2025年大學(xué)《能源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——光伏電池的化學(xué)材料研究進(jìn)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)的字母填在題干后的括號(hào)內(nèi)）1.光伏效應(yīng)的根本原因是半導(dǎo)體材料具有（）。A.飽和電壓B.能帶結(jié)構(gòu)C.熱電動(dòng)勢(shì)D.光電效應(yīng)2.以下哪種材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體？（）A.硅(Si)B.鍺(Ge)C.黃銅礦鈣鈦礦(ABX?)D.碲化鎘(CdTe)3.提高非晶硅太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓的主要途徑是（）。A.增加光吸收系數(shù)B.減少缺陷密度C.提高載流子遷移率D.增大電池厚度4.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，鉛（Pb）元素存在的最主要問(wèn)題是（）。A.帶隙過(guò)大B.穩(wěn)定性差C.太陽(yáng)能利用率低D.制備成本過(guò)高5.染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）的核心功能是（）。A.將光能直接轉(zhuǎn)換為電能B.利用染料分子進(jìn)行電荷產(chǎn)生C.通過(guò)量子點(diǎn)放大光吸收D.實(shí)現(xiàn)多晶硅的薄膜化6.在太陽(yáng)能電池材料研究中，"缺陷工程"的主要目的是（）。A.完全消除材料中的所有缺陷B.通過(guò)控制缺陷類型和濃度來(lái)優(yōu)化材料性能C.增加材料的載流子復(fù)合速率D.降低材料的制備溫度7.以下哪種技術(shù)不屬于薄膜太陽(yáng)能電池的制備方法？（）A.溶劑蒸發(fā)法B.光刻技術(shù)C.等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）D.真空蒸鍍8.有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.長(zhǎng)期穩(wěn)定性好B.原材料來(lái)源豐富且成本低廉C.可實(shí)現(xiàn)柔性器件D.光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過(guò)15%9.能提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓（Voc）的化學(xué)處理方法是（）。A.使用更長(zhǎng)的有機(jī)陽(yáng)離子B.引入缺陷以增加載流子復(fù)合C.降低鈣鈦礦晶粒尺寸D.在鈣鈦礦表面涂覆絕緣層10.從能源化學(xué)的角度看，評(píng)價(jià)光伏電池材料時(shí)，以下哪個(gè)因素通常不被優(yōu)先考慮？（）A.光電轉(zhuǎn)換效率B.材料的環(huán)境友好性和可持續(xù)性C.材料的理論最高效率（Shockley-Queisser極限）D.材料的制備復(fù)雜度和成本二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.光伏電池將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的核心物理過(guò)程包括光的吸收、載流子的產(chǎn)生、載流子的__________以及載流子的分離與收集。2.硅基太陽(yáng)能電池中，P型摻雜通常使用__________元素，N型摻雜通常使用__________元素。3.鈣鈦礦材料的化學(xué)通式一般表示為_(kāi)_________，其中X通常為鹵素離子（如Cl?,Br?,I?）。4.為了提高染料敏化太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性，常需要對(duì)__________進(jìn)行表面處理以鈍化缺陷。5.與晶體硅相比，非晶硅的主要缺點(diǎn)是__________較差，導(dǎo)致長(zhǎng)期運(yùn)行效率衰減。6.有機(jī)光伏器件中，給體材料通常負(fù)責(zé)__________，受體材料則有助于形成激子并促進(jìn)電荷分離。7.通過(guò)__________技術(shù)可以在玻璃基板上制備出超?。◣准{米到幾十納米）的半導(dǎo)體薄膜，是制備薄膜太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵。8.在光伏材料研究中，__________是指材料能夠吸收的光譜范圍，通常與材料的帶隙寬度相關(guān)。9.鈍化劑（PassivatingAgent）在鈣鈦礦電池中的作用主要是降低__________，從而提高器件的穩(wěn)定性和開(kāi)路電壓。10.溶劑法制備有機(jī)或鈣鈦礦薄膜時(shí)，需要考慮溶劑的__________、__________和揮發(fā)速率，這些因素會(huì)影響薄膜的形貌和性能。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分）1.簡(jiǎn)述提高光伏電池短路電流密度（Jsc）的主要化學(xué)途徑。2.簡(jiǎn)述量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池相較于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池可能具有的優(yōu)勢(shì)。3.簡(jiǎn)述界面工程在改善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能方面扮演的角色。四、論述題（每題10分，共20分）1.論述鈣鈦礦太陽(yáng)能電池目前面臨的主要挑戰(zhàn)，并就其中一至兩個(gè)挑戰(zhàn)提出可能的化學(xué)解決方案。2.論述發(fā)展綠色化學(xué)方法在光伏電池材料制備中的重要性，并舉例說(shuō)明。五、計(jì)算題（共15分）假設(shè)有一種新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其光學(xué)帶隙為1.1eV，根據(jù)Shockley-Queisser極限理論，在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光照射下（AM1.5G，太陽(yáng)光譜峰值功率密度為1000W/m2），該電池理論上的最高能量轉(zhuǎn)換效率是多少？請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明計(jì)算中隱含的假設(shè)條件。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.B6.B7.B8.B9.A10.C二、填空題1.分離與收集2.磷(P)，硼(B)3.ABX?4.染料敏化劑/半導(dǎo)體電極5.長(zhǎng)期穩(wěn)定性/開(kāi)路電壓衰減6.電荷產(chǎn)生/激子形成7.溶劑蒸發(fā)/物理氣相沉積(PVD)/蒸鍍8.光吸收范圍9.載流子復(fù)合速率10.溶解性，極性三、簡(jiǎn)答題1.提高光伏電池短路電流密度（Jsc）的主要化學(xué)途徑包括：*提高材料的光吸收系數(shù)：通過(guò)引入缺陷（如本征缺陷或摻雜）、使用窄帶隙材料、構(gòu)建多結(jié)結(jié)構(gòu)或利用量子效應(yīng)等化學(xué)手段，使材料能夠吸收更寬光譜范圍的光，增加光生載流子數(shù)量。*增加有效光照面積：通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如使用透鏡、增透膜）和材料制備工藝（如制備大面積均勻薄膜、減少遮光邊緣），確保更多光子能夠照射到活性層并產(chǎn)生電流。*減少表面復(fù)合損失：通過(guò)表面鈍化技術(shù)，化學(xué)修飾半導(dǎo)體表面，降低表面態(tài)密度和表面缺陷，從而減少光生載流子在表面的復(fù)合，增加能夠到達(dá)電極的載流子數(shù)量。2.量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池相較于傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池可能具有的優(yōu)勢(shì)：*超高光吸收系數(shù)：量子尺寸效應(yīng)使得量子點(diǎn)對(duì)光的吸收能力遠(yuǎn)超塊體材料，尤其在高能量區(qū)域，有利于吸收太陽(yáng)光譜中高能量的光子。*可調(diào)諧的帶隙：通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸，可以精確調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)，從而匹配不同太陽(yáng)光譜區(qū)域或適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。*多重態(tài)效應(yīng)（可能）：某些量子點(diǎn)材料（如CdSe）存在多重能級(jí)，可能有助于提高載流子收集效率或拓寬光譜響應(yīng)。*柔性可加工性：部分量子點(diǎn)材料（如膠體量子點(diǎn)）易于在溶液中合成，可采用溶液法（如噴墨打印、旋涂）制備，有望實(shí)現(xiàn)柔性、輕質(zhì)化的太陽(yáng)能器件。3.界面工程在改善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能方面扮演的角色：*降低界面態(tài)密度：通過(guò)表面鈍化劑（如有機(jī)分子、無(wú)機(jī)鹽）處理鈣鈦礦層表面，可以中和表面缺陷態(tài)，減少界面態(tài)密度，從而降低載流子的非輻射復(fù)合速率。*促進(jìn)電荷傳輸：通過(guò)修飾鈣鈦礦/電子傳輸層（ETL）或鈣鈦礦/空穴傳輸層（HTL）的界面，可以優(yōu)化界面能級(jí)結(jié)構(gòu)，形成平緩的能級(jí)勢(shì)壘，促進(jìn)電子或空穴從鈣鈦礦層有效傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的傳輸層，降低傳輸電阻。*提高器件穩(wěn)定性：在鈣鈦礦表面形成穩(wěn)定的鈍化層，可以阻止水汽、氧氣等雜質(zhì)入侵，抑制鈣鈦礦的化學(xué)降解和相變，從而顯著提高器件的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性。*調(diào)控界面復(fù)合動(dòng)力學(xué)：通過(guò)界面修飾改變界面處的復(fù)合速率，可以優(yōu)化開(kāi)路電壓和填充因子。四、論述題1.鈣鈦礦太陽(yáng)能電池目前面臨的主要挑戰(zhàn)及化學(xué)解決方案：*穩(wěn)定性差：鈣鈦礦材料在光照、濕氣、熱等條件下易發(fā)生降解和相變。*化學(xué)解決方案：開(kāi)發(fā)穩(wěn)定性更高的鈣鈦礦化學(xué)組成（如用甲脒替代甲基銨，用氟代鹵素），進(jìn)行表面化學(xué)鈍化（如使用有機(jī)分子、無(wú)機(jī)納米顆粒、聚合物進(jìn)行包覆），構(gòu)建穩(wěn)定的器件結(jié)構(gòu)（如封裝技術(shù)），或引入缺陷工程來(lái)鈍化有害缺陷。*鉛毒性問(wèn)題：傳統(tǒng)鈣鈦礦含鉛（Pb），存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。*化學(xué)解決方案：開(kāi)發(fā)無(wú)鉛或低鉛鈣鈦礦材料體系，如錫（Sn）基鈣鈦礦、銦（In）基鈣鈦礦、GeSn基鈣鈦礦或完全不含金屬的有機(jī)鈣鈦礦等。這些替代材料的開(kāi)發(fā)需要克服光電性能、穩(wěn)定性等方面的挑戰(zhàn)。*效率衰減：器件效率在長(zhǎng)期工作后可能下降。*化學(xué)解決方案：優(yōu)化材料純度，減少有害缺陷；改善界面工程以減少界面復(fù)合；精確控制薄膜生長(zhǎng)過(guò)程以獲得高質(zhì)量、均勻的鈣鈦礦薄膜；開(kāi)發(fā)有效的鈍化策略以抑制老化過(guò)程。2.發(fā)展綠色化學(xué)方法在光伏電池材料制備中的重要性及實(shí)例：*重要性：光伏產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要途徑，其自身發(fā)展也應(yīng)遵循可持續(xù)和環(huán)保的原則。傳統(tǒng)光伏材料（如多晶硅的制備、CdTe、CIGS的合成）可能涉及高能耗、有毒試劑或稀有資源。發(fā)展綠色化學(xué)方法對(duì)于降低環(huán)境影響、保障資源供應(yīng)、提高產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性至關(guān)重要。這包括使用環(huán)境友好的溶劑、低毒或無(wú)毒前驅(qū)體、開(kāi)發(fā)低能耗合成路線、提高原子經(jīng)濟(jì)性、減少?gòu)U棄物產(chǎn)生等。*實(shí)例：*溶液法制備鈣鈦礦：利用旋涂、噴涂、墨水jet打印等溶液法工藝制備鈣鈦礦薄膜，通常使用較低沸點(diǎn)、毒性較小的有機(jī)溶劑（如DMF、DMSO、乙醇）替代高毒性的DMF，并優(yōu)化前驅(qū)體溶液配方和退火工藝，可以顯著降低制備過(guò)程中的能耗和溶劑排放。*水相合成量子點(diǎn)：采用水相化學(xué)方法合成膠體量子點(diǎn)（如CdSe、CdTe），使用水作為溶劑，避免了傳統(tǒng)有機(jī)合成中有機(jī)溶劑的使用和回收問(wèn)題，減少了環(huán)境污染。*無(wú)機(jī)鈣鈦礦的固相合成：研究通過(guò)高溫固相反應(yīng)直接合成無(wú)機(jī)鈣鈦礦（如ABX?型），可能簡(jiǎn)化工藝，減少有機(jī)組分的引入，但需克服結(jié)晶質(zhì)量和均勻性的挑戰(zhàn)。*生物質(zhì)衍生前驅(qū)體：探索利用生物質(zhì)資源合成的可再生前驅(qū)體來(lái)制備光伏材料，如用木質(zhì)素衍生物制備有機(jī)光伏材料或金屬有機(jī)框架（MOFs），有助于實(shí)現(xiàn)材料的可持續(xù)來(lái)源。五、計(jì)算題理論最高能量轉(zhuǎn)換效率計(jì)算：根據(jù)Shockley-Queisser極限理論，對(duì)于理想單結(jié)太陽(yáng)能電池，在標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜（AM1.5G）和給定材料帶隙（Eg）下，其最大可能能量轉(zhuǎn)換效率η_max可以表示為：η_max=η?*[1-exp(-α?*L/(2*hν?))*(1-T<0xE2><0x82><0x99>)/(1-T<0xE2><0x82><0x99>*exp(hν?/kT<0xE1><0xB5><0xA0>))]其中：*η?=(Eg/hν?)-(kT<0xE1><0xB5><0xA0>/hν?)*ln(10)*α?=(4hc/(λ?^2)*Eg^2)*(1/η?)*hν?=1.24V(對(duì)應(yīng)AM1.5G光譜在太陽(yáng)光譜峰值波長(zhǎng)約500nm處的光子能量)*kT<0xE1><0xB5><0xA0>≈0.026eV(室溫，300K)*T<0xE2><0x82><0x99>=0.72(理想填充因子)*L=1.347*10^-7m(硅的理論光學(xué)厚度，作為參考，實(shí)際計(jì)算中通常用α?*L代替)*Eg=1.1eV(給定鈣鈦礦電池的光學(xué)帶隙)*c=3*10^8m/s(光速)計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化（使用近似公式或查表值）：η_max≈η?*[1-exp(-α?*L/(2*hν?))]其中η?≈0.33*(Eg/1.24V)-0.026/1.24當(dāng)Eg=1.1eV時(shí)，η?≈0.33*(1.1/1.24)-0.026/1.24≈0.295-0.021≈0.274假設(shè)α?*L/(2*hν?)≈0.5(這是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值或基于參考數(shù)據(jù)的近似，實(shí)際計(jì)算需要精確的α?和L值)則exp(-α?*L/(2*hν?))≈exp(-0.5)≈0.607η_max≈0.274*(1-0.6