2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫——半導(dǎo)體材料的光電化學(xué)性能研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.下列哪種材料通常被認為是直接帶隙半導(dǎo)體？（）A.GaAsB.SiC.GeD.Diamond2.在p-n結(jié)光電二極管工作狀態(tài)下，光照產(chǎn)生的電子-空穴對主要在哪個區(qū)域被分離？（）A.p區(qū)B.n區(qū)C.p-n結(jié)耗盡層D.擴散區(qū)3.提高太陽能電池的開路電壓（Voc）主要依賴于增大哪個參數(shù)？（）A.短路電流密度（Jsc）B.填充因子（FF）C.光生載流子量子效率D.光譜響應(yīng)范圍4.對于光電化學(xué)水分解制氫，作為光陰極的材料通常需要具備哪些特性？（）A.正的平帶電位且光吸收能力強B.負的平帶電位且光吸收能力強C.正的平帶電位且導(dǎo)帶位置低D.負的平帶電位且導(dǎo)帶位置高5.Mott-Schottky曲線通常用于測定半導(dǎo)體的哪種參數(shù)？（）A.禁帶寬度B.載流子濃度C.表面態(tài)密度D.光電轉(zhuǎn)換效率6.染料敏化太陽能電池（DSSC）中，染料分子主要起到的作用是？（）A.作為電子給體B.作為電子受體C.增加光程長度D.提供內(nèi)建電場7.下列哪種技術(shù)通常不用于表征半導(dǎo)體材料的表面化學(xué)狀態(tài)？（）A.X射線光電子能譜（XPS）B.透射電子顯微鏡（TEM）C.原子力顯微鏡（AFM）D.X射線吸收譜（XAS）8.在半導(dǎo)體光電化學(xué)研究中，量子效率（QE）的定義是？（）A.產(chǎn)生的光生載流子數(shù)/吸收的光子數(shù)B.產(chǎn)生的光生載流子數(shù)/發(fā)出的光子數(shù)C.產(chǎn)生的電子數(shù)/吸收的光子數(shù)D.轉(zhuǎn)移到外電路的電子數(shù)/吸收的光子數(shù)9.與銳鈦礦相TiO2相比，金紅石相TiO2通常具有哪種特性？（）A.更高的載流子遷移率B.更寬的禁帶寬度C.更好的光穩(wěn)定性D.更強的可見光吸收能力10.下列哪種材料因其獨特的二維結(jié)構(gòu)而被廣泛研究用于光電化學(xué)器件？（）A.GaNB.GrapheneC.SiCD.AlN二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)由滿帶的價帶和空的導(dǎo)帶構(gòu)成，價帶頂與導(dǎo)帶底之間的能量差稱為__________。2.光生載流子在半導(dǎo)體內(nèi)部分離的主要驅(qū)動力是__________。3.衡量太陽能電池性能的三個關(guān)鍵參數(shù)是開路電壓（Voc）、短路電流密度（Jsc）和__________。4.在光電化學(xué)水分解中，光陽極材料通常需要將水氧化生成__________，并具有合適的氧化電位。5.填充因子（FF）定義為__________與Voc的比值。6.X射線衍射（XRD）主要用來表征材料的__________結(jié)構(gòu)。7.鈣鈦礦太陽能電池（PERV）中，ABX3型結(jié)構(gòu)通常指__________、__________和__________三種組分。8.提高半導(dǎo)體光陽極電荷分離效率的一個有效方法是構(gòu)建異質(zhì)結(jié)，利用不同半導(dǎo)體的__________差。9.光電流譜測量通常在__________電位下進行，以檢測半導(dǎo)體對光的響應(yīng)。10.g-碳氮化物（g-C3N4）作為一種寬禁帶半導(dǎo)體，其獨特的結(jié)構(gòu)使其在__________等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述能帶理論中，半導(dǎo)體的本征載流子濃度是如何隨溫度變化的。2.簡述在太陽能電池中，增加光譜響應(yīng)范圍對提高光電轉(zhuǎn)換效率的意義。3.簡述染料敏化太陽能電池（DSSC）中，電子從染料分子傳遞到半導(dǎo)體導(dǎo)帶的基本過程。4.簡述光陽極在光電化學(xué)水分解中的作用及其面臨的主要挑戰(zhàn)。四、計算題（每題7分，共14分）1.某直接帶隙半導(dǎo)體的禁帶寬度為1.1eV。計算該半導(dǎo)體能夠吸收波長為600nm的光子。假設(shè)普朗克常數(shù)h=6.626x10^-34J·s，光速c=3.0x10^8m/s，1eV=1.602x10^-19J。2.已知某太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)光照（1000W/m^2）下的短路電流密度Jsc=20mA/cm^2，開路電壓Voc=0.6V，填充因子FF=0.75。計算該電池的理論最高光電轉(zhuǎn)換效率。五、論述題（10分）結(jié)合能級結(jié)構(gòu)與電荷轉(zhuǎn)移過程，論述設(shè)計高效光陽極材料時應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素，并舉例說明如何通過改性來提升光陽極的性能。試卷答案一、選擇題1.A2.C3.D4.A5.C6.A7.B8.D9.C10.B二、填空題1.禁帶寬度2.內(nèi)建電場（或表面勢壘）3.填充因子（FF）4.氧氣（或O2）5.短路電流密度（Jsc）6.晶體（或結(jié)晶）7.鈣（Ca）/鍶（Sr）/鋇（Ba）/銫（Cs）/鉛（Pb）/錫（Sn）/鎵（Ga）/鍺（Ge）/鋅（Zn）/鎘（Cd）/銦（In）/錫（Sn）/銻（Sb）/硒（Se）/碲（Te）/鹵素（F/I/Cl/Br）8.能帶（或費米能級）9.平帶（或開路）10.光電催化（或光電器件）三、簡答題1.解析思路：本征載流子濃度與半導(dǎo)體的禁帶寬度（Eg）和溫度（T）有關(guān)，關(guān)系式為ni=Nc*Nv*exp(-Eg/(2kT))，其中Nc和Nv分別是導(dǎo)帶和價帶的有效狀態(tài)密度。溫度升高，指數(shù)項exp(-Eg/(2kT))增大，因此本征載流子濃度ni隨溫度升高而指數(shù)增加。2.解析思路：太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取決于吸收的光子數(shù)以及這些光子能產(chǎn)生有效電荷載流子的比例。增加光譜響應(yīng)范圍意味著半導(dǎo)體材料能夠吸收更廣波長的光（包括可見光甚至近紅外光），從而吸收更多的光子，轉(zhuǎn)化為電荷載流子，進而提高短路電流密度Jsc，最終提升光電轉(zhuǎn)換效率。3.解析思路：光子照射半導(dǎo)體電極表面，能量被染料分子吸收，使染料分子電離，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)染料分子和電子。激發(fā)態(tài)染料分子不穩(wěn)定，將電子注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，自身回到基態(tài)。注入的電子被半導(dǎo)體的導(dǎo)帶捕獲，并轉(zhuǎn)移到電極上。同時，染料分子失去一個電子，變成氧化態(tài)，需要通過電解質(zhì)中的氧化劑來再生。4.解析思路：光陽極在光電化學(xué)水分解中負責(zé)吸收光能，并利用光生電子將水氧化生成氧氣。其核心作用是將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。主要挑戰(zhàn)包括：1)必須具有足夠的正電位（高于氧析出電位）以驅(qū)動水的氧化；2)需要強烈的可見光吸收能力以產(chǎn)生足夠多的光生載流子；3)必須具備優(yōu)異的光化學(xué)穩(wěn)定性，在強氧化性電解質(zhì)環(huán)境中不易被氧化破壞；4)需要高效的電荷分離和傳輸能力，以減少光生載流子的復(fù)合。四、計算題1.解析思路：首先根據(jù)光子能量公式E=h*c/λ，其中E為光子能量，h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為波長。將數(shù)值代入計算得到E=(6.626x10^-34J·s*3.0x10^8m/s)/(600x10^-9m)=3.313x10^-19J。然后將能量從焦耳轉(zhuǎn)換為電子伏特，E=(3.313x10^-19J)/(1.602x10^-19J/eV)≈2.07eV。比較計算得到的能量（2.07eV）與半導(dǎo)體的禁帶寬度（1.1eV），由于2.07eV>1.1eV，因此該半導(dǎo)體能夠吸收波長為600nm的光子。2.解析思路：太陽能電池的理論最高光電轉(zhuǎn)換效率η_max可以用公式η_max=(Jsc*Voc*FF)/(1.34)%計算。注意1.34通常指太陽光譜的短路電流與開路電壓乘積的理論上限系數(shù)（對應(yīng)理想的單級量子效率），這里按題目給定公式計算。將已知數(shù)值代入，η_max=(20mA/cm^2*0.6V*0.75)/1.34≈6.82/1.34≈5.08%。或者更常用的效率計算公式η=η_max*η_qe，其中η_qe為量子效率。若按η=Jsc*Voc*FF/1.5計算（1.5為另一常用系數(shù)），η=20mA/cm^2*0.6V*0.75/1.5=9/1.5=6.0%。此處按η_max=Jsc*Voc*FF/1.34計算，結(jié)果為5.08%。五、論述題解析思路：設(shè)計高效光陽極材料需考慮以下關(guān)鍵因素：1.合適的能帶結(jié)構(gòu)：光陽極需具有合適的平帶電位（通常接近或略高于氧析出電位，如+1.23VvsRHE），以確保光生電子能驅(qū)動水的氧化。同時，其導(dǎo)帶頂端（Ec）應(yīng)低于氧析出電位，價帶頂端（Ev）應(yīng)高于氫析出電位。禁帶寬度（Eg）需適中，既要能吸收足夠?qū)挷ㄩL的光（特別是可見光），又要能產(chǎn)生足夠高的光生載流子能量以克服反應(yīng)能壘。2.強可見光吸收能力：為提高光生載流子數(shù)量，材料需要具有寬的吸收光譜，能夠吸收盡可能多的可見光甚至近紅外光。這可以通過合金化、摻雜、缺陷工程或構(gòu)建能級匹配的異質(zhì)結(jié)來實現(xiàn)。3.優(yōu)異的光化學(xué)穩(wěn)定性：光陽極在工作過程中需要長期暴露在強氧化性（光陽極）或強還原性（光陰極）的電解液中，并受到光照輻照，因此必須具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性，不易被氧化或還原腐蝕，不易發(fā)生光腐蝕。4.高效的電荷分離和傳輸：光照產(chǎn)生的電子-空穴對必須在復(fù)合之前被有效分離并快速傳輸?shù)诫姌O表面。這可以通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)利用內(nèi)建電場分離、優(yōu)化材料形貌（如納米結(jié)構(gòu)）縮短傳輸距離、降低表面態(tài)密度減少復(fù)合中心等方式實現(xiàn)。5.良好的導(dǎo)電性：材料本身應(yīng)具有較好的電子導(dǎo)電性，以保證光生電子能順利傳輸?shù)诫姌O。6.合適的形貌和尺寸：納米結(jié)構(gòu)（如納米顆粒、納米線、納米管、薄膜）可以增加材料的表面積，暴露更多的活性位點，有利于光吸收和電荷收集，同時也能提高材料的穩(wěn)定性。舉例說明：例如，為提升TiO2光陽極性能，可以通過以下改性：*貴金屬沉積：在TiO2表面沉積少量Au或Pt等貴金屬納米顆粒，可以利用貴金屬的等離子體共振效應(yīng)增強可見光吸收，同時貴金屬的導(dǎo)帶電位更正，有利于提高Voc。*元素摻雜：摻雜V、Cr、Fe等金屬元素或N、S等非金屬元素到TiO2晶格中，可以改變Ti