2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)在光伏材料研究中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填寫在答題紙上。）1.在有機(jī)光伏器件（OSC）中，給體材料通常具有的性質(zhì)是？A.較高的氧化電位和較低的還原電位B.較低的氧化電位和較高的還原電位C.較高的氧化電位和較高的還原電位D.較低的氧化電位和較低的還原電位2.下列哪種光譜技術(shù)常用于檢測(cè)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，對(duì)于確定官能團(tuán)和化學(xué)結(jié)構(gòu)非常有用？A.核磁共振（NMR）波譜B.紫外-可見(jiàn)（UV-Vis）吸收光譜C.傅里葉變換紅外（FTIR）光譜D.拉曼（Raman）光譜3.染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）中，染料分子的主要作用是？A.作為電子給體，直接產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)B.作為電子受體，儲(chǔ)存光能C.作為催化劑，促進(jìn)電荷分離D.作為敏化劑，吸收光子并傳遞電子給半導(dǎo)體電極4.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PerovskiteSolarCell）中，影響其長(zhǎng)期穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素是？A.能級(jí)匹配B.載流子壽命C.材料的熱穩(wěn)定性D.激子解離能5.在分子自組裝過(guò)程中，范德華力和氫鍵分別屬于哪種類型的分子間相互作用力？A.引力，引力B.誘導(dǎo)力，取向力C.引力，取向力D.溶解力，誘導(dǎo)力6.有機(jī)光伏材料中的“給體-受體”疊層結(jié)構(gòu)的主要目的是？A.增加材料的溶解度B.提高材料的結(jié)晶度C.促進(jìn)光吸收和有效激子解離D.降低材料的合成成本7.溶劑在有機(jī)光伏材料溶液加工過(guò)程中的作用不包括？A.溶解聚合物給體B.促進(jìn)活性層薄膜的均勻成膜C.直接參與光生伏特效應(yīng)D.影響最終的器件能量轉(zhuǎn)換效率8.下列哪種量子化學(xué)計(jì)算方法通常用于預(yù)測(cè)分子的幾何構(gòu)型和能量？A.密度泛函理論（DFT）B.分子力場(chǎng)（MolecularMechanics）C.時(shí)間依賴性密度泛函理論（TD-DFT）D.普朗克公式9.在設(shè)計(jì)寬光譜吸收的光伏材料時(shí)，通常會(huì)考慮如何修改分子結(jié)構(gòu)以吸收更多波長(zhǎng)范圍的光？A.增加分子的對(duì)稱性B.引入具有較低氧化還原能力的單元C.調(diào)整共軛體系的長(zhǎng)度和強(qiáng)度D.減少分子量10.有機(jī)太陽(yáng)能電池中，非輻射復(fù)合過(guò)程會(huì)？A.提高器件的開(kāi)路電壓B.減少器件的光電流C.增加器件的填充因子D.提高器件的短路電流二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）1.分子間作用力包括色散力、______力和______力。2.有機(jī)太陽(yáng)能電池的基本工作原理是利用光生激子，通過(guò)______和______過(guò)程產(chǎn)生光電流。3.鈣鈦礦材料ABX?（A=陽(yáng)離子，B=金屬離子，X=陰離子）中，A位通常是______離子，B位通常是______離子。4.拉曼光譜與紅外光譜的主要區(qū)別在于，拉曼光譜對(duì)分子的______振動(dòng)模式有響應(yīng)，而紅外光譜對(duì)______振動(dòng)模式有響應(yīng)。5.分子設(shè)計(jì)策略中，“分子工程”的概念強(qiáng)調(diào)通過(guò)______來(lái)調(diào)控材料的性能。6.染料敏化太陽(yáng)能電池中，常用的半導(dǎo)體電極材料是______。7.提高有機(jī)光伏材料器件效率的途徑包括提高光吸收系數(shù)、優(yōu)化______、減少______等。8.傅里葉變換紅外（FTIR）光譜中，吸收峰的位置對(duì)應(yīng)于分子的______頻率。9.激子在光光伏器件中的作用是______。10.分子自組裝技術(shù)可以在______尺度上構(gòu)建有序的納米結(jié)構(gòu)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）1.簡(jiǎn)述分子設(shè)計(jì)在開(kāi)發(fā)新型有機(jī)光伏材料中的基本思路。2.解釋什么是激子解離，并簡(jiǎn)述其在有機(jī)太陽(yáng)能電池中的作用。3.簡(jiǎn)述影響有機(jī)光伏器件開(kāi)路電壓（Voc）的主要因素。4.簡(jiǎn)述溶液加工技術(shù)在制備有機(jī)光伏器件中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)。5.簡(jiǎn)述提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的主要挑戰(zhàn)和常用策略。四、論述題（每題10分，共30分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）1.論述分子間相互作用力（如氫鍵、π-π堆積）在調(diào)控有機(jī)光伏材料薄膜形貌和最終器件性能方面的重要性。2.論述光譜學(xué)方法（如UV-Vis,FTIR,Raman）在表征有機(jī)光伏材料結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和評(píng)估其光電性能方面的應(yīng)用價(jià)值。3.論述如何利用分子工程手段來(lái)提升有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，并舉例說(shuō)明。五、計(jì)算題（10分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）假設(shè)一個(gè)有機(jī)太陽(yáng)能電池器件，其開(kāi)路電壓（Voc）為0.6V，短路電流密度（Jsc）為15mA/cm2，填充因子（FF）為0.7。請(qǐng)計(jì)算該器件的理論能量轉(zhuǎn)換效率（η）。已知普朗克常數(shù)h=6.626x10?3?J·s，光速c=2.998x10?m/s。---試卷答案一、選擇題1.B2.C3.D4.C5.A6.C7.C8.A9.C10.B二、填空題1.取向，誘導(dǎo)2.激子分離，電荷傳輸3.陽(yáng)離子，金屬離子4.非對(duì)稱性，對(duì)稱性5.分子結(jié)構(gòu)6.TiO?7.載流子遷移率，非輻射復(fù)合8.振動(dòng)9.吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)10.納米三、簡(jiǎn)答題1.依據(jù)光伏材料的基本原理和要求，設(shè)計(jì)具有特定能級(jí)結(jié)構(gòu)（如合適的能級(jí)差）、優(yōu)良的光學(xué)吸收特性（如寬吸收帶、高吸收系數(shù)）、高載流子遷移率、良好分子間相互作用（以利于成膜和有序結(jié)構(gòu)）以及穩(wěn)定性的分子結(jié)構(gòu)。通常涉及選擇合適的給體和受體單元，設(shè)計(jì)共軛體系，引入功能基團(tuán)等。2.激子解離是指光激發(fā)產(chǎn)生的束縛在分子內(nèi)的激子（電子-空穴對(duì)）在電場(chǎng)或熱力作用下分離成自由移動(dòng)的電子和空穴的過(guò)程。它是實(shí)現(xiàn)光光伏器件能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵步驟，只有分離后的載流子被有效收集，才能產(chǎn)生光電流。3.影響開(kāi)路電壓的主要因素包括材料的能級(jí)結(jié)構(gòu)（給體和受體材料的最高占據(jù)分子軌道HOMO和最低未占據(jù)分子軌道LUMO能級(jí)差）、激子解離能以及器件內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度。Voc理論上等于HOMO能級(jí)差減去電子傳輸能壘（或空穴傳輸能壘，取決于收集方向）。4.溶液加工技術(shù)利用溶劑將有機(jī)光伏材料溶解，然后通過(guò)旋涂、噴涂、浸涂、真空過(guò)濾等方法在基底上形成均勻、致密的功能層薄膜。其優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于大面積制備和實(shí)現(xiàn)柔性器件。5.主要挑戰(zhàn)包括鈣鈦礦材料的光化學(xué)穩(wěn)定性差（易水解、氧化）和環(huán)境穩(wěn)定性差（易結(jié)晶不良、相變）。常用策略包括：表面修飾/鈍化（鈍化缺陷態(tài)）、封裝（阻隔水氧）、摻雜、器件結(jié)構(gòu)工程（如倒置結(jié)構(gòu)、界面層設(shè)計(jì)）等。四、論述題1.分子間相互作用力深刻影響有機(jī)光伏材料在溶液中的溶解性、在固體薄膜中的排列方式（如π-π堆積的有序度、氫鍵形成的超分子結(jié)構(gòu)）、晶粒尺寸和形貌。有序的π-π堆積通常有利于電荷的快速傳輸和有效的激子解離；氫鍵等相互作用則有助于形成穩(wěn)定的超分子結(jié)構(gòu)，影響薄膜的均勻性和穩(wěn)定性。這些結(jié)構(gòu)特征最終決定了材料的電學(xué)性能（遷移率、電阻）和光學(xué)性能（吸收系數(shù)），進(jìn)而影響器件的整體性能。2.光譜學(xué)方法是表征有機(jī)光伏材料的重要工具。UV-Vis光譜用于確定材料的光吸收范圍和強(qiáng)度，評(píng)估其寬光譜吸收能力。FTIR光譜用于鑒定材料中的官能團(tuán)，確認(rèn)化學(xué)結(jié)構(gòu)。Raman光譜則提供互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)信息，尤其適用于研究對(duì)稱性高、IR活性弱的振動(dòng)模式，以及檢測(cè)缺陷。這些光譜信息有助于確認(rèn)材料的純度、相態(tài)和化學(xué)狀態(tài)。此外，通過(guò)分析吸收光譜的峰位和強(qiáng)度，可以估算激子解離能；通過(guò)分析透射或反射光譜隨時(shí)間的變化，可以研究材料的穩(wěn)定性。這些表征手段為材料的設(shè)計(jì)、合成、篩選以及器件性能的理解和優(yōu)化提供了關(guān)鍵依據(jù)。3.利用分子工程提升有機(jī)太陽(yáng)能電池效率主要通過(guò)以下途徑：①調(diào)控能級(jí)結(jié)構(gòu)：精確設(shè)計(jì)給體和受體材料的HOMO和LUMO能級(jí)，實(shí)現(xiàn)最佳的能級(jí)匹配，最大化激子解離效率和電荷傳輸驅(qū)動(dòng)力，從而提高開(kāi)路電壓（Voc）和填充因子（FF）。②優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)光吸收：通過(guò)增加共軛鍵長(zhǎng)度、引入擴(kuò)展π體系、設(shè)計(jì)給體-受體疊層結(jié)構(gòu)等，拓寬光譜吸收范圍，吸收更多太陽(yáng)光，提高短路電流密度（Jsc）。③提高電子和空穴遷移率：設(shè)計(jì)具有剛性平面結(jié)構(gòu)、減少分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)的分子，優(yōu)化分子間堆積，形成有利于電荷傳輸?shù)挠行虮∧そY(jié)構(gòu)，降低電荷傳輸電阻，提高填充因子（FF）。④增強(qiáng)激子解離和電荷傳輸：引入合適的給體和受體單元，設(shè)計(jì)具有足夠解離能的分子結(jié)構(gòu)，或通過(guò)引入給體/受體摻雜、構(gòu)建超分子聚集體等方式促進(jìn)激子解離和電荷的快速分離與傳輸。⑤提升材料穩(wěn)定性和器件工作壽命：通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入穩(wěn)定基團(tuán)，或進(jìn)行表面修飾、鈍化缺陷態(tài)，提高材料在光、熱、氧、濕氣等環(huán)境下的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)器件工作壽命。例如，通過(guò)分子工程合成的給體材料PTB7-Th與受體材料ICBA的疊層，顯著提高了有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率。五、計(jì)算題理論能量轉(zhuǎn)換效率η=(Jsc×Voc×FF)/(Pphot*η?)或直接用(Jsc×Voc×FF)/(1000*E?)(假設(shè)光強(qiáng)為1太陽(yáng)=1000W/m2，E?為太陽(yáng)光能量密度)，但更常用的定義是η=(Jsc×Voc×FF)/100。這里采用后者，E?≈2000kJ/mol，1mol光子對(duì)應(yīng)1.987×10?2?J(hc/λ?，取平均可見(jiàn)光波長(zhǎng)λ?≈500nm)。但