2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——金屬氧化物在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪種金屬氧化物通常用作鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的電子傳輸層（ETL）？A.SnO2B.WO3C.Nb2O5D.Al2O32.在染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）中，TiO2薄膜的主要作用是？A.作為對(duì)電極B.作為透明導(dǎo)電層C.作為敏化劑吸附染料D.作為催化層促進(jìn)水分解3.金屬氧化物作為太陽(yáng)能電池的光吸收層時(shí)，其主要性能要求之一是？A.優(yōu)異的導(dǎo)電性B.寬的帶隙寬度C.高的光吸收系數(shù)D.高的化學(xué)穩(wěn)定性（非光電轉(zhuǎn)換相關(guān)）4.下列哪種金屬氧化物的能帶結(jié)構(gòu)使其特別適合用作染料敏化太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料？A.ITOB.ZnOC.TiO2D.Fe2O35.金屬氧化物在太陽(yáng)能電池中作為透明導(dǎo)電層（TCO）時(shí)，需要同時(shí)具備的性質(zhì)是？A.高透光率和低電阻率B.高透光率和高電阻率C.低透光率和低電阻率D.低透光率和高電阻率6.導(dǎo)致鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能下降的主要因素之一是？A.金屬氧化物的光吸收能力不足B.鈣鈦礦材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性差C.金屬氧化物與鈣鈦礦之間的界面復(fù)合嚴(yán)重D.金屬氧化物制備成本過(guò)高7.通過(guò)改變金屬氧化物的晶粒尺寸，可以對(duì)其光電性能產(chǎn)生顯著影響，這主要是通過(guò)改變其哪種性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的？A.能帶寬度B.光吸收系數(shù)C.電荷遷移率D.表面態(tài)密度8.下列哪種金屬氧化物具有較窄的能帶寬度，使其適合用作需要吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)光（如近紅外光）的太陽(yáng)能電池材料？A.ZnOB.SnO2C.WO3D.Fe2O39.在金屬氧化物基太陽(yáng)能電池的界面工程中，使用金屬氧化物進(jìn)行鈍化處理的主要目的是？A.增加電池的透明度B.提高電荷的傳輸速率C.減少半導(dǎo)體表面的缺陷態(tài)和復(fù)合中心D.增強(qiáng)對(duì)電極的催化活性10.金屬氧化物太陽(yáng)能電池研究面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？A.制備工藝過(guò)于簡(jiǎn)單成熟B.材料成本過(guò)高難以大規(guī)模應(yīng)用C.光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到理論極限D(zhuǎn).對(duì)環(huán)境完全友好無(wú)毒害二、填空題（每空1分，共15分）1.金屬氧化物在太陽(yáng)能電池中主要利用其______和______特性。2.染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）通常使用______作為半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料。3.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，常選用______或______作為電子傳輸層（ETL）。4.金屬氧化物作為透明導(dǎo)電層（TCO）時(shí)，其光學(xué)透過(guò)率應(yīng)大于______%，電導(dǎo)率應(yīng)足夠高以降低______。5.影響金屬氧化物薄膜在太陽(yáng)能電池中光電性能的關(guān)鍵因素包括其______、______、______和界面特性。6.提升金屬氧化物基太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的常用策略有優(yōu)化______、改善______、以及進(jìn)行______等。7.金屬氧化物的______決定了其吸收太陽(yáng)光的能力，而______則影響光生電荷的傳輸效率。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述金屬氧化物在太陽(yáng)能電池中可能承擔(dān)的至少三種不同功能。2.為什么TiO2是染料敏化太陽(yáng)能電池中常用的半導(dǎo)體材料？3.簡(jiǎn)述影響金屬氧化物薄膜光電轉(zhuǎn)換性能的主要因素。4.簡(jiǎn)述金屬氧化物太陽(yáng)能電池相比傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池的主要優(yōu)勢(shì)。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述金屬氧化物的表面態(tài)對(duì)其在太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換性能的影響，并說(shuō)明如何通過(guò)改性手段（如摻雜、表面處理）來(lái)調(diào)控這些表面態(tài)。2.比較TiO2和ZnO作為太陽(yáng)能電池中電子傳輸層（ETL）的性能差異，并分析各自在應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題。3.結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)，論述金屬氧化物基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.A2.B3.C4.C5.A6.B7.B8.D9.C10.B二、填空題1.光吸收，電荷傳輸2.TiO23.TiO2,SnO24.80，串聯(lián)電阻5.帶隙寬度，光吸收系數(shù)，電荷遷移率6.材料組分與結(jié)構(gòu)，界面接觸，缺陷鈍化7.能帶結(jié)構(gòu)，電荷傳輸速率三、簡(jiǎn)答題1.答：金屬氧化物在太陽(yáng)能電池中可承擔(dān)多種功能，例如：作為光吸收層，利用其特定帶隙吸收太陽(yáng)光產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)（如TiO2在DSSC中，鈣鈦礦本身）；作為電子傳輸層（ETL），將光生電子快速傳輸至外電路（如TiO2,SnO2在鈣鈦礦電池中）；作為透明導(dǎo)電層（TCO），允許大部分光通過(guò)同時(shí)提供良好的導(dǎo)電性（如ITO,ZnO:Al）；作為鈍化層，passivate半導(dǎo)體表面缺陷以減少電荷復(fù)合（如Al2O3覆蓋鈣鈦礦）；作為催化層，參與水分解或CO2還原等輔助反應(yīng)（如RuO2）。2.答：TiO2被廣泛用作DSSC的光陽(yáng)極，主要因?yàn)椋浩鋷秾挾龋s3.0-3.2eV）適中，能吸收大部分可見(jiàn)光；具有高比表面積和良好的光散射能力，有利于吸附染料分子和光散射；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與電解液、染料相容性好；具有開(kāi)放的Fermi能級(jí)，有利于電子注入；制備方法簡(jiǎn)單且成本較低。3.答：影響金屬氧化物薄膜光電轉(zhuǎn)換性能的主要因素包括：①帶隙寬度：決定了材料吸收太陽(yáng)光的光譜范圍和光生載流子的能量；②光吸收系數(shù)：影響光在材料中的穿透深度，吸收系數(shù)越大，有效吸收的光越多；③電荷遷移率：包括電子和空穴的遷移率，決定了光生載流子在材料內(nèi)部及界面處的傳輸速率，傳輸速率越快，越少被復(fù)合，器件效率越高；④薄膜質(zhì)量：如晶粒尺寸、結(jié)晶度、缺陷密度等，影響載流子傳輸和復(fù)合；⑤界面特性：金屬氧化物與其他層（如敏化劑、鈣鈦礦、電極）之間的界面結(jié)構(gòu)、能級(jí)匹配、接觸電阻等，直接影響電荷的注入和傳輸效率；⑥鈍化效果：表面缺陷態(tài)密度影響載流子的復(fù)合速率。4.答：相比傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池，金屬氧化物基（特別是鈣鈦礦基）太陽(yáng)能電池的主要優(yōu)勢(shì)在于：①更高效率的潛力：鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率近年來(lái)發(fā)展迅速，已接近或超過(guò)硅基電池；②制備成本較低：許多金屬氧化物（如TiO2,ZnO）和鈣鈦礦可以通過(guò)低溫、濕化學(xué)方法（如水熱、旋涂、噴涂）制備，設(shè)備和材料成本相對(duì)較低，適合柔性、輕質(zhì)化器件；③可溶液加工：大部分材料可溶于溶劑，易于實(shí)現(xiàn)大面積、低成本、卷對(duì)卷的印刷制備；④可調(diào)諧的光學(xué)/電學(xué)性質(zhì)：通過(guò)組分摻雜、缺陷工程等可以方便地調(diào)節(jié)材料的帶隙、吸收光譜和電學(xué)特性，以適應(yīng)不同應(yīng)用需求；⑤適用于多種光照條件：部分金屬氧化物能吸收近紅外光，可拓寬光譜響應(yīng)范圍；⑥易于實(shí)現(xiàn)多結(jié)結(jié)構(gòu)：理論上更容易構(gòu)建疊層電池以突破單結(jié)效率極限。四、論述題1.答：金屬氧化物的表面態(tài)對(duì)其光電轉(zhuǎn)換性能有顯著影響。一方面，表面態(tài)可以作為淺能級(jí)陷阱，捕獲光生載流子，降低其壽命，導(dǎo)致量子效率下降，尤其是在光照強(qiáng)度較高時(shí)，產(chǎn)生過(guò)剩載流子易引發(fā)復(fù)合。另一方面，某些表面態(tài)（如缺陷態(tài)）可以作為電子或空穴的捕獲中心，通過(guò)調(diào)節(jié)表面能帶彎曲，促進(jìn)電荷從半導(dǎo)體向電極的注入，或者鈍化不利的表面態(tài)以減少體復(fù)合和界面復(fù)合。調(diào)控這些表面態(tài)的方法主要有：①元素?fù)诫s：引入雜質(zhì)元素（如Al,Cr,N,S等）取代晶格位置或占據(jù)間隙位置，可以改變表面能級(jí)分布，形成有利于電荷注入或傳輸?shù)哪芗?jí)；②表面處理/改性：通過(guò)離子注入、紫外光照射、熱處理、原子層沉積（ALD）生長(zhǎng)覆蓋層（如Al2O3,SiO2）等方式，可以修飾表面形貌，降低缺陷密度，鈍化表面態(tài)，改善表面能帶結(jié)構(gòu)與襯底的匹配。2.答：TiO2和ZnO作為ETL在太陽(yáng)能電池中各有優(yōu)劣。TiO2：帶隙較寬（~3.0-3.2eV），對(duì)可見(jiàn)光吸收弱，需要較厚薄膜才能有效吸收光；但具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、與鈣鈦礦等基底的能級(jí)匹配良好（有利于電子注入）、制備方法成熟（如水熱法制備超薄納米顆粒膜）；缺點(diǎn)是電子遷移率相對(duì)較低，且在高溫或光照下可能發(fā)生TiO2向鈣鈦礦的電子反向注入，影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性。ZnO：帶隙略窄（~3.4eV），對(duì)近紫外光有吸收，薄膜較薄即可吸收足夠光；具有更高的電子遷移率，有利于電荷快速傳輸；化學(xué)穩(wěn)定性好，無(wú)TiO2的反向注入問(wèn)題；但與鈣鈦礦的能級(jí)匹配不如TiO2理想（通常需要調(diào)控），且在高溫下制備高質(zhì)量薄膜相對(duì)困難。應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題：①TiO2的電子遷移率較低限制了器件的填充因子和開(kāi)路電壓；②TiO2的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題（尤其是在鈣鈦礦中）需要進(jìn)一步解決；③ZnO與鈣鈦礦的界面電荷注入效率可能需要優(yōu)化；④ZnO薄膜的制備均勻性和大面積制備的穩(wěn)定性。3.答：金屬氧化物基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（主要指鈣鈦礦/金屬氧化物異質(zhì)結(jié)）面臨的主要挑戰(zhàn)及解決方案：挑戰(zhàn)1：長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。鈣鈦礦材料對(duì)濕氣、氧氣、光照和熱量非常敏感，易發(fā)生降解，導(dǎo)致器件效率快速衰減。解決方案：①采用高穩(wěn)定性的鈣鈦礦材料（如鹵素離子混合、引入有機(jī)基團(tuán)）；②進(jìn)行界面鈍化（如使用Al2O3,LiF等寬帶隙材料覆蓋鈣鈦礦表面）；③優(yōu)化封裝技術(shù)，隔絕水氧環(huán)境；④開(kāi)發(fā)穩(wěn)定性的緩沖層和電極材料。挑戰(zhàn)2：鉛毒性問(wèn)題。傳統(tǒng)甲脒基鈣鈦礦含有鉛，存在環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。解決方案：①開(kāi)發(fā)無(wú)鉛或低鉛鈣鈦礦材料（如錫、銦、銫或有機(jī)陽(yáng)離子替代鉛）；②研究鉛摻雜的鈣鈦礦是否仍能保持高效率且毒性可接受；③探索將鈣鈦礦器件與高穩(wěn)定性的有機(jī)半導(dǎo)體或硅基器件進(jìn)行疊層，利用其他材料優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)鈣鈦礦穩(wěn)定性不足，實(shí)現(xiàn)鉛污染的“內(nèi)部隔離”。挑戰(zhàn)3：大面積制備均勻性及良率。實(shí)現(xiàn)高效率和大面積器件對(duì)薄膜制備的均勻性、缺陷控制提出了極高要求。解決方案：①優(yōu)化溶液加工工藝（