2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——新型電荷轉(zhuǎn)移材料的構(gòu)效關(guān)系研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.電荷轉(zhuǎn)移過程通常涉及電子從給體（D）到受體的轉(zhuǎn)移，其速率受能級匹配和________的影響。2.在研究有機(jī)半導(dǎo)體與金屬的界面電荷轉(zhuǎn)移時，通常需要考慮功函數(shù)差和________差兩種能級對準(zhǔn)方式。3.能級對準(zhǔn)良好的電荷轉(zhuǎn)移界面，有利于實(shí)現(xiàn)高效、快速的________和________。4.金屬氧化物如TiO2常被用作太陽能電池的敏化劑，其帶隙較寬，為提高其光吸收能力，常通過摻雜或復(fù)合________等窄帶隙材料來擴(kuò)展光響應(yīng)范圍。5.有機(jī)電致發(fā)光二極管（OLED）中，空穴傳輸層（HTL）和電子傳輸層（ETL）材料的選擇需要考慮其合適的能級位置以及與發(fā)光層的________和________。二、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述影響電荷轉(zhuǎn)移速率的主要因素。2.解釋什么是“能級對準(zhǔn)”，并說明其在界面電荷轉(zhuǎn)移過程中的重要性。3.簡述紫外-可見吸收光譜和光電子能譜（如UPS）在研究電荷轉(zhuǎn)移材料構(gòu)效關(guān)系中的不同作用。4.舉例說明一種典型的電荷轉(zhuǎn)移材料，并簡述其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與其在特定應(yīng)用（如太陽能電池或電致發(fā)光）中構(gòu)效關(guān)系。三、論述題（每題10分，共30分）1.論述量子點(diǎn)作為新型電荷轉(zhuǎn)移材料，其尺寸、形貌等結(jié)構(gòu)因素對其電荷注入/抽出性能的影響機(jī)制。2.結(jié)合具體材料實(shí)例，論述表面態(tài)對電荷轉(zhuǎn)移過程（尤其是電荷存儲和器件穩(wěn)定性）的影響。3.談?wù)勀銓?gòu)建高效穩(wěn)定新型電荷轉(zhuǎn)移材料（例如用于鈣鈦礦太陽能電池）的構(gòu)效關(guān)系研究思路和方法的理解。四、計算與分析題（共30分）1.（15分）某研究團(tuán)隊(duì)制備了一種有機(jī)-無機(jī)雜化材料D-A，用于光電器件。其中，有機(jī)給體D的LUMO能級為-3.0eV，HOMO能級為-5.5eV；無機(jī)受體A的CBM能級為-1.8eV，VBM能級為2.0eV。假設(shè)界面處不存在明顯的電荷重組能。請計算：*有機(jī)分子D的電子親和能（EA）和離子化能（IE）。*無機(jī)材料A的功函數(shù)（W）。*判斷D/A界面在標(biāo)準(zhǔn)情況下（費(fèi)米能級位于1.5eV）是否存在能級對準(zhǔn)？若存在，是哪種類型的對準(zhǔn)（平帶、內(nèi)建電場）？請簡要說明。*若要實(shí)現(xiàn)更理想的平帶對準(zhǔn)，可以采取哪些結(jié)構(gòu)調(diào)整策略？2.（15分）在研究某金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）的光電轉(zhuǎn)換性能時，研究人員獲得了以下信息：MOS的帶隙（Eg）為2.5eV，其禁帶頂（VB）位于+2.0eV（相對于真空能級），費(fèi)米能級位于+0.5eV。當(dāng)用波長為500nm（光子能量為2.48eV）的光照射MOS時，假設(shè)光生電子直接注入MOS的導(dǎo)帶底（CB，位于-Eg/2=-1.25eV）。請回答：*入射光子的能量是否足以克服MOS的帶隙，產(chǎn)生光生電子？*光生電子被注入到MOS導(dǎo)帶后，其初始能量（相對于費(fèi)米能級）是多少？*若MOS用作太陽能電池的光陽極，為提高其光吸收效率和電荷注入效率，從能級結(jié)構(gòu)角度可以如何優(yōu)化？---試卷答案一、填空題（每空2分，共20分）1.內(nèi)部電場2.介電常數(shù)3.電荷注入；電荷抽出4.半導(dǎo)體量子點(diǎn)5.能級匹配；電荷選擇性二、簡答題（每題5分，共20分）1.解析思路：影響電荷轉(zhuǎn)移速率的因素主要從理論和物理層面考慮。理論層面涉及能級匹配、電荷重組能等。物理層面則包括材料本身的性質(zhì)（如給體/受體電導(dǎo)率、介電常數(shù)）和界面性質(zhì)（如界面態(tài)密度、接觸面積、界面缺陷、外部電場等）。*回答要點(diǎn)：電荷轉(zhuǎn)移能壘（受能級匹配和電荷重組能影響）、內(nèi)部電場、材料電導(dǎo)率、介電常數(shù)、界面態(tài)密度、接觸面積、缺陷、外部電場等。2.解析思路：能級對準(zhǔn)指給體和受體材料在界面處的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）和最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）能級相對于費(fèi)米能級的位置關(guān)系。重要性在于直接影響電荷能否順利注入和抽出，進(jìn)而決定電荷轉(zhuǎn)移的效率和器件性能。*回答要點(diǎn)：定義（HOMO-LUMO相對于費(fèi)米能級的位置關(guān)系），重要性（影響電荷注入/抽出效率，決定器件性能）。3.解析思路：紫外-可見吸收光譜主要用于判斷材料的光學(xué)帶隙、吸收邊，定性了解材料的電子結(jié)構(gòu)，判斷激發(fā)態(tài)特性。光電子能譜（如UPS）則可以直接測量材料的功函數(shù)、HOMO/LUMO能級等，用于定量分析能級對準(zhǔn)情況。*回答要點(diǎn)：吸收光譜（光吸收特性、帶隙、激發(fā)態(tài)），光電子能譜（功函數(shù)、HOMO/LUMO、能級對準(zhǔn)）。4.解析思路：舉例要具體，如CdSe量子點(diǎn)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（如納米尺寸、表面配體）如何影響電荷轉(zhuǎn)移（如尺寸量子限域效應(yīng)影響能級，表面配體影響表面態(tài)和界面結(jié)合）。*回答要點(diǎn)：舉例（如CdSe量子點(diǎn)），結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（尺寸、形貌、表面態(tài)、配體），構(gòu)效關(guān)系（尺寸/形貌對能級的影響，表面態(tài)對電荷注入/復(fù)合的影響）。三、論述題（每題10分，共30分）1.解析思路：量子點(diǎn)電荷轉(zhuǎn)移受尺寸效應(yīng)（量子限域?qū)е履芗夒x散）、表面效應(yīng)（表面態(tài)密度高）、形貌效應(yīng)（影響接觸面積和電荷傳輸路徑）等影響。需分別闡述這些因素如何改變能級結(jié)構(gòu)、界面勢壘和電荷傳輸動力學(xué)。*回答要點(diǎn)：尺寸效應(yīng)（量子限域?qū)е履芗壦{(lán)移，影響注入/抽出能），表面效應(yīng)（表面態(tài)Trap捕獲電荷，影響電荷注入/復(fù)合，表面配體影響界面勢），形貌效應(yīng)（影響光吸收、電荷傳輸路徑和接觸面積）。結(jié)合能級、勢壘、動力學(xué)分析。2.解析思路：表面態(tài)是束縛在材料表面能級，對電荷的俘獲和釋放具有選擇性。在電荷轉(zhuǎn)移過程中，表面態(tài)可以作為電荷的存儲中心，影響器件的響應(yīng)速度和循環(huán)穩(wěn)定性；同時，不利的表面態(tài)也可能作為復(fù)合中心，加速電荷損失，降低器件效率。*回答要點(diǎn)：表面態(tài)定義（束縛在表面的額外能級），影響機(jī)制（作為電荷陷阱，影響電荷存儲和釋放，決定器件響應(yīng)時間；作為復(fù)合中心，加速電荷損失，降低穩(wěn)定性和效率）。正負(fù)影響結(jié)合論述。3.解析思路：構(gòu)效關(guān)系研究思路是從材料結(jié)構(gòu)（分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷等）出發(fā)，預(yù)測或解釋其性能（電荷轉(zhuǎn)移效率、穩(wěn)定性、光學(xué)/電學(xué)性質(zhì)等）。研究方法上需要結(jié)合理論計算（DFT等）預(yù)測結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)表征（光譜、能譜、電化學(xué)等）驗(yàn)證，最終指導(dǎo)材料設(shè)計和器件優(yōu)化。*回答要點(diǎn)：核心思想（結(jié)構(gòu)決定性能，分析結(jié)構(gòu)如何影響性能），研究方法（理論計算預(yù)測，實(shí)驗(yàn)表征驗(yàn)證，如DFT計算能級，UPS/<XPS>測功函數(shù)/能級，瞬態(tài)光譜測動力學(xué)，電化學(xué)測注入/傳輸），目標(biāo)（指導(dǎo)材料設(shè)計，優(yōu)化器件性能）。四、計算與分析題（共30分）1.（15分）*解析思路：根據(jù)給定的HOMO和LUMO能級計算IE和EA。IE=HOMO，EA=LUMO。*計算過程：*IE_D=-5.5eV*EA_D=-3.0eV*CBM_A=-1.8eV，VBM_A=2.0eV，CBM_A-VBM_A=Eg_A=3.8eV*W_A=VBM_A=2.0eV*答案：*IE_D=-5.5eV,EA_D=-3.0eV*W_A=2.0eV*解析思路（能級對準(zhǔn)）：判斷能級對準(zhǔn)需計算費(fèi)米能級（EF=1.5eV）與D的LUMO和A的CBM的相對位置。若EF位于兩者之間，則存在內(nèi)建電場，否則為平帶。計算平帶對準(zhǔn)所需調(diào)整。*計算過程：*LUMO_D=-3.0eV*CBM_A=-1.8eV*EF=1.5eV*LUMO_D(-3.0eV)<EF(1.5eV)<CBM_A(-1.8eV)，EF位于兩者之間，存在內(nèi)建電場，為內(nèi)建電場對準(zhǔn)。*答案：存在能級對準(zhǔn)，為內(nèi)建電場對準(zhǔn)。*解析思路（平帶對準(zhǔn)策略）：要實(shí)現(xiàn)平帶對準(zhǔn)，需調(diào)整材料性質(zhì)使EF處于HOMO_D和CBM_A之間，或使HOMO_D與CBM_A重合。通常通過改變材料的功函數(shù)（W）或介電常數(shù)（ε）實(shí)現(xiàn)。例如，減小W_A（如用化學(xué)修飾）或增大介電常數(shù)。*答案：減小A材料的功函數(shù)（如通過表面化學(xué)修飾），或增大體系的介電常數(shù)。2.（15分）*解析思路：判斷光子能量是否足夠克服帶隙，比較光子能量（E_ph）與帶隙（Eg）。若E_ph≥Eg，則足夠。*計算過程：*E_ph=2.48eV*Eg=2.5eV*2.48eV<2.5eV*答案：不足以克服MOS的帶隙，產(chǎn)生光生電子。*解析思路：光生電子注入導(dǎo)帶后，其能量為光子能量減去帶隙寬度，再減去其初始占據(jù)的VB位置（相對于費(fèi)米能級）。即E_electron=E_ph-Eg-(VB-EF)。*計算過程：*VB=+2.0eV*EF=+0.5eV*E_electron=2.48eV-2.5eV-(2.0eV-0.5eV)*E_electron=-2.52eV-1.5eV*E_electron=-4.02eV*答案：-4.02eV（相對于真空能級）。