2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——太陽(yáng)能電池材料的光吸收機(jī)制考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.下列關(guān)于半導(dǎo)體光吸收機(jī)制的描述中，正確的是（）。A.間接帶隙半導(dǎo)體的光吸收系數(shù)通常比直接帶隙半導(dǎo)體更小B.光子被吸收后，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度會(huì)發(fā)生變化C.能帶結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂重合的點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大的光吸收系數(shù)D.任何頻率的光子都能被半導(dǎo)體材料吸收2.在描述半導(dǎo)體對(duì)光子的吸收情況時(shí)，“吸收系數(shù)”表示的是（）。A.光子被材料吸收的百分率B.光束通過(guò)單位長(zhǎng)度材料后光強(qiáng)度減小的程度C.產(chǎn)生單位數(shù)量電子-空穴對(duì)所需的光子能量D.材料對(duì)特定波長(zhǎng)光的反射能力3.已知某半導(dǎo)體材料的吸收邊波長(zhǎng)為λ?，根據(jù)其能帶寬度Eg，估算其吸收邊對(duì)應(yīng)的能量Eg值最接近于（）。（普朗克常數(shù)h≈6.626×10?3?J·s，光速c≈3.0×10?m/s）A.hc/λ?B.hc/2λ?C.2hc/λ?D.hc2/λ?24.與直接帶隙半導(dǎo)體相比，間接帶隙半導(dǎo)體的光吸收主要依賴于（）。A.電子直接在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間躍遷B.吸收光子后激發(fā)產(chǎn)生聲子C.材料中的雜質(zhì)能級(jí)參與躍遷D.吸收光子后導(dǎo)致晶格振動(dòng)頻率改變5.對(duì)于用于單結(jié)太陽(yáng)能電池的光吸收材料，通常希望其具有（）。A.盡可能寬的禁帶寬度B.盡可能小的吸收系數(shù)C.較大的禁帶寬度且在太陽(yáng)光譜主要能量范圍內(nèi)有良好的吸收D.直接帶隙結(jié)構(gòu)6.當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的禁帶寬度通常會(huì)（）。A.變大B.變小C.保持不變D.先變大后變小7.下列哪種材料通常被認(rèn)為是間接帶隙半導(dǎo)體？（）A.GaAsB.InPC.SiD.GaN8.半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)（α）與光子能量（hν）的關(guān)系大致上是（）。A.α與hν成正比B.α在吸收邊處趨于零，隨hν增大而增大C.α與hν成反比D.α與hν無(wú)關(guān)9.“內(nèi)量子效率”描述的是（）。A.太陽(yáng)能電池中光生載流子被外部電路收集的比率B.太陽(yáng)能電池中吸收的光子轉(zhuǎn)化為電子的比率C.太陽(yáng)能電池中電荷載流子對(duì)光子的響應(yīng)效率D.太陽(yáng)能電池材料的光吸收效率10.提高半導(dǎo)體材料光吸收性能的一個(gè)有效途徑是（）。A.增加材料的禁帶寬度B.引入能級(jí)位于禁帶中的雜質(zhì)C.減小材料的晶格常數(shù)D.增加材料中的晶體缺陷二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.半導(dǎo)體材料吸收光子時(shí)，電子從_______帶躍遷到_______帶。2.對(duì)于直接帶隙半導(dǎo)體，電子-空穴對(duì)的形成主要通過(guò)光子直接激發(fā)實(shí)現(xiàn)，其吸收系數(shù)在吸收邊附近隨光子能量增加而_______。3.吸收系數(shù)是描述材料吸收光能本領(lǐng)的物理量，其單位通常為_(kāi)______。4.太陽(yáng)能電池工作所需的光譜范圍主要集中在_______微米到_______微米。5.能帶隙寬度決定了半導(dǎo)體材料能吸收的光子的_______范圍。6.除了光吸收機(jī)制外，影響太陽(yáng)能電池性能的內(nèi)在因素還有_______和_______。7.硅（Si）是一種_______帶隙半導(dǎo)體，其禁帶寬度約為1.12eV。8.P型半導(dǎo)體中主要的載流子是_______，N型半導(dǎo)體中主要的載流子是_______。（填空類型：電子/空穴）9.光子能量必須大于半導(dǎo)體的_______才能被吸收并可能產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。10.影響半導(dǎo)體光吸收系數(shù)的因素除了材料本身的能帶結(jié)構(gòu)外，還有_______、雜質(zhì)和溫度等。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體的主要區(qū)別，并說(shuō)明這種區(qū)別對(duì)光吸收特性的影響。2.解釋什么是半導(dǎo)體的吸收邊，并說(shuō)明吸收邊位置與材料禁帶寬度之間的關(guān)系。3.為什么說(shuō)對(duì)于單結(jié)太陽(yáng)能電池，選擇具有合適禁帶寬度和良好光吸收特性的材料至關(guān)重要？四、計(jì)算題（共10分）已知某半導(dǎo)體材料的能帶寬度Eg為1.5eV。請(qǐng)計(jì)算：（1）該材料吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)所需的最小光子能量是多少（以電子伏特eV為單位）？（2）對(duì)應(yīng)的吸收邊波長(zhǎng)是多少（以納米nm為單位）？（普朗克常數(shù)h≈4.1357×10?1?eV·s，光速c≈2.9979×10?m/s）五、論述題（共15分）結(jié)合太陽(yáng)能電池的工作原理，論述理解太陽(yáng)能電池材料的光吸收機(jī)制對(duì)于提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的意義。請(qǐng)從至少三個(gè)方面進(jìn)行闡述。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.A4.A5.C6.B7.C8.B9.B10.B二、填空題1.價(jià)；導(dǎo)2.指數(shù)函數(shù)（或迅速增加）3.m?1·cm?1（或cm?1）4.0.4；1.15.能量（或波長(zhǎng)）6.能帶結(jié)構(gòu)；載流子壽命7.間接8.空穴；電子9.禁帶寬度10.材料厚度三、簡(jiǎn)答題1.答：主要區(qū)別在于電子-空穴對(duì)形成的主要方式不同。直接帶隙半導(dǎo)體中，電子可以直接從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，吸收系數(shù)大，吸收邊尖銳。間接帶隙半導(dǎo)體中，電子躍遷除了需要光子外，通常還需要一個(gè)聲子參與，吸收系數(shù)小，吸收邊相對(duì)平緩。這種區(qū)別導(dǎo)致直接帶隙材料在太陽(yáng)光下的吸收效率通常更高。2.答：吸收邊是指半導(dǎo)體材料開(kāi)始能夠吸收光子的最低頻率（或最長(zhǎng)波長(zhǎng)）的光。當(dāng)光子能量等于或大于材料的禁帶寬度時(shí)，電子才能被激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。因此，吸收邊位置（波長(zhǎng)）與材料禁帶寬度成反比關(guān)系，禁帶寬度越大，吸收邊越向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。3.答：選擇合適禁帶寬度的材料是為了使其吸收邊位置落在太陽(yáng)光譜（約0.4-1.1μm）中能量較高的部分（如可見(jiàn)光和近紅外區(qū)），從而能夠有效吸收太陽(yáng)光中的大部分能量。選擇良好光吸收特性的材料（如直接帶隙或高吸收系數(shù)的材料）是為了在光電池較薄的活性層中就能吸收大部分入射太陽(yáng)光，減少光程，提高光的利用率，進(jìn)而提升電池的光電轉(zhuǎn)換效率。四、計(jì)算題（1）最小光子能量等于材料的禁帶寬度，即E_min=Eg=1.5eV。（2）吸收邊波長(zhǎng)λ?與最小光子能量E_min的關(guān)系為E_min=hc/λ?。則λ?=hc/E_min=(4.1357×10?1?eV·s×2.9979×10?m/s)/1.5eV≈8.27×10??m=827nm。五、論述題答：理解太陽(yáng)能電池材料的光吸收機(jī)制對(duì)于提高光電轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：首先，光吸收是產(chǎn)生光生載流子的前提。太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的整個(gè)過(guò)程始于光子被半導(dǎo)體材料吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。只有材料具有合適的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收特性，能夠有效吸收太陽(yáng)光中的能量，才能產(chǎn)生足夠數(shù)量的光生載流子，這是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)。理解不同材料的光吸收特性（如吸收系數(shù)、吸收邊位置），有助于選擇或設(shè)計(jì)能夠在太陽(yáng)光譜中高效吸收光能的材料，從而增加光生載流子的生成率。其次，光吸收特性影響光程和載流子損失。為了提高效率，太陽(yáng)能電池通常設(shè)計(jì)得很薄，目的是讓大部分太陽(yáng)光能在較短的路徑內(nèi)被吸收。如果材料光吸收系數(shù)較小，則可能需要更厚的活性層才能吸收足夠的光，但這會(huì)增加材料成本和潛在的光致衰減風(fēng)險(xiǎn)。理解吸收機(jī)制有助于優(yōu)化材料厚度和均勻性，最大限度地利用光吸收，同時(shí)減少光在傳輸過(guò)程中的損失，如透射損失或被高能光子激發(fā)但能量未充分利用導(dǎo)致的損失。最后，光吸收機(jī)制決定了材料對(duì)光譜的利用范圍。太陽(yáng)光譜覆蓋了從紫外到近紅外很寬的波長(zhǎng)范圍。不同材料