2025年大学《分子科学与工程》专业题库- 分子材料与光电子技术

2025年大学《分子科学与工程》专业题库——分子材料与光电子技术考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.下列哪种分子间作用力通常在分子材料中起主要作用，并显著影响材料的聚集态结构？A.离子键B.共价键C.金属键D.范德华力与氢键2.在有机半导体中，实现电子传输的主要载流子是？A.空穴B.电子C.正离子D.负离子3.LED（发光二极管）发光的根本原理是？A.电致发光B.激光诱导发光C.化学发光D.热致发光4.太阳能电池实现光电转换的核心物理过程是？A.光的衍射B.光的干涉C.光生伏特效应D.光致电离5.下列哪种材料通常被认为是零带隙半导体？A.硅(Si)B.锗(Ge)C.量子点D.钻钛矿(Perovskite)6.制备高质量有机薄膜材料，通常需要严格控制？A.材料纯度B.沉积温度C.环境湿度D.以上都是7.光电探测器的基本工作原理是？A.将光信号转换为电信号B.将电信号转换为光信号C.光的放大D.光的调制8.能带理论中，决定半导体导电性的关键因素是？A.晶体对称性B.原子序数C.禁带宽度D.化学键类型9.柔性有机太阳能电池的主要挑战之一是？A.材料成本过高B.电池稳定性差C.光电转换效率低D.制备工艺复杂10.下列哪种技术常用于表征薄膜材料的厚度和表面形貌？A.X射线衍射(XRD)B.扫描电子显微镜(SEM)C.傅里叶变换红外光谱(FTIR)D.拉曼光谱(Raman)二、填空题（每空1分，共15分）1.有机半导体的π-共轭结构对其__________和__________有重要影响。2.LED的光效通常用__________来衡量，单位是__________。3.太阳能电池的光电转换效率主要由__________效率、__________效率和__________效率决定。4.氢键是一种较强的分子间作用力，其存在通常使材料的__________升高，__________降低。5.半导体材料中，价带顶和导带底的能量差被称为__________。6.制备均匀、致密的功能薄膜是保证光电器件性能的关键，常用的沉积技术包括__________、__________和旋涂等。7.光电探测器的响应速度通常用__________来描述，反映其对快速变化光信号的跟随能力。三、简答题（每题5分，共20分）1.简述分子内氢键对有机半导体薄膜结晶行为的影响。2.比较有机半导体和无机半导体在载流子迁移率方面的主要差异及其原因。3.简述太阳能电池中PN结的形成原理及其在光电转换中的作用。4.简述薄膜制备过程中，衬底温度对有机薄膜成膜质量可能产生的影响。四、计算题（每题10分，共20分）1.某有机太阳能电池器件结构为ITO/PTB7-Th:PC71BM/C60/Al。已知该器件在太阳光（AM1.5G，100mW/cm²）照射下，开路电压Voc=0.8V，短路电流密度Jsc=15mA/cm²，填充因子FF=0.7。请计算该器件的理论最高能量转换效率。2.假设一种直接带隙半导体材料的禁带宽度为Eg=1.1eV。计算该材料能够吸收的、波长为500nm的光子的能量是多少？并判断该材料是否适合用于可见光发光器件（通常认为需要吸收波长小于半导体禁带宽度对应波长的光才能有效发光）。五、论述题（每题15分，共30分）1.论述提高有机发光二极管（OLED）器件效率和稳定性的主要途径及其内在联系。2.结合你所学知识，论述钙钛矿太阳能电池相比传统硅基太阳能电池的主要优势、面临的关键挑战以及未来的发展方向。---试卷答案一、选择题1.D2.A3.A4.C5.C6.D7.A8.C9.B10.B二、填空题1.电化学性质；光学性质2.外量子效率；流明/瓦特(lm/W)或lm/W3.受光；载流子分离；载流子收集4.熔点；沸点5.禁带宽度6.溅射；蒸发7.响应时间三、简答题1.解析思路：分析分子内氢键对分子堆积规整性的影响。氢键可以增加分子间作用力，促使分子排列更有序，有利于形成晶体；同时，氢键的方向性也会影响分子的堆积取向，进而影响结晶度和薄膜的微观形貌。2.解析思路：对比有机和无机半导体的成键和电子结构。有机半导体主要通过π电子离域形成能带，但π键较弱，分子间作用力也较弱，导致载流子散射机制多（如范德华力、空间位阻），迁移率通常较低。无机半导体具有强共价键形成的连续能带，缺陷少，散射机制相对简单，载流子迁移率通常较高。3.解析思路：阐述PN结形成的物理过程：通过掺杂在半导体两端形成P型和N型区域，导致界面处费米能级相等，形成内建电场。内建电场将使多数载流子（N区的电子和P区的空穴）移向本征区，留下相反类型的离子，形成耗尽层。光照下，产生电子-空穴对，内建电场和外部电场共同作用，使电子和空穴分离并分别向电极移动，形成光电流。4.解析思路：分析温度对有机分子运动和形核、生长过程的影响。提高温度可以增加分子动能，促进分子扩散和迁移，有助于形成均匀、致密的薄膜。但过高温度可能导致分子过度运动，破坏有序结构，甚至引起材料分解或升华，从而降低成膜质量。四、计算题1.解析思路：运用能量转换效率的基本公式。最高能量转换效率（η_max）理论上等于理想情况下（FF=1）的最大能量转换效率，即η_max=(Jsc*Voc)/(q*E_sun)，其中q是元电荷（1.6x10⁻¹⁹C），E_sun是太阳光子总能量（对于标准太阳光谱AM1.5G，约为20000kJ/mol或1.34kW/m²）。但题目已给出FF，可直接用η=(Jsc*Voc*FF)/q。注意单位统一，电流密度用A/m²，电压用V，q用C，最终效率单位为百分比。计算过程：η=(15x10⁻³A/m²*0.8V*0.7)/(1.6x10⁻¹⁹C)=(8.4x10⁻³W/m²)/(1.6x10⁻¹⁹C)=5.25x10¹⁶W/C/m²=5.25x10¹⁶J/(s·C·m²)=5.25x10¹⁶A/V·m=5.25x10¹⁶%。显然单位错误，应直接用给出的数值计算百分比：η=(15mA/cm²*0.8V*0.7)/1=(10.8*10⁻³A/m²*0.8V*0.7)/1=0.06048A/V*m²=6.048%。换算成百分比，结果为6.05%。2.解析思路：运用光子能量与波长的关系公式E=hc/λ。其中h是普朗克常数（6.626x10⁻³⁴J·s），c是光速（2.998x10⁸m/s），λ是波长（500nm=500x10⁻⁹m）。计算过程：E=(6.626x10⁻³⁴J·s*2.998x10⁸m/s)/(500x10⁻⁹m)=(1.986x10⁻²⁵J·m)/(500x10⁻⁹m)=3.972x10⁻²⁰J。将焦耳转换为电子伏特（1eV=1.602x10⁻¹⁹J）：E=(3.972x10⁻²⁰J)/(1.602x10⁻¹⁹J/eV)=2.48eV。判断：该材料禁带宽度为1.1eV，吸收的光子能量为2.48eV，大于禁带宽度。因此，该材料不能吸收可见光（波长小于约1.1eV/(6.626x10⁻³⁴J·s*2.998x10⁸m/s)≈1097nm的光），无法有效用于可见光发光器件。或者，因为吸收波长（~492nm，属于蓝绿光）短于材料带隙对应的波长（~1097nm），所以无法直接发出可见光。五、论述题1.解析思路：分别论述效率和稳定性提升的途径，并阐述其内在联系。提高效率：①提高光吸收系数，拓宽光谱响应范围；②增加激子解离效率，减少非辐射复合；③优化电荷传输，降低传输电阻；④提高填充因子，减少串联电阻和并联电阻损失；⑤增加出射量子效率，优化器件结构（如增透膜）。提高稳定性：①提高材料化学稳定性，抵抗氧化、水解；②提高器件物理稳定性，抵抗湿热、光照、弯折（柔性）；③优化能级匹配，减少界面缺陷和电荷陷阱；④采用稳定的封装技术，隔绝不良环境。内在联系：例如，改善能级匹配和界面质量既能提高电荷分离效率（提升效率）也能减少电荷陷阱（提升稳定性）；优化电荷传输通道，既降低传输电阻（提升效率）也可能减少界面处的复合中心和缺陷（提升稳定性）；选择化学稳定性好的材料是提升稳定性的基础，也可能间接影响器件的长期效率表现。2.解析思路：分别阐述钙钛矿电池的优势、挑战和发展方向。优势：①转换效率高，实验室效率已达23%以上，超过硅基电池；②光吸收系数强，材料本身带隙适宜吸收太阳光；③可溶液加工，制备成本低，易于实现大面积、柔性、可印刷器件；④材料可调性强，可通过改变组成调控带隙、光学、电学性质，易于器件集成和性能优化。挑战：①化学稳定性差，对水、氧、热敏感，长期工作可靠性需提高