2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——星形有機太陽能電池在能源化學(xué)中的發(fā)展趨勢考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪一項不是星形有機太陽能電池（OS-OSCs）相較于傳統(tǒng)線性或支鏈聚合物OSCs的主要設(shè)計優(yōu)勢？A.提高聚合物分子量，增加光學(xué)吸收系數(shù)B.增強分子鏈間空間位阻，抑制聚集C.提升主體材料與受體材料的相容性D.限制活性層薄膜的結(jié)晶度，以降低器件效率2.在星形有機太陽能電池中，設(shè)計帶有不對稱臂的星形分子主要是為了？A.增加分子的溶解性B.促進主體材料與受體材料在分子水平上的混合C.實現(xiàn)更有效的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）D.提高分子的機械強度3.以下哪種材料通常被用作星形有機太陽能電池的受體材料？A.富勒烯（C60）B.聚乙烯（PE）C.苯胺D.聚偏氟乙烯（PVDF）4.提高星形有機太陽能電池器件穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵策略是？A.使用高沸點溶劑進行溶液加工B.減少器件中的活性層厚度C.降低器件工作溫度D.增加器件結(jié)構(gòu)單元的對稱性5.星形有機太陽能電池面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.光吸收能力普遍過強B.電荷傳輸速率過快C.長期運行下的性能衰減D.制備工藝過于簡單6.與傳統(tǒng)的線性聚合物相比，星形聚合物在溶液中的相行為通常表現(xiàn)出？A.更傾向于形成聚集體B.更傾向于形成均勻分散的膠束C.對溶劑的選擇性降低D.不溶于任何溶劑7.有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率主要受哪些因素影響？（多選）A.光吸收能力B.激子解離能C.電荷遷移率D.器件內(nèi)部電學(xué)接觸電阻E.薄膜結(jié)晶度8.在能源化學(xué)領(lǐng)域，星形有機太陽能電池的潛在應(yīng)用價值在于？A.提供一種低成本、環(huán)境友好的可再生能源轉(zhuǎn)換方式B.實現(xiàn)對傳統(tǒng)化石燃料的高效替代C.主要用于制造高精度的電子元件D.作為唯一可行的儲能介質(zhì)9.近年來，非富勒烯受體材料在有機太陽能電池中的發(fā)展，對星形OSCs設(shè)計提出了哪些新要求？（多選）A.需要更精確調(diào)控分子能級以實現(xiàn)高效能級匹配B.對星形分子的形貌控制提出了更高要求C.減少了對外界光照強度的依賴D.可能簡化了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計10.預(yù)計未來星形有機太陽能電池的發(fā)展趨勢將更加注重？A.單結(jié)電池效率的極限突破B.向大面積、柔性、可卷曲器件的轉(zhuǎn)化C.與其他可再生能源技術(shù)（如太陽能熱發(fā)電）的集成D.尋找單一高性能的星形分子材料二、填空題（每空1分，共15分）1.星形有機太陽能電池的核心設(shè)計理念是利用星形分子的______結(jié)構(gòu)來調(diào)控材料的______、______和______，從而優(yōu)化器件性能。2.為了實現(xiàn)高效的電荷分離，星形OSCs的給體和受體材料通常需要具有合適的______差異。3.常用的星形有機太陽能電池活性層加工方法包括______、______和______等。4.提高星形有機太陽能電池開路電壓（Voc）的主要途徑之一是降低器件的______。5.有機光伏器件的效率通常用______（%）、______（%）和______（%）等參數(shù)來表征。6.針對星形有機太陽能電池長期穩(wěn)定性不足的問題，研究者嘗試通過______、______等方法進行改善。7.能源化學(xué)是研究能源______、______、______及其相關(guān)化學(xué)過程的學(xué)科。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述星形有機太陽能電池中“空間位阻效應(yīng)”的含義及其對器件性能的積極影響。2.比較星形給體分子與線性給體分子在光吸收特性方面的差異。3.簡述星形有機太陽能電池在提高能量轉(zhuǎn)換效率方面所面臨的主要困難。4.解釋什么是“分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移”（ICT），并說明其在星形OSCs中的作用機制。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述星形有機太陽能電池在實現(xiàn)可再生能源高效利用方面的重要意義，并分析其當前商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)。2.結(jié)合當前研究熱點，探討未來星形有機太陽能電池在材料設(shè)計和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的發(fā)展方向。3.從能源化學(xué)學(xué)科的全局視角出發(fā)，論述發(fā)展新型有機太陽能電池技術(shù)（如星形OSCs）對于推動整個能源化學(xué)領(lǐng)域進步的價值。---試卷答案一、選擇題1.D2.C3.A4.C5.C6.B7.A,B,C,D,E8.A9.A,B10.B二、填空題1.多臂；光學(xué)性質(zhì)；能級結(jié)構(gòu)；相容性2.能級3.旋涂；噴涂；印刷4.補償電流5.能量轉(zhuǎn)換效率；填充因子；開路電壓6.壽命調(diào)控；界面工程7.轉(zhuǎn)化；儲存；利用三、簡答題1.答案：空間位阻效應(yīng)是指星形分子多臂結(jié)構(gòu)的立體hindrance，阻礙了分子鏈的緊密堆積。這可以抑制活性層薄膜形成大規(guī)模的、有序的結(jié)晶區(qū)域，或者阻止不利的聚集行為。適度的空間位阻有助于形成納米尺度的混合相區(qū)，促進給體和受體材料的良好混合，從而有利于激子的解離和電荷的傳輸，最終提升器件的效率。解析思路：考察對星形分子結(jié)構(gòu)特點及其物理化學(xué)性質(zhì)影響的理解。需要回答空間位阻的定義，以及這種效應(yīng)如何影響活性層薄膜的形貌（抑制結(jié)晶或聚集），進而如何影響器件的關(guān)鍵過程（電荷分離、傳輸、混合）和最終性能（效率）。2.答案：星形給體分子通常具有更寬的分子量分布和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。相比線性分子，其多臂結(jié)構(gòu)和空間位阻效應(yīng)往往導(dǎo)致其光學(xué)吸收光譜展寬，覆蓋更寬的太陽光譜范圍（尤其是紅光和近紅外區(qū)域）。同時，由于分子間作用力可能不同，其聚集狀態(tài)和相應(yīng)的吸收系數(shù)也可能與線性分子不同。解析思路：考察對星形分子與線性分子在光學(xué)特性上差異的理解。核心在于解釋星形結(jié)構(gòu)如何影響光吸收范圍（展寬）和吸收系數(shù)，并提及分子量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的潛在影響。3.答案：提高能量轉(zhuǎn)換效率的主要困難包括：①激子解離效率低：有機材料本身的激子解離能壘較高，尤其在非晶或弱結(jié)晶狀態(tài)下。②電荷傳輸速率慢：有機半導(dǎo)體的電荷遷移率通常遠低于無機半導(dǎo)體，且易受缺陷和界面態(tài)影響。③能級匹配問題：給體和受體材料的能級需要精確匹配以實現(xiàn)高效電荷轉(zhuǎn)移，設(shè)計難度大。④光學(xué)損失：活性層厚度有限制，且部分光會被器件電極或封裝層吸收。⑤器件內(nèi)部復(fù)合：電荷在傳輸過程中或在界面處可能發(fā)生復(fù)合。解析思路：考察對影響有機太陽能電池效率關(guān)鍵因素的全面認識。需要列舉并簡要說明效率低下的主要原因，涉及物理過程（激子解離、電荷傳輸）、材料性質(zhì)（遷移率、能級）、器件結(jié)構(gòu)（厚度、光學(xué)）和缺陷（復(fù)合）等方面。4.答案：分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）是指電子從給體分子（通常是π電子體系）的富電子部分（如共軛主鏈）轉(zhuǎn)移到受體分子（通常是缺電子部分）的過程。在星形OSCs中，通過精心設(shè)計星形分子的給體臂和受體臂及其連接方式，可以在光激發(fā)產(chǎn)生的激子解離之后，發(fā)生高效的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，從而將激子有效地轉(zhuǎn)化為自由電荷（電子和空穴），為電荷的分離和傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。解析思路：考察對ICT基本概念及其在有機光伏中作用機制的理解。需要定義ICT，說明其發(fā)生的位置（分子內(nèi)），涉及的對象（給體與受體），以及其目的（激子解離為自由電荷）。四、論述題1.答案：星形有機太陽能電池具有重要的意義，因為有機光伏技術(shù)具有輕質(zhì)、柔性、可溶液加工、成本潛力低等優(yōu)勢，適合于在分布式、便攜式、建筑集成等場景下提供低成本可再生能源。星形結(jié)構(gòu)通過其獨特的分子設(shè)計理念，在提高材料性能（如光學(xué)吸收、相容性）、抑制不利聚集、促進電荷分離等方面展現(xiàn)出潛力，有助于提升器件效率和穩(wěn)定性，從而推動有機光伏走向?qū)嶋H應(yīng)用，為緩解能源危機、實現(xiàn)碳中和目標貢獻力量。然而，其商業(yè)化面臨的挑戰(zhàn)主要包括：①效率仍需提升：與成熟的硅基太陽能電池相比，當前最高效率仍有差距。②長期穩(wěn)定性不足：尤其是濕氣、光照、熱穩(wěn)定性仍需改善。③規(guī)模化制備成本控制：溶液加工工藝的良率和成本效益有待提高。④壽命預(yù)測和可靠性評估：需要更完善的標準和測試方法。解析思路：考察對星形OSCs技術(shù)價值（能源意義）和現(xiàn)實困境（商業(yè)化挑戰(zhàn)）的宏觀把握。需先闡述有機光伏和星形結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢及其在能源利用中的潛力，再重點分析制約其商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸和市場因素。2.答案：未來星形有機太陽能電池的發(fā)展方向可能包括：①新材料探索：開發(fā)具有更高電荷遷移率、更優(yōu)能級匹配、更好穩(wěn)定性的新型星形給體和受體材料，探索非富勒烯受體與星形結(jié)構(gòu)的結(jié)合。②器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化：研究新型器件結(jié)構(gòu)，如疊層器件、多結(jié)器件，以拓寬光譜響應(yīng)、提高能量轉(zhuǎn)換效率。利用納米技術(shù)調(diào)控活性層形貌和異質(zhì)結(jié)構(gòu)。③精確分子設(shè)計：基于理論計算和模擬，更精確地設(shè)計星形分子的臂長、臂數(shù)、臂的化學(xué)組成和空間構(gòu)型，以優(yōu)化光學(xué)、能級和相容性。④智能化調(diào)控：利用添加劑、溶劑工程、外場（電場、磁場）等手段，動態(tài)調(diào)控活性層微觀結(jié)構(gòu)和器件性能。⑤關(guān)注全鏈條性能：不僅關(guān)注效率，更要同步提升穩(wěn)定性、壽命、制備良率和成本，推動技術(shù)從實驗室走向工業(yè)化。解析思路：考察對領(lǐng)域前沿動態(tài)的預(yù)測和判斷能力。需結(jié)合當前研究熱點（新材料、新結(jié)構(gòu)、理論計算、智能化），具體闡述在材料設(shè)計、器件工程、加工工藝等方面可能的創(chuàng)新方向和改進策略。3.答案：發(fā)展新型有機太陽能電池技術(shù)，特別是像星形OSCs這樣具有創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的設(shè)計，對于推動整個能源化學(xué)領(lǐng)域進步具有重要價值。首先，它促進了材料化學(xué)的發(fā)展，推動了對新型有機半導(dǎo)體材料合成、性能調(diào)控以及結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的理解。其次，它推動了物理化學(xué)在界面現(xiàn)象、電荷傳輸機制、光化學(xué)過程等方面的研究。再次，它為能源轉(zhuǎn)換與存儲提供了新的技術(shù)路