2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫——分子電子與能源技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列哪種效應(yīng)是分子電子器件（如單分子晶體管）工作的基礎(chǔ)？A.光電效應(yīng)B.塑料變形C.電子隧穿效應(yīng)D.核磁共振2.在有機(jī)太陽能電池（OSC）中，通常用作電子給體的材料是？A.碳納米管B.鈣鈦礦量子點(diǎn)C.具有較高氧化還原電位的有機(jī)半導(dǎo)體D.染料分子3.鋰離子電池中，負(fù)極材料在充放電過程中發(fā)生的主要變化是？A.氧化還原反應(yīng)B.固體電解質(zhì)界面膜（SEI）的生成與消耗C.晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變D.以上都是4.染料敏化太陽能電池（DSSC）中，起光電轉(zhuǎn)換作用的核心組件是？A.對電極B.染料分子C.連接集流體D.堿性電解質(zhì)5.下列哪種材料由于具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，在制備高性能場效應(yīng)晶體管方面展現(xiàn)出巨大潛力？A.鈦酸鋰（LiFePO4）B.石墨烯C.鈣鈦礦薄膜D.鋰金屬6.在分子開關(guān)的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)分子構(gòu)型或電子狀態(tài)可逆變化的關(guān)鍵因素通常是？A.分子量大小B.分子間作用力（如氫鍵、范德華力）C.分子顏色D.元素種類7.燃料電池中，質(zhì)子交換膜（PEM）的主要功能是？A.作為催化劑B.傳導(dǎo)質(zhì)子（H+）C.傳導(dǎo)電子D.存儲燃料8.下列哪種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)主要利用電化學(xué)原理將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能？A.風(fēng)力發(fā)電B.光伏發(fā)電C.燃料電池D.核能發(fā)電9.分子傳感器在能源領(lǐng)域的一個潛在應(yīng)用是？A.用于制造顯示器B.用于檢測電池內(nèi)部氣體泄漏C.用于制造發(fā)光二極管D.用于無線通信10.提高太陽能電池效率的關(guān)鍵途徑之一是增加光吸收系數(shù)，這通?？梢酝ㄟ^以下哪種方法實(shí)現(xiàn)？A.減小器件厚度B.使用寬帶隙材料C.增加活性層材料種類D.提高電極反射率二、填空題1.分子電子學(xué)研究的尺度通常在________量級，其核心思想是利用分子或原子作為基本功能單元來構(gòu)建電子器件。2.量子點(diǎn)具有________能帶結(jié)構(gòu)，其帶隙寬度隨尺寸的變化而變化，表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)。3.在鋰離子電池中，正極材料通常具有較高的________電位，以便在充電時能夠釋放鋰離子。4.染料敏化太陽能電池中，染料分子吸收光子后處于激發(fā)態(tài)，通過能量轉(zhuǎn)移過程將電子注入________，染料分子本身則被氧化。5.石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)材料，具有極高的________和優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。6.分子開關(guān)的功能類似于機(jī)械開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)電路的________或________。7.質(zhì)子交換膜燃料電池中，常用的固體電解質(zhì)膜材料是________膜。8.碳納米管根據(jù)其rolling-up方式不同，可以分為________納米管和________納米管。9.分子自組裝技術(shù)是制備分子電子器件和能源材料的重要方法，其核心在于利用分子間作用力實(shí)現(xiàn)分子的________和有序排列。10.在設(shè)計(jì)高效太陽能電池時，需要考慮光吸收、載流子分離、傳輸和收集等多個環(huán)節(jié)，其中________是提高光電流的關(guān)鍵。三、簡答題1.簡述分子晶體管與傳統(tǒng)的硅基場效應(yīng)晶體管在基本工作原理上的主要區(qū)別。2.比較并說明染料敏化太陽能電池（DSSC）和鈣鈦礦太陽能電池（PSC）各自的主要優(yōu)缺點(diǎn)。3.解釋什么是鋰離子電池的“穿梭效應(yīng)”，并說明其可能帶來的負(fù)面影響。4.簡述燃料電池中，催化劑在促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)方面所起的作用。四、計(jì)算題某太陽能電池的禁帶寬度為1.5eV，其能量轉(zhuǎn)換效率的理論極限值（Shockley-Queisser極限）是多少？請計(jì)算并說明你的計(jì)算依據(jù)。假設(shè)太陽光譜的峰值波長為500nm。五、論述題結(jié)合分子設(shè)計(jì)與材料科學(xué)的角度，論述如何提高有機(jī)太陽能電池（OSC）的性能（例如效率和穩(wěn)定性）。請從活性層材料的選擇與設(shè)計(jì)、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、界面工程等方面進(jìn)行闡述。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.D4.B5.B6.B7.B8.C9.B10.D二、填空題1.納米2.調(diào)諧3.氧化4.半導(dǎo)體敏化劑/感光體5.導(dǎo)電性6.開啟/關(guān)閉7.質(zhì)子交換膜(PEM)8.單壁/多壁9.自組裝10.載流子分離三、簡答題1.解析思路:考察分子晶體管的基本原理。強(qiáng)調(diào)其通過控制單個分子或分子層中的電子傳輸來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，結(jié)構(gòu)上通常為三個電極（源、漏、柵），利用柵極電場調(diào)控分子內(nèi)電荷狀態(tài)（如共軛體系離域電子）來改變源漏之間的電導(dǎo)。與傳統(tǒng)硅基FET利用半導(dǎo)體制品體內(nèi)部載流子濃度變化來導(dǎo)電不同，分子晶體管的導(dǎo)電機(jī)制與分子本身結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)密切相關(guān)。2.解析思路:考察對兩種太陽能電池技術(shù)的比較。優(yōu)點(diǎn)：DSSC已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，技術(shù)相對成熟；成本低；對不均勻光照不敏感。缺點(diǎn)：效率相對較低；穩(wěn)定性問題（染料分解、電解液泄漏）；壽命有限。PSC效率潛力巨大，可達(dá)25%以上；光吸收強(qiáng)，可制備柔性器件；材料成本有望降低。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性（尤其濕氣、光照、熱穩(wěn)定性）仍需提高；部分材料含有鉛等潛在毒性元素；大面積制備均勻性挑戰(zhàn)。3.解析思路:考察鋰離子電池的負(fù)面現(xiàn)象。解釋“穿梭效應(yīng)”是指鋰離子在充放電過程中，不僅像設(shè)計(jì)那樣在正負(fù)極材料間嵌入/脫出，還會穿過電解液，在半固態(tài)的電極材料（尤其是正極材料）內(nèi)部穿梭移動。負(fù)面影響：導(dǎo)致正極材料結(jié)構(gòu)破壞、容量衰減；可能形成鋰枝晶，刺穿隔膜引發(fā)短路；降低電池循環(huán)壽命。4.解析思路:考察催化劑在燃料電池中的作用。催化劑降低電化學(xué)反應(yīng)的活化能，使得原本需要較高能量才能發(fā)生的反應(yīng)（如燃料的氧化、產(chǎn)物的還原）能夠在較低電壓下進(jìn)行，從而提高反應(yīng)速率，確保燃料電池高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。例如，PEMFC中鉑催化劑用于加速氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)。四、計(jì)算題解析思路:考察太陽能電池效率極限的計(jì)算。根據(jù)Shockley-Queisser極限公式，最高效率η_max=(1-(1/(n+1))^0.5)*F(n)*(η_ideal-η_0)，其中η_ideal=(Eg/1.1)eV，F(xiàn)(n)是理想因子，通常取1，η_0是光譜響應(yīng)外的能量損失。更常用的簡化估算公式為η_max≈(1-(1/(n+1))^0.5)*(Eg/1.34)eV，其中n是理想因子，通常取1.34（對應(yīng)太陽光譜最大輻射強(qiáng)度處）。當(dāng)Eg=1.5eV時，η_max≈(1-(1/(1.34+1))^0.5)*(1.5/1.34)≈(1-(1/2.34)^0.5)*1.116≈(1-0.634)*1.116≈0.366*1.116≈0.408或40.8%?；蛘吒苯拥兀瑢τ趩谓Y(jié)電池，η_max≈(1-Eg/1.34)eV≈(1-1.5/1.34)eV≈(1-1.119)eV≈-0.119，這個計(jì)算方式有誤，應(yīng)使用前式或更經(jīng)典的(1-(1/(n+1))^0.5)*(Eg/1.34)。若取n=1.34，則η_max≈(1-(1/(1.34+1))^0.5)*(1.5/1.34)≈(1-(1/2.34)^0.5)*1.116≈40.8%。實(shí)際計(jì)算中可能因取值略有差異。關(guān)鍵在于理解公式原理和禁帶寬度對效率的限制作用。答案：理論極限值約為40.8%。計(jì)算依據(jù)是Shockley-Queisser極限公式，該公式基于太陽光譜分布和半導(dǎo)體帶隙，給出了單結(jié)太陽能電池在理想條件下的最高能量轉(zhuǎn)換效率。公式表明，帶隙寬度對效率有最佳值，太窄吸收不足，太寬吸收不全。五、論述題解析思路:考察對提高OSC性能策略的綜合理解和論述能力。需要從多個維度展開。*活性層材料設(shè)計(jì):強(qiáng)調(diào)分子結(jié)構(gòu)對電子能級（HOMO/LUMO）、分子間相互作用（堆積、取向）、分子量大小的影響。優(yōu)化能級匹配以促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移；設(shè)計(jì)剛性結(jié)構(gòu)或通過非共價鍵（氫鍵、π-π堆疊）調(diào)控有序排列以提高激子解離和載流子遷移率；引入給體-受體非共價鍵合增強(qiáng)界面相互作用；考慮材料穩(wěn)定性（光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、環(huán)境穩(wěn)定性）。*器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化:討論活性層厚度對光學(xué)吸收和電荷傳輸?shù)挠绊?；采用多層結(jié)構(gòu)（如給體/受體疊層）以拓寬光譜響應(yīng)、提高電荷分離效率；設(shè)計(jì)合適的電極材料（如導(dǎo)電聚合物、金屬納米顆粒）和界面層以提高電荷注入/抽出效率。*界面工程:強(qiáng)調(diào)活性層與電極、活性層內(nèi)部界面在電荷產(chǎn)生、傳輸、復(fù)合過程中的關(guān)鍵作用。通過引入界面修