2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——鈣鈦礦太陽能電池的制備與性能研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分）1.下列哪種鈣鈦礦材料化學(xué)式屬于ABX?型？A.Cs?PbCl?B.MAPbI?C.K?PbO?F?D.CaTiO?2.與傳統(tǒng)硅太陽能電池相比，鈣鈦礦太陽能電池最突出的優(yōu)勢(shì)之一是？A.長期穩(wěn)定性極高B.制備溫度可以非常高C.光吸收系數(shù)極高，僅需很薄的活性層D.材料成本通常更低3.在鈣鈦礦太陽能電池的溶液法制備中，旋涂法的優(yōu)點(diǎn)通常不包括？A.設(shè)備簡單，成本較低B.易于控制膜層厚度和均勻性C.適用于大面積均勻成膜D.對(duì)溶劑和前驅(qū)體配比要求不嚴(yán)格4.下列哪種技術(shù)通常不用于鈣鈦礦薄膜的晶體結(jié)構(gòu)表征？A.X射線衍射(XRD)B.透射電子顯微鏡(TEM)C.光學(xué)顯微鏡(OM)D.X射線光電子能譜(XPS)5.鈣鈦礦太陽能電池的短路電流(Jsc)主要受哪個(gè)因素的限制？A.空穴傳輸層的效率B.鈣鈦礦薄膜的厚度C.開路電壓D.填充因子6.在鈣鈦礦太陽能電池器件結(jié)構(gòu)中，電子傳輸層(ETL)的主要作用是？A.阻止空穴進(jìn)入鈣鈦礦層B.為電子提供傳輸通道，并將電子注入對(duì)電極C.吸收太陽光產(chǎn)生載流子D.提供電池的封裝保護(hù)7.下列哪種現(xiàn)象是導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率下降的常見原因？A.載流子遷移率極高B.缺陷密度非常低C.嚴(yán)重的界面復(fù)合D.薄膜結(jié)晶度極高8.為了提高鈣鈦礦太陽能電池的光穩(wěn)定性，研究人員常采用的策略之一是？A.使用純有機(jī)鈣鈦礦前驅(qū)體B.在鈣鈦礦/HTL界面引入有機(jī)鈍化劑C.將器件完全密封在惰性氣體環(huán)境中D.選擇工作溫度盡可能高的電池結(jié)構(gòu)9.鈣鈦礦材料中的鉛(Pb)污染是其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的重要挑戰(zhàn)。以下哪種材料被認(rèn)為是有效的鉛替代品？A.鉭化物(NaNbO?)B.鋅錫氧化物(ZTO)C.銅銦鎵硒(CIGS)D.銅鎵硫(CGS)10.鈣鈦礦太陽能電池的填充因子(FF)定義為？A.(Voc*Jsc)/(q*IlluminationIntensity)B.Jsc/Jsc_maxC.FF=η/(Jsc*Voc)D.FF=η/(Pmax*Vmax)二、填空題（每空2分，共20分）1.鈣鈦礦太陽能電池通常需要使用電子傳輸層(ETL)和空穴傳輸層(HTL)來分別促進(jìn)__________和__________的傳輸。2.溶劑在鈣鈦礦溶液法制備中扮演著關(guān)鍵角色，其選擇需要考慮極性、__________、以及與鈣鈦礦前驅(qū)體的__________等因素。3.鈣鈦礦薄膜的晶粒尺寸和結(jié)晶度對(duì)其載流子__________和__________有顯著影響。4.衡量鈣鈦礦太陽能電池性能的核心參數(shù)包括開路電壓(Voc)、短路電流密度(Jsc)、__________和__________。5.離子遷移（如鉛離子在鈣鈦礦中的遷移）是導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池__________性能下降的重要原因之一。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述溶液法制備鈣鈦礦薄膜時(shí)，退火工藝的主要目的。2.解釋什么是鈣鈦礦太陽能電池的填充因子(FF)，并簡述影響FF的主要因素。3.鈣鈦礦材料的熱穩(wěn)定性較差，請(qǐng)列舉至少兩種提高其熱穩(wěn)定性的方法。四、論述題（每題10分，共20分）1.試述影響鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)的主要因素，并簡要說明如何優(yōu)化這些因素以提高效率。2.鈣鈦礦太陽能電池面臨的主要挑戰(zhàn)（如穩(wěn)定性、鉛污染）有哪些？請(qǐng)分別提出至少兩種應(yīng)對(duì)策略，并簡述其原理。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.D4.C5.B6.B7.C8.B9.B10.A二、填空題1.電子，空穴2.沸點(diǎn)，相互作用3.遷移率，壽命4.填充因子，光電轉(zhuǎn)換效率(或PCE)5.光穩(wěn)定性三、簡答題1.退火的主要目的是促進(jìn)鈣鈦礦前驅(qū)體結(jié)晶，形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，提高薄膜的結(jié)晶度和致密度，減少缺陷態(tài)，從而提升載流子遷移率和減少復(fù)合中心，最終提高器件性能。2.填充因子(FF)是器件最大輸出功率(Pmax)與其開路電壓(Voc)和短路電流密度(Jsc)乘積(q*Voc*Jsc)的比值，即FF=Pmax/(q*Voc*Jsc)。它反映了器件中電流和電壓隨偏壓變化關(guān)系的理想程度，受界面復(fù)合、體復(fù)合、電阻損耗等因素影響。高填充因子意味著器件在接近短路和開路狀態(tài)時(shí)都能產(chǎn)生較大的輸出功率。3.提高鈣鈦礦熱穩(wěn)定性的方法包括：①化學(xué)結(jié)構(gòu)改性，如用甲基銨陽離子(MA?)部分或全部替代銨陽離子(NH??)，形成混合陽離子鈣鈦礦(FA-PbI?等)；②引入晶格缺陷或進(jìn)行表面鈍化處理，消耗缺陷位點(diǎn)，阻止離子遷移；③界面工程，如在鈣鈦礦/HTL或鈣鈦礦/ETL界面引入惰性鈍化層（如AlOx,LiF）；④選擇更穩(wěn)定的鈣鈦礦材料，如鹵素互替鈣鈦礦或雙鈣鈦礦；⑤優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。四、論述題1.影響鈣鈦礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)的主要因素及其優(yōu)化方法：*開路電壓(Voc)：主要受鈣鈦礦材料帶隙(Eg)的限制(Voc≈Eg/2q)。優(yōu)化方法包括：選擇帶隙接近太陽光光譜的鈣鈦礦材料；通過表面鈍化減少缺陷態(tài)，提高能級(jí)匹配；優(yōu)化器件能級(jí)結(jié)構(gòu)。*短路電流密度(Jsc)：主要受光吸收能力、載流子產(chǎn)生效率和傳輸提取效率的限制。優(yōu)化方法包括：提高鈣鈦礦薄膜的光吸收系數(shù)（如增加薄膜厚度或使用寬光譜吸收材料）；減少光學(xué)損失（如使用增透膜）；提高載流子產(chǎn)生效率（如優(yōu)化前驅(qū)體溶液或引入光敏劑）；促進(jìn)電子和空穴的有效提取，降低傳輸電阻。*填充因子(FF)：主要受電流電壓特性曲線的形狀影響，與串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻和體復(fù)合有關(guān)。優(yōu)化方法包括：降低串聯(lián)電阻（減少電極和薄膜的厚度/接觸電阻，優(yōu)化界面接觸）；降低并聯(lián)電阻（鈍化器件界面，抑制暗電流）；減少體復(fù)合（提高薄膜結(jié)晶度，減少缺陷，進(jìn)行表面鈍化）。*器件結(jié)構(gòu)：合理設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)（如單結(jié)、疊層）可以拓寬光譜響應(yīng)，提高對(duì)光子的利用率，從而提升Jsc和可能提高Voc。綜合優(yōu)化上述因素，并結(jié)合工藝改進(jìn)（如提高大面積制備均勻性、穩(wěn)定性控制）是提升鈣鈦礦電池效率的關(guān)鍵。2.鈣鈦礦太陽能電池面臨的主要挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略：*穩(wěn)定性挑戰(zhàn)：*問題：鈣鈦礦材料在光照、濕氣、熱、氧等環(huán)境下容易降解，導(dǎo)致器件性能快速衰減，壽命短。*策略1：材料改性。通過化學(xué)組成調(diào)控（如形成混合陽離子鈣鈦礦FA-PbI?、鹵素互替Pb(I?-xCl?)等）或引入官能團(tuán)（如氰基）來提高材料本身的化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性。*策略2：界面鈍化。在鈣鈦礦層表面或器件內(nèi)部關(guān)鍵界面（如鈣鈦礦/HTL,鈣鈦礦/ETL）沉積鈍化層（如AlOx,LiF,CsF,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等），消耗缺陷態(tài)，抑制離子遷移和水分侵入，從而顯著提高器件的光穩(wěn)定性和濕穩(wěn)定性。*鉛污染挑戰(zhàn)：*問題：鈣鈦礦材料中常用的鉛(Pb)具有毒性，對(duì)環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅，限制其大規(guī)模應(yīng)用。*策略1：開發(fā)無鉛或低鉛鈣鈦礦材料。研究替代鉛的A位或B位陽離子，如使用錫(Sn)、銻(Sb