2025年大學《能源化學》專業(yè)題庫——鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.鈣鈦礦太陽能電池(PerovskiteSolarCell)2.光致衰減(Photobleaching)3.鹵素離子遷移(HalideIonMigration)4.鈍化(Passivation)5.內(nèi)部電化學降解(InternalElectrochemicalDegradation)二、簡答題（每小題5分，共25分）1.簡述鈣鈦礦太陽能電池面臨的主要穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。2.請列舉三種不同的鈣鈦礦材料化學穩(wěn)定性提升策略。3.解釋什么是界面化學穩(wěn)定性，并說明其對于器件長期運行的重要性。4.簡述濕氣對鈣鈦礦薄膜和器件性能可能造成的影響。5.提出一種用于鈍化鈣鈦礦材料表面以提升其穩(wěn)定性的具體方法，并簡述其原理。三、論述題（每小題10分，共30分）1.詳細分析鈣鈦礦材料中鉛（Pb）的揮發(fā)及其對器件穩(wěn)定性和環(huán)境的影響，并探討可能的替代策略。2.以薄膜鈣鈦礦太陽能電池為例，設計一套綜合性的穩(wěn)定性提升方案，需要涵蓋材料、器件結構和封裝等多個方面，并說明各部分的設計思路。3.討論目前衡量鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的關鍵指標有哪些？選擇其中兩個指標，分別說明其測試方法的基本原理以及如何通過實驗結果評估器件的穩(wěn)定性表現(xiàn)。試卷答案一、名詞解釋1.鈣鈦礦太陽能電池(PerovskiteSolarCell):一種利用鈣鈦礦半導體材料作為光吸收層的太陽能電池，通常包含鈣鈦礦發(fā)光層和電荷傳輸層，通過光生載流子的分離和收集產(chǎn)生電流。**解析思路：*考察對鈣鈦礦太陽能電池基本定義的理解，包括關鍵組成部分（鈣鈦礦光吸收層、電荷傳輸層）和基本工作原理（光生載流子分離收集）。2.光致衰減(Photobleaching):指鈣鈦礦材料在光照下（尤其是特定波長光照射下）其光致發(fā)光強度或吸收邊發(fā)生紅移的現(xiàn)象，通常伴隨著材料化學結構的改變和光電性能的下降。**解析思路：*考察對光致衰減現(xiàn)象定義及其后果（性能下降）的認識，需了解其與材料結構變化的關系。3.鹵素離子遷移(HalideIonMigration):指鈣鈦礦材料中的鹵素離子（如Cl?,I?）在電場、光照、熱或應力等作用下發(fā)生空間遷移的現(xiàn)象，可能導致器件性能劣化甚至開路。**解析思路：*考察對鹵素離子遷移這一關鍵降解機制的理解，包括驅(qū)動因素和潛在危害。4.鈍化(Passivation):指通過覆蓋或引入特定物質(zhì)（如有機分子、無機納米顆粒）到鈣鈦礦材料表面，以passivate（鈍化）材料中的缺陷態(tài)，抑制載流子復合和有害的離子遷移，從而提升材料或器件的穩(wěn)定性。**解析思路：*考察對“鈍化”概念及其在穩(wěn)定性提升中作用機制的理解，強調(diào)其對缺陷和離子遷移的抑制。5.內(nèi)部電化學降解(InternalElectrochemicalDegradation):指在器件工作電壓下，鈣鈦礦層內(nèi)部發(fā)生的自發(fā)電化學過程，包括陽離子/陰離子遷移、相分離、界面反應等，導致材料化學成分改變和器件性能衰減。**解析思路：*考察對內(nèi)部電化學降解這一機制的定義及其與工作電壓、化學變化關系的理解。二、簡答題1.鈣鈦礦太陽能電池面臨的主要穩(wěn)定性挑戰(zhàn)：主要包括化學穩(wěn)定性差（易與濕氣、氧氣反應，材料自身易分解，鹵素離子易遷移）、光電穩(wěn)定性差（光照易導致光致衰減，工作電壓下易發(fā)生內(nèi)部電化學降解）、熱穩(wěn)定性差（高溫下材料易分解或相變）以及機械穩(wěn)定性差（薄膜易碎裂）。**解析思路：*要求學生能全面列舉影響PSCs壽命的幾個主要方面，涵蓋化學、光電、熱、機械等維度。2.請列舉三種不同的鈣鈦礦材料化學穩(wěn)定性提升策略：(1)陰離子/陽離子摻雜（如用Br?取代I?，或摻雜有機分子/金屬離子）；(2)引入缺陷工程（如形成淺能級缺陷態(tài)）；(3)使用穩(wěn)定性更好的鈣鈦礦材料（如單晶鈣鈦礦、雙鈣鈦礦、有機鈣鈦礦）。**解析思路：*考察對材料層面提升穩(wěn)定性的具體方法的掌握，要求列舉不同類型的策略。3.解釋什么是界面化學穩(wěn)定性，并說明其對于器件長期運行的重要性：界面化學穩(wěn)定性指鈣鈦礦材料與其相鄰層（如HTM、ETM、基板）之間在長期工作條件下不發(fā)生不良反應（如相互擴散、化學反應、界面復合增加）的性質(zhì)。其重要性在于穩(wěn)定的界面能確保電荷的有效傳輸、抑制界面缺陷態(tài)的產(chǎn)生、維持器件結構和成分的長期一致性，是器件實現(xiàn)長期可靠運行的基礎。**解析思路：*要求學生能定義界面化學穩(wěn)定性，并闡述其對于維持器件整體性能和壽命的關鍵作用。4.簡述濕氣對鈣鈦礦薄膜和器件性能可能造成的影響：濕氣會與鈣鈦礦材料發(fā)生化學反應，導致材料分解、結晶度下降；濕氣分子（尤其是水分子）的滲透會進入器件內(nèi)部，與鈣鈦礦層、界面層發(fā)生反應，引發(fā)鹵素離子遷移、產(chǎn)生缺陷態(tài)、增加界面接觸電阻，最終導致器件效率急劇下降、開路電壓降低、短路電流減小甚至完全失效。**解析思路：*考察對濕氣這一環(huán)境因素如何從化學和物理層面破壞PSCs的理解，需要說明其對材料和器件性能的具體負面影響。5.提出一種用于鈍化鈣鈦礦表面以提升其穩(wěn)定性的具體方法，并簡述其原理：例如，使用含氮雜環(huán)有機分子（如苯并三唑、三唑并三唑）進行表面鈍化。其原理是這些有機分子含有豐富的氮雜原子，能夠與鈣鈦礦表面的缺陷態(tài)（如懸掛鍵）形成配位鍵或電荷轉(zhuǎn)移復合物，有效捕獲載流子，鈍化缺陷能級，抑制載流子復合和離子遷移，從而提升材料的化學穩(wěn)定性和光電穩(wěn)定性。**解析思路：*要求學生能給出一個具體的鈍化實例（方法），并解釋其作用原理（與缺陷作用、抑制遷移等），體現(xiàn)對鈍化機制的理解。三、論述題1.詳細分析鈣鈦礦材料中鉛（Pb）的揮發(fā)及其對器件穩(wěn)定性和環(huán)境的影響，并探討可能的替代策略：鉛的揮發(fā)是指鈣鈦礦材料在熱處理或工作過程中，鉛原子從晶格中脫離并以氣態(tài)形式逸出。其環(huán)境影響在于鉛是重金屬，具有毒性，對環(huán)境和生物體有害。對器件穩(wěn)定性的影響包括：降低鈣鈦礦材料的帶隙和開路電壓；引入額外的缺陷態(tài)，增加載流子復合；揮發(fā)出的鉛可能污染相鄰層或基板，影響器件性能?？赡艿奶娲呗园ǎ菏褂玫投拘曰驘o毒鈣鈦礦材料（如銫鉛雙鈣鈦礦CsPb(I/Br)?、銫錫鈣鈦礦CsSnI?，但需注意其效率和穩(wěn)定性問題）；進行鉛的化學固定（ChemicalFixation）；開發(fā)鉛回收和再利用技術。**解析思路：*要求對鉛揮發(fā)問題進行多角度分析，包括其物理過程、環(huán)境危害、對器件性能和壽命的具體影響，并能結合當前研究進展，探討多種解決或替代路徑。2.以薄膜鈣鈦礦太陽能電池為例，設計一套綜合性的穩(wěn)定性提升方案，需要涵蓋材料、器件結構和封裝等多個方面，并說明各部分的設計思路：(1)材料層面：選用化學和光電穩(wěn)定性更優(yōu)的鈣鈦礦材料（如單晶、雙鈣鈦礦或經(jīng)過優(yōu)化的鈣鈦礦薄膜），進行組分工程（如鹵素取代、摻雜）以增強穩(wěn)定性；(2)器件結構層面：采用有效的鈍化策略（如表面鈍化層、界面鈍化層），優(yōu)化HTM/ETM材料及其界面，使用超薄鈣鈦礦層減少缺陷產(chǎn)生，考慮采用倒置器件結構以提供更好的封裝；(3)封裝層面：采用高氣密性的封裝技術，如使用頂/底空穴/電子阻擋層(EBL)，選擇疏水疏氧的封裝材料，或在柔性基底上實現(xiàn)全包覆封裝，以有效隔絕濕氣和氧氣。設計思路是基于理解各種穩(wěn)定性降解機制，針對性地從源頭（材料）、過程（界面、結構）和外部環(huán)境（封裝）進行控制。**解析思路：*考察學生能否從系統(tǒng)角度出發(fā)，將穩(wěn)定性提升策略與材料、器件結構、封裝等不同層面相結合，提出一個全面且具有合理設計思路的解決方案。3.討論目前衡量鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的關鍵指標有哪些？選擇其中兩個指標，分別說明其測試方法的基本原理以及如何通過實驗結果評估器件的穩(wěn)定性表現(xiàn)：關鍵指標通常包括：功率衰減率（PercentageLossofInitialEfficiency,PLE，如IEC61215標準中的85%效率保持時間）、時間分辨光致發(fā)光光譜(TRPL)衰減、X射線衍射(XRD)相變監(jiān)測、電化學阻抗譜(EIS)中電荷轉(zhuǎn)移電阻的變化、器件的循環(huán)伏安曲線(CV)穩(wěn)定性（評估離子遷移）。選擇TRPL和EIS指標：(1)TRPL：基本原理是利用時間分辨光譜技術測量鈣鈦礦材料光致發(fā)光衰減的壽命。TRPL衰減快通常意味著載流子復合速率高，可能與材料缺陷多、化學穩(wěn)定性差有關。通過監(jiān)測老化前后TRPL衰減壽命的變化，可以評估材料的化學穩(wěn)定性和光電穩(wěn)定性。壽命延長通常表示穩(wěn)定性提高。(2)EIS：基本原理是通過測量器件在小交流信號激勵下的阻抗隨頻率的變化，來分析器件內(nèi)部不同部分的電荷傳輸和復合過程。器件的穩(wěn)定性可以通過監(jiān)測老化后EIS譜中電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)的變化來評估