2025年大學(xué)《化學(xué)》專業(yè)題庫——有機(jī)光電功能材料的合成與應(yīng)用研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋1.有機(jī)光電功能材料2.π-π堆積3.激子4.空穴/電子傳輸層5.鈣鈦礦-有機(jī)雜化太陽能電池二、填空題1.有機(jī)光電功能材料的合成常用方法包括______、______和______等。2.影響有機(jī)半導(dǎo)體材料載流子遷移率的主要因素有分子間的______、分子鏈的______以及堆積的______。3.在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）器件結(jié)構(gòu)中，位于發(fā)光層兩側(cè)的是______層，它們負(fù)責(zé)將載流子注入到發(fā)光層中。4.有機(jī)太陽能電池的基本工作原理是利用光生激子，在______和______的作用下分離成空穴和電子，并在外電路中產(chǎn)生電流。5.常見的有機(jī)共軛聚合物合成策略包括______聚合和______聚合。三、簡答題1.簡述有機(jī)光電功能材料分子設(shè)計中，引入給體單元和受體單元的目的是什么？2.簡述影響有機(jī)光電材料光學(xué)帶隙大小的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素。3.簡述有機(jī)半導(dǎo)體材料在溶液法制備器件時，進(jìn)行表面處理的目的。4.簡述有機(jī)光伏器件中，主體材料和客體材料需要滿足的基本要求。四、論述題1.詳細(xì)闡述有機(jī)小分子半導(dǎo)體的合成路線設(shè)計時，需要考慮哪些關(guān)鍵因素？2.比較并討論有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和有機(jī)光伏器件（OPV）在材料選擇、工作原理和性能要求方面的主要異同點。3.闡述有機(jī)光電功能材料領(lǐng)域當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)以及潛在的發(fā)展方向。試卷答案一、名詞解釋1.有機(jī)光電功能材料：指能夠吸收或發(fā)射光子，或利用光子產(chǎn)生電效應(yīng)（如產(chǎn)生電流或電壓）的一類有機(jī)化合物或聚合物，在光電器件中具有關(guān)鍵功能。2.π-π堆積：指分子體系中，通過芳香環(huán)或其他共軛體系平面的平行或接近排列，形成的分子間相互作用，是影響有機(jī)半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)和性能的重要因素。3.激子：指在有機(jī)半導(dǎo)體中，由光激發(fā)產(chǎn)生的束縛態(tài)，通常由一個電子和一個空穴通過庫侖力結(jié)合而成，是光致發(fā)光和光伏轉(zhuǎn)換的基本載流子。4.空穴/電子傳輸層：指在有機(jī)光電器件中，專門設(shè)計用于高效傳輸空穴或電子的功能層，確保載流子能夠順利到達(dá)活性層并參與電荷分離或復(fù)合過程。5.鈣鈦礦-有機(jī)雜化太陽能電池：指利用鈣鈦礦半導(dǎo)體材料與有機(jī)半導(dǎo)體材料相復(fù)合構(gòu)建的太陽能電池器件，結(jié)合了兩者在光吸收、載流子傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢。二、填空題1.有機(jī)光電功能材料的合成常用方法包括有機(jī)合成、聚合反應(yīng)和自組裝等。*解析思路：考察對有機(jī)光電材料合成途徑的基本分類。有機(jī)合成是構(gòu)建特定有機(jī)分子的基礎(chǔ)；聚合反應(yīng)是合成有機(jī)聚合物材料的主要方式；自組裝是指分子或超分子在溶液、界面或氣相中自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的過程，常用于構(gòu)筑功能材料。2.影響有機(jī)半導(dǎo)體材料載流子遷移率的主要因素有分子間的相互作用、分子鏈的取向以及堆積的有序性。*解析思路：考察對影響載流子遷移率的物理因素的理解。分子間相互作用（如π-π堆積強(qiáng)度）影響載流子傳輸?shù)淖枇?；分子鏈的取向和堆積的有序性直接影響載流子的傳輸通道和效率。3.在有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）器件結(jié)構(gòu)中，位于發(fā)光層兩側(cè)的是空穴注入/傳輸層（或電子注入/傳輸層），它們負(fù)責(zé)將載流子注入到發(fā)光層中。*解析思路：考察對OLED器件結(jié)構(gòu)及其各層功能的理解?？昭ㄗ⑷?傳輸層（HTL）和電子注入/傳輸層（ETL）是實現(xiàn)高效電荷注入的關(guān)鍵，確?？昭ê碗娮幽軌蚍謩e高效地注入發(fā)光層，減少未復(fù)合載流子的注入，提高器件效率和壽命。4.有機(jī)太陽能電池的基本工作原理是利用光生激子，在光吸收層和電荷分離的作用下分離成空穴和電子，并在外電路中產(chǎn)生電流。*解析思路：考察對OPV基本工作原理的掌握。光吸收層負(fù)責(zé)吸收太陽光產(chǎn)生激子；電荷分離是關(guān)鍵步驟，將束縛的激子解離成自由移動的空穴和電子；這兩個過程是產(chǎn)生電流的前提。5.常見的有機(jī)共軛聚合物合成策略包括活性/可控自由基聚合和陰離子聚合等。*解析思路：考察有機(jī)聚合物合成中的高級策略。傳統(tǒng)自由基聚合難以精確控制分子量和結(jié)構(gòu)，而活性/可控自由基聚合（如ATRP,RAFT）和陰離子聚合能夠獲得分子量精確、結(jié)構(gòu)規(guī)整的聚合物，對于調(diào)控聚合物性能至關(guān)重要。三、簡答題1.簡述有機(jī)光電功能材料分子設(shè)計中，引入給體單元和受體單元的目的是什么？*解析思路：考察對分子設(shè)計策略的理解。引入給體單元（通常是含有給電子基團(tuán)，如苯胺）和受體單元（通常是含有吸電子基團(tuán)，如羰基、三氟甲基）可以增強(qiáng)分子內(nèi)的電子給體-受體（D-A）相互作用。這種相互作用可以形成分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移態(tài)（ICT），拓寬材料的光吸收范圍，降低激發(fā)能，從而調(diào)節(jié)光學(xué)帶隙；同時，D-A作用也有利于形成激子，并促進(jìn)激子在光電器件中的電荷分離，提高器件性能。2.簡述影響有機(jī)光電材料光學(xué)帶隙大小的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素。*解析思路：考察結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的知識。影響光學(xué)帶隙（與吸收邊對應(yīng)）的主要結(jié)構(gòu)因素包括：分子共軛體系的長度和連續(xù)性（共軛越長，能級越高，帶隙越大）；分子平面性（非平面結(jié)構(gòu)會降低π電子離域，減小帶隙）；給體和受體單元的強(qiáng)度（D-A相互作用強(qiáng)度影響電荷轉(zhuǎn)移態(tài)能級，進(jìn)而影響帶隙）；分子堆積方式（π-π堆積間距和有序性影響激子結(jié)合能，進(jìn)而影響發(fā)光波長和帶隙的感知值）。3.簡述有機(jī)半導(dǎo)體材料在溶液法制備器件時，進(jìn)行表面處理的目的。*解析思路：考察器件制備過程中的關(guān)鍵步驟及其目的。有機(jī)半導(dǎo)體材料的晶體質(zhì)量和取向?qū)ζ骷阅苤陵P(guān)重要，而基底表面性質(zhì)會顯著影響有機(jī)薄膜的成核、生長和取向。表面處理（如氧等離子體處理、紫外光照射、濕法刻蝕等）的目的是為了改變基底表面的能級（如形成表面態(tài)）、表面功函數(shù)或粗糙度，從而調(diào)控有機(jī)薄膜在表面的自組裝行為，引導(dǎo)形成高質(zhì)量、定向排列的晶體，優(yōu)化界面電荷傳輸，提高器件性能。4.簡述有機(jī)光伏器件中，主體材料和客體材料需要滿足的基本要求。*解析思路：考察對OPV材料選擇原則的理解。主體材料（通常是聚合物）需要具有良好的加工性能（如旋涂、噴涂性好）、合適的分子量分布、能夠有效溶解客體材料、與電極材料相容性好，并形成適合電荷傳輸?shù)木w結(jié)構(gòu)?？腕w材料（通常是小分子）需要具有寬且合適的吸收光譜（與太陽光譜匹配），與主體材料形成良好的相容性和有序的納米尺度相分離結(jié)構(gòu)（有利于電荷分離），并具有高光化學(xué)效率（低熱損失、高量子產(chǎn)率）。四、論述題1.詳細(xì)闡述有機(jī)小分子半導(dǎo)體的合成路線設(shè)計時，需要考慮哪些關(guān)鍵因素？*解析思路：考察合成路線設(shè)計的綜合考量能力。需要考慮：目標(biāo)分子的結(jié)構(gòu)與性能要求（如光學(xué)帶隙、遷移率）；合成策略的選擇（如逆合成分析）；合成步驟的可行性、效率（收率）和簡潔性（步驟數(shù)）；官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化（如保護(hù)-去保護(hù)）；反應(yīng)條件的溫和性與綠色化；原料的易得性與成本；產(chǎn)物的純化方法；以及合成過程中可能存在的副反應(yīng)和立體選擇性控制等問題。2.比較并討論有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和有機(jī)光伏器件（OPV）在材料選擇、工作原理和性能要求方面的主要異同點。*解析思路：考察對兩種器件體系的深入理解和比較能力。相同點：都基于有機(jī)半導(dǎo)體材料，利用光與物質(zhì)的相互作用（吸收、激發(fā)、電荷產(chǎn)生等），都面臨界面電荷傳輸、激子復(fù)合效率、器件穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)。不同點：材料選擇側(cè)重不同，OLED更注重發(fā)光效率和器件壽命，材料需具備高熒光量子產(chǎn)率、低熱損失、化學(xué)穩(wěn)定性；OPV更注重光吸收效率和電荷分離效率，材料需具備寬吸收光譜、高開路電壓和短路電流、合適的能級匹配。工作原理側(cè)重點不同，OLED關(guān)注激子復(fù)合發(fā)光，OPV關(guān)注光生激子分離產(chǎn)生電流。性能要求差異巨大，OLED追求高亮度、高效率、長壽命；OPV追求高能量轉(zhuǎn)換效率、低成本、可柔性化。器件結(jié)構(gòu)設(shè)計原則也不同，OLED追求空穴和電子注入/傳輸平衡，OPV追求電荷有效分離和收集。3.闡述有機(jī)光電功能材料領(lǐng)域當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)以及潛在的發(fā)展方向。*解析思路：考察對領(lǐng)域前沿動態(tài)和未來趨勢的把握。主要挑戰(zhàn)：①器件效率的進(jìn)一步提升與穩(wěn)定性（尤其是壽命）的改善之間的平衡；②實現(xiàn)大規(guī)模、低成本、環(huán)境友好的柔性化、可印刷器件制備工藝；③開發(fā)具有更高光吸收系數(shù)和更長工作波長（覆蓋紅外）的材料以提升能量轉(zhuǎn)換效率或應(yīng)用范圍；④提高器件對環(huán)境因素（氧氣、水分）的抗耐受性；⑤理論計算與模擬在指導(dǎo)材料設(shè)計、理解器件機(jī)理方面的精度和效率有待提高；⑥鈣鈦礦等新興材料與有機(jī)材料的界面兼容性、