能源需求。因此，光伏发电（太阳能电池）是一种非常有前景的可再生能源技术。目前，光伏发电成本仍难于与传统发电行业的发电成本竞争，同时有些电池制备工艺中还存在环境污染等问题，严重制约了太阳能光伏发电的大规模应用。因此寻找探索和开发高效低成本环保型的太阳能光伏材料与器件有着及其重大的意义。
目前，太阳能电池按照历史发展顺序划分为三代：第一代为以晶体硅为代表的体材料太阳能电池，这一类太阳能电池的研究最早，技术也最为成熟，但是由于硅是一种间接带隙半导体，硅片有一定的厚度（>100μm）才能全部吸收入射的太阳光，因此硅基太阳能电池的成本难以降低。第二代太阳能电池是以非晶硅、CdTe、CIGS为代表的薄膜电池，与体硅太阳能电池相比，薄膜电池选用光吸收系数较大的材料为吸收材料，只需要几个微米厚度的材料即可全部吸收太阳光，大大降低了原材料的消耗。经过几十年的发展，目前第二代太阳能电池的转换效率逐渐接近第一代太阳能电池的转换效率（CdTe与CIGS电池的最高转换效率分别为16.7%和20.1%，组件的转换效率均大于10%），因此薄膜电池取代体硅电池成为一个公认的趋势。第三代太阳能电池是在第二代太阳能电池基础上开发的新型太阳能电池，包括叠层太阳能电池、量子点太阳能电池、热载流子太阳能
电池、上下转换太阳能电池等。其设想是充分利用入射到太阳能电池内部的光子能量，尽量较少太阳光子的热损耗以提高太阳能电池的转换效率。但目前第三代太阳能电池主要还处于实验室研发阶段，尚不适于大规模生产与应用。因此，在目前开始相当长的一段时间内，第二代太阳能电池将因其成本优势逐渐替代第一代太阳能电池而成为市场主流。因此研究和开发以Cu2ZnSnS4作为光吸收层的薄膜太阳电池，将有更大的社会意义和应用前景。
2．本课题要研究的主要任务
1、研究的主要内容
溶胶凝胶法制备Cu2(Zn, Fe)SnS4薄膜：采用溶胶凝胶法制备Cu2(Zn, Fe)SnS4薄膜，通过分析溶剂，配位剂，络合剂，硫化工艺对薄膜结构，形貌和光电性能的影响，摸索出制备性能优良的CZTS基薄膜的规律，为在普通玻璃衬底上研制与开发出性能优越、成本低和稳定性高的新一代薄膜太阳电池提供实验依据和指导思路。
2、拟解决的关键问题
（1） Fe掺杂对Cu2ZnSnS4薄膜性能的影响；
（2） Cu2ZnSnS4 基薄膜的组份、相结构、电导率和光学带隙的关系。
3.实验方案
1、研究方法
（1） 利用溶胶凝胶法制备薄膜：首先通过溶胶凝胶法利用Cu2(FexZn1-x)SnS4中的X从0到1之间变化，来得到铁与锌掺杂后，随着Fe掺杂含量的不同而配成不同溶液。然后准备制备Cu/Fe/Zn/Sn/S薄膜，把配好的溶液滴在清洗干净的载玻片上，先放在120℃的干燥箱里干燥20~30min左右，可以连续几次滴膜来达到一定的厚度（一般为三层），然后把达到一定厚度的薄膜放入230℃的高温箱里固化5分钟左右，得到相应的薄膜样品。
（2） Cu2(FexZn1-x)SnS4薄膜的性能研究：用X射线衍射(XRD)和拉曼(Raman)散射仪分析Cu2(FexZn1-x)SnS4薄膜的结晶取向和结晶态，用光电子能谱(XPS) 和能谱测试（EDS）分析各元素的价态及组份比例，用分光光度计分析Cu2(FexZn1-x)SnS4薄膜的光学带隙和吸收系数，用四探针法和霍尔效应测试薄膜的电学特性，用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和透射电镜(TEM)
