2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——光伏材料分子設(shè)計(jì)與合成考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.在有機(jī)光伏器件（OPV）中，給體材料通常具有哪種電子特性？A.寬的能帶隙B.較低的氧化電位C.高的離子電導(dǎo)率D.優(yōu)異的成膜性2.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，ABX?型結(jié)構(gòu)（A=堿金屬/堿土金屬，B=過(guò)渡金屬，X=鹵素）的帶隙主要取決于哪個(gè)元素？A.A元素B.B元素C.X元素D.A和B的共同作用，但B影響更大3.下列哪種方法通常不適用于制備大面積、均勻的薄膜光伏材料？A.溶劑蒸發(fā)B.旋涂C.熱氧化D.噴涂4.染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）中，敏化劑分子的主要功能是？A.作為電子給體B.承擔(dān)光生電子的傳輸C.提供氧化還原對(duì)D.增加器件的穩(wěn)定性5.分子內(nèi)通過(guò)共軛體系實(shí)現(xiàn)的電子離域，通常有利于材料的哪種性能？A.熱穩(wěn)定性B.激子解離能C.電荷遷移率D.以上都是6.X射線光電子能譜（XPS）主要用于分析材料的？A.光學(xué)性質(zhì)B.微觀結(jié)構(gòu)C.元素組成和化學(xué)態(tài)D.電輸運(yùn)性質(zhì)7.有機(jī)光伏器件中，非晶態(tài)給體材料通常表現(xiàn)出較弱的？A.光吸收B.電荷遷移率C.激子形成效率D.化學(xué)穩(wěn)定性8.為了提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓（Voc），通常需要調(diào)控半導(dǎo)體的？A.電荷遷移率B.帶隙寬度C.空間電荷限制電流D.激子解離能9.在分子設(shè)計(jì)有機(jī)光伏材料時(shí)，引入給體-受體（D-A）相互作用的主要目的是？A.增加分子量B.提高溶解度C.調(diào)控能級(jí)差（ΔE），促進(jìn)電荷分離D.改善熱穩(wěn)定性10.溶劑熱合成方法通常適用于制備哪種類型的材料？A.純金屬粉末B.納米晶體或薄膜C.大塊單晶D.混合物二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.光伏器件將光能轉(zhuǎn)化為電能的核心物理過(guò)程是__________和__________。2.鈣鈦礦材料ABX?中，X通常指__________或__________元素。3.有機(jī)光伏器件中，通常將能夠吸收光并產(chǎn)生激子的分子稱為_(kāi)_________，而將能夠接受電子的分子或材料稱為_(kāi)_________。4.染料敏化太陽(yáng)能電池中，作為電子給體的物質(zhì)是__________。5.分子設(shè)計(jì)中，通過(guò)改變分子的__________或__________可以調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。6.表征光伏材料光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)包括__________和__________。7.為了獲得高效的光伏器件，要求材料具有合適的__________和__________。8.合成具有特定分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)光伏材料時(shí)，常用的前驅(qū)體合成策略包括__________和__________。9.影響鈣鈦礦薄膜電導(dǎo)率的主要因素包括晶粒尺寸、缺陷密度和__________。10.分子設(shè)計(jì)中，考慮分子的__________、__________和__________是提高器件穩(wěn)定性的重要方面。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述有機(jī)光伏器件（OPV）的基本工作原理。2.簡(jiǎn)述影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓（Voc）的主要因素。3.簡(jiǎn)述在分子設(shè)計(jì)中，如何通過(guò)引入給體-受體（D-A）單元來(lái)調(diào)控材料的電子能級(jí)？四、論述題（每題10分，共20分）1.論述分子結(jié)構(gòu)與有機(jī)光伏材料性能之間的關(guān)系，并舉例說(shuō)明。2.論述溶液法（如旋涂、噴涂）制備光伏薄膜材料時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素及其對(duì)器件性能的影響。五、計(jì)算題（共15分）1.某有機(jī)光伏材料吸收光譜顯示其在760nm處具有吸收系數(shù)α=1.0×10?cm?1。假設(shè)該材料對(duì)太陽(yáng)光（假設(shè)太陽(yáng)光在760nm處強(qiáng)度為I?=1.0×101?Wm?2sr?1）的吸收遵循朗伯-比爾定律（A=αbc），其中材料厚度c=100nm。請(qǐng)計(jì)算：（1）該材料在760nm處的透光率；（2）假設(shè)該材料直接用于單結(jié)光伏器件的光敏層，其理論上的短路電流密度（假設(shè)所有吸收光子都能產(chǎn)生電子，且電子收集效率為100%）（普朗克常數(shù)h=6.63×10?3?J·s，光速c=3.0×10?m/s）。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.B5.C6.C7.B8.B9.C10.B二、填空題1.光生電穴-電子對(duì)產(chǎn)生；電荷的有效分離與傳輸2.氯；溴3.敏化劑；氧化劑（或受體）4.氧化態(tài)的金屬（如Ti??）5.共軛結(jié)構(gòu)；分子堆積6.吸收系數(shù)；光致發(fā)光/光吸收峰位7.帶隙寬度；電荷遷移率8.偶聯(lián)反應(yīng)；逐步聚合9.溫度10.熱穩(wěn)定性；光穩(wěn)定性；空氣穩(wěn)定性三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述有機(jī)光伏器件（OPV）的基本工作原理。解析思路：OPV由給體和受體層共混形成活性層，或由兩層不同的給體/受體層組成。當(dāng)光照照射到活性層時(shí)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于給體和受體之間存在能級(jí)差，光生空穴會(huì)轉(zhuǎn)移到受體上，而電子則轉(zhuǎn)移到給體上，形成空間電荷區(qū)。在電場(chǎng)作用下（通常由外部電場(chǎng)或器件內(nèi)部勢(shì)壘提供），電子和空穴分別被收集到器件的電極（陰極和陽(yáng)極），從而形成光電流，完成光電轉(zhuǎn)換。2.簡(jiǎn)述影響鈣鈦礦太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓（Voc）的主要因素。解析思路：Voc理論上等于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差（帶隙）與電子電荷的比值。因此，帶隙寬度是影響Voc的關(guān)鍵因素。此外，界面勢(shì)壘也會(huì)顯著影響測(cè)得的Voc值。具體來(lái)說(shuō)，理想情況下，Voc≈q(Ec-Ev)，其中Ec為導(dǎo)帶底，Ev為價(jià)帶頂。實(shí)際器件中，陰極/鈣鈦礦界面和鈣鈦礦/陽(yáng)極界面處的能級(jí)偏移和電荷轉(zhuǎn)移會(huì)決定最終的Voc。3.簡(jiǎn)述在分子設(shè)計(jì)中，如何通過(guò)引入給體-受體（D-A）單元來(lái)調(diào)控材料的電子能級(jí)？解析思路：在D-A結(jié)構(gòu)分子中，給體單元和受體單元通過(guò)共價(jià)鍵連接，由于給體和受體在真空能級(jí)（Evac）或最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級(jí)上存在差異，它們?cè)诠不旎蛐纬沙肿泳奂w時(shí)，會(huì)發(fā)生相互作用，導(dǎo)致形成新的能級(jí)。這種相互作用可以有效地調(diào)控材料的HOMO和LUMO能級(jí)位置。通過(guò)合理設(shè)計(jì)給體和受體單元的電子結(jié)構(gòu)和空間位阻，可以精確調(diào)控這些能級(jí)，以匹配器件所需的能級(jí)窗口，促進(jìn)激子的解離和電荷的有效傳輸，從而提高器件性能。四、論述題1.論述分子結(jié)構(gòu)與有機(jī)光伏材料性能之間的關(guān)系，并舉例說(shuō)明。解析思路：分子結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)光伏材料的性能有著決定性的影響。首先，分子的共軛結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和電子性質(zhì)決定了其光學(xué)吸收特性（吸收邊和強(qiáng)度）和電子能級(jí)（HOMO和LUMO）。較長(zhǎng)的共軛鏈通常具有更低的HOMO能級(jí)和更寬的吸收范圍，有利于吸收太陽(yáng)光并產(chǎn)生足夠高的內(nèi)建電場(chǎng)。其次，分子堆積方式影響激子的解離和電荷的傳輸。良好的分子有序排列有利于電荷的快速輸運(yùn)，從而降低器件電阻并提高效率。此外，分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（熱、光、氧穩(wěn)定性）直接關(guān)系到器件的壽命。例如，在OPV中，P3HT具有較長(zhǎng)的共軛鏈，吸收范圍較寬，與PCBM混合后能形成較好的相分離結(jié)構(gòu)，電荷遷移率適中，是經(jīng)典的OPV給體材料；而給體材料DPP（二苯并[a,c]噻吩）通過(guò)引入苯并環(huán)和噻吩環(huán)，調(diào)節(jié)了共軛性和空間位阻，優(yōu)化了其HOMO能級(jí)和激子解離，是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中常用的給體材料。2.論述溶液法（如旋涂、噴涂）制備光伏薄膜材料時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素及其對(duì)器件性能的影響。解析思路：溶液法制備薄膜的關(guān)鍵在于溶液性質(zhì)、成膜工藝參數(shù)以及薄膜最終性質(zhì)。首先，溶液性質(zhì)至關(guān)重要，包括溶劑選擇（需能良好溶解前驅(qū)體且揮發(fā)速率可控）、前驅(qū)體濃度（影響成膜速率和膜厚）、表面活性劑或助劑（可能用于調(diào)控成膜行為和表面形貌）等。溶劑的選擇和揮發(fā)性直接影響干燥過(guò)程和薄膜的最終形貌。其次，成膜工藝參數(shù)如旋涂速度、噴涂均勻性、溫度、濕度等，控制著薄膜的厚度、均勻性、致密性和結(jié)晶度。過(guò)快的旋涂速度可能導(dǎo)致薄膜厚度不均、結(jié)晶度低；噴涂不均則會(huì)導(dǎo)致器件性能不穩(wěn)定。溫度和濕度會(huì)影響溶劑揮發(fā)速率和前驅(qū)體聚合/結(jié)晶過(guò)程。最后，這些因素共同決定了最終薄膜的微觀結(jié)構(gòu)（結(jié)晶度、晶粒尺寸、相分離程度）和宏觀性質(zhì)（厚度均勻性、針孔情況）。這些微觀和宏觀性質(zhì)直接決定了光伏器件的電荷傳輸能力（遷移率）、激子解離效率、界面接觸質(zhì)量等，最終影響器件的整體光電轉(zhuǎn)換效率。例如，均勻、致密、結(jié)晶度好的薄膜有利于電荷傳輸，而針孔或缺陷會(huì)阻礙電荷傳輸并增加復(fù)合速率，導(dǎo)致效率低下。五、計(jì)算題1.某有機(jī)光伏材料吸收光譜顯示其在760nm處具有吸收系數(shù)α=1.0×10?cm?1。假設(shè)該材料對(duì)太陽(yáng)光（假設(shè)太陽(yáng)光在760nm處強(qiáng)度為I?=1.0×101?Wm?2sr?1）的吸收遵循朗伯-比爾定律（A=αbc），其中材料厚度c=100nm。請(qǐng)計(jì)算：（1）該材料在760nm處的透光率；（2）假設(shè)該材料直接用于單結(jié)光伏器件的光敏層，其理論上的短路電流密度（假設(shè)所有吸收光子都能產(chǎn)生電子，且電子收集效率為100%）（普朗克常數(shù)h=6.63×10?3?J·s，光速c=3.0×10?m/s）。解析思路：（1）透光率計(jì)算：根據(jù)朗伯-比爾定律A=αbc，其中A是吸光度，α是吸收系數(shù)，b是路徑長(zhǎng)度（此處為厚度c），c是濃度。透光率T與吸光度A的關(guān)系為T(mén)=10??。將數(shù)值代入公式計(jì)算吸光度A，再計(jì)算透光率T。A=(1.0×10?cm?1)×(100nm/10?nm/cm)=1.0×10?cm?1×0.00001cm=1.0T=10??=10?1=0.1所以透光率為10%。（2）短路電流密度計(jì)算：短路電流密度Jsc是指單位面積的光電流密度，假設(shè)所有吸收的光子都能產(chǎn)生電子，且電子收集效率為100%，則Jsc等于單位時(shí)間內(nèi)單位面積被吸收的光子數(shù)乘以電子電荷量。首先，計(jì)算在760nm處單位體積內(nèi)單位時(shí)間通過(guò)的光子數(shù)（光子通量）。光子能量E=hc/λ，其中h是普朗克常數(shù)，c是光速，λ是波長(zhǎng)。E=(6.63×10?3?J·s)×(3.0×10?m/s)/(760×10??m)=2.62×10?1?J單位面積單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的光功率P=I?=1.0×101?W/m2=1.0×101?J/(m2·s)。單位時(shí)間內(nèi)單位體積通過(guò)的光子數(shù)（n）=P/E。n=(1.0×101?J/(m2·s))/(2.62×10?1?J)≈3.82×101?m?3·s?1由于材料厚度為100nm=100×10??m，單位時(shí)間內(nèi)單位面積被吸收的光子數(shù)（N）=n×c。N=(3.82×101?m?3·s?1)×(100×10??m)≈3.82×101?m?2·s?1=3.82