2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——有機(jī)太陽(yáng)能電池的材料設(shè)計(jì)與發(fā)展考試時(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)字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.有機(jī)太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的核心物理過(guò)程是？(A)光的散射與反射(B)電荷的復(fù)合與耗散(C)光吸收與電荷分離(D)電極的接觸勢(shì)差形成2.在有機(jī)太陽(yáng)能電池的給體材料中，通常通過(guò)調(diào)節(jié)分子鏈的規(guī)整性來(lái)主要影響？(A)HOMO能級(jí)位置(B)電荷產(chǎn)生效率(C)電荷遷移率(D)材料的光吸收截止邊3.相比于富勒烯受體（如PCBM），非富勒烯受體（如ITIC）通常具有的優(yōu)勢(shì)之一是？(A)更高的開路電壓(B)更好的熱穩(wěn)定性(C)更強(qiáng)的分子間相互作用(D)更低的材料成本4.有機(jī)太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)中，形成激子的主要場(chǎng)所通常在？(A)電極與活性層界面(B)活性層內(nèi)部給體/受體相界面(C)界面層與活性層界面(D)電荷傳輸層中5.提高有機(jī)太陽(yáng)能電池器件性能的“形貌因子”（f）通常指的是？(A)活性層厚度與器件開路電壓之比(B)活性層中相分離區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)(C)電荷遷移率與器件短路電流之比(D)給體結(jié)晶度與受體結(jié)晶度之比6.為了抑制有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層中的非輻射復(fù)合，通常會(huì)采取的策略包括？(A)提高活性層中載流子濃度(B)優(yōu)化給體和受體材料的能級(jí)匹配(C)減小活性層相分離尺寸(D)降低器件工作溫度7.有機(jī)太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期穩(wěn)定性面臨的主要挑戰(zhàn)之一是？(A)電極材料的腐蝕(B)活性層材料在光照和空氣下的降解(C)電荷在電極中的復(fù)合(D)器件結(jié)構(gòu)的熱膨脹8.有機(jī)太陽(yáng)能電池與無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池（如鈣鈦礦太陽(yáng)能電池）相比，其主要優(yōu)勢(shì)可能包括？(A)更高的電荷遷移率(B)更優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性(C)更低的材料成本和更靈活的制備工藝(D)更高的工作溫度9.在有機(jī)太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)中，界面層（如PCBM:BCP）的主要功能可能不是？(A)促進(jìn)電荷從活性層傳輸?shù)诫姌O(B)提高活性層的光吸收(C)阻止電荷在界面處復(fù)合(D)調(diào)節(jié)活性層的能級(jí)10.有機(jī)太陽(yáng)能電池研究中的一個(gè)重要發(fā)展方向是？(A)單結(jié)器件效率的進(jìn)一步提升(B)開發(fā)基于無(wú)機(jī)材料的疊層器件(C)鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池(D)器件制備成本的降低和柔性化應(yīng)用二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在題干后的橫線上）1.有機(jī)太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)基本方程為_______=V_oc*I_sc+P_max，其中P_max代表最大功率功率。2.描述半導(dǎo)體材料能級(jí)結(jié)構(gòu)的參數(shù)有_______(最高占據(jù)分子軌道)和_______(最低未占據(jù)分子軌道)。3.有機(jī)太陽(yáng)能電池中，提高電荷遷移率的途徑通常包括提高材料的_______和調(diào)控活性層的_______。4.有機(jī)給體材料P3HT的化學(xué)全稱是聚(3-己基噻吩)。5.為了解決有機(jī)太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性問(wèn)題，常用的封裝技術(shù)包括_______封裝和_______封裝。6.有機(jī)光伏器件中，EQE(外部量子效率)定義為_______。7.有機(jī)太陽(yáng)能電池中，影響器件開路電壓(V_oc)的關(guān)鍵因素之一是給體和受體材料的_______差。8.柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池對(duì)電極材料的要求通常包括良好的_______和_______。9.有機(jī)材料分子的共軛結(jié)構(gòu)對(duì)其_______和_______有重要影響。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述有機(jī)太陽(yáng)能電池中，光生激子分離成自由空穴和電子的過(guò)程及其物理機(jī)制。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明非富勒烯受體（NFA）相比富勒烯受體（PCBM）具有哪些潛在的優(yōu)勢(shì)。3.簡(jiǎn)述有機(jī)太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)中，界面層的作用。4.簡(jiǎn)述提高有機(jī)太陽(yáng)能電池器件穩(wěn)定性的主要策略。四、論述題（每題10分，共30分）1.論述有機(jī)太陽(yáng)能電池材料設(shè)計(jì)中的能級(jí)工程策略，并舉例說(shuō)明如何通過(guò)調(diào)控材料結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)能級(jí)匹配。2.試比較有機(jī)太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在材料體系、器件結(jié)構(gòu)、性能、穩(wěn)定性及成本等方面的主要異同點(diǎn)。3.針對(duì)當(dāng)前有機(jī)太陽(yáng)能電池面臨的效率衰減和長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足的挑戰(zhàn)，請(qǐng)?zhí)岢瞿阍O(shè)想的三種可能的解決方案或研究方向，并簡(jiǎn)述其原理。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(C)3.(B)4.(B)5.(B)6.(B)7.(B)8.(C)9.(B)10.(C)二、填空題1.P_max/I_v2.HOMO,LUMO3.結(jié)晶度,相分離4.是5.密封,氣相6.輸出短路電流的光子數(shù)與入射光子數(shù)之比7.HOMO-LUMO8.透明度,耐候性（或穩(wěn)定性）9.光吸收,電荷傳輸三、簡(jiǎn)答題1.解析思路:激子吸收光子產(chǎn)生后，處于束縛態(tài)。在給體/受體相界面處，由于給體和受體材料的LUMO能級(jí)存在差異，激子解離成自由移動(dòng)的空穴（留在給體側(cè)）和電子（留在受體側(cè)），這個(gè)過(guò)程稱為電荷分離。界面處的內(nèi)建電場(chǎng)有助于驅(qū)動(dòng)電荷向電極傳輸。2.解析思路:NFA通常具有更高的電子遷移率，有助于提高器件的短路電流；NFA的HOMO能級(jí)通常更低，有利于形成較高的開路電壓；NFA通常具有更好的熱穩(wěn)定性和空氣穩(wěn)定性；NFA避免了PCBM可能存在的激子淬滅效應(yīng)。3.解析思路:界面層主要作用包括：促進(jìn)電荷從活性層高效傳輸?shù)诫姌O（作為電荷轉(zhuǎn)移層）；抑制電荷在電極/活性層界面處的復(fù)合（作為電荷阻擋層）；調(diào)節(jié)活性層與電極之間的功函數(shù)差，促進(jìn)電荷注入；改善活性層與電極的界面形貌。4.解析思路:提高穩(wěn)定性的策略主要圍繞減緩材料降解和抑制電荷復(fù)合展開。包括：選用化學(xué)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定、對(duì)光和氧耐受性更好的給體和受體材料；通過(guò)分子設(shè)計(jì)引入穩(wěn)定基團(tuán)；引入受阻胺光穩(wěn)定劑（HALS）等抗光降解劑；采用有效的封裝技術(shù)，隔絕空氣和水汽；優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，如引入界面層、調(diào)控形貌因子等以減少缺陷和復(fù)合中心。四、論述題1.解析思路:能級(jí)工程是指通過(guò)選擇或修飾給體和受體材料，精確調(diào)控其HOMO和LUMO能級(jí)，使它們的能級(jí)差與器件所需的伏特電壓（約1V）相匹配，并確保給體LUMO和受體HOMO分別低于陰極功函數(shù)和高于陽(yáng)極功函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效的外部電荷注入。策略包括：選擇具有合適能級(jí)的材料；通過(guò)引入給/受體單元、調(diào)節(jié)側(cè)基、改變共軛長(zhǎng)度或引入給/受體基團(tuán)來(lái)微調(diào)能級(jí)；利用界面層來(lái)進(jìn)一步精確調(diào)整能級(jí)匹配。例如，選用LUMO能級(jí)更低的受體（如ITIC相比PCBM）可以降低開路電壓，但可能需要選用HOMO能級(jí)更低的給體來(lái)補(bǔ)償。2.解析思路:相同點(diǎn)：都是利用半導(dǎo)體材料的光吸收效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能的器件；都可能采用類似的三層結(jié)構(gòu)（電極/活性層/電極）；都面臨效率衰減和穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。不同點(diǎn)：材料體系：OSCs使用有機(jī)小分子或聚合物，PCS使用無(wú)機(jī)或混合有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；器件結(jié)構(gòu)：OSCs多為BHJ結(jié)構(gòu)依賴相分離，PCS多為異質(zhì)結(jié)或超晶格結(jié)構(gòu)依賴能級(jí)匹配；性能：PCS通常具有更高的電荷遷移率，可實(shí)現(xiàn)更高效率和更短響應(yīng)時(shí)間；穩(wěn)定性：傳統(tǒng)OSCs穩(wěn)定性相對(duì)較差，而鈣鈦礦（尤其單結(jié)）效率提升快但穩(wěn)定性仍需提高；成本與制備：OSCs材料成本可能較低且制備工藝較靈活，PCS材料成本和制備條件要求較高。*(注：此題答案要點(diǎn)可根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容有所側(cè)重)*3.解析思路:方案一：開發(fā)新型高穩(wěn)定性有機(jī)材料。研究方向是設(shè)計(jì)具有強(qiáng)吸電子性、剛性共軛骨架、引入穩(wěn)定雜原子或基團(tuán)、增大分子尺寸以減少分子間相互作用、或引入保護(hù)性結(jié)構(gòu)單元的給體和受體材料。原理是從根本上提高材料抵抗光、氧、熱降解的能力。方案二：優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與界面工程。研究方向是精確調(diào)控活性層相分離尺寸與形貌（如增大f值或形成納米晶島），引入高效、穩(wěn)定