2025年大学《能源化学》专业题库- 先进光伏材料的研究与应用

2025年大学《能源化学》专业题库——先进光伏材料的研究与应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分。请将正确选项的字母填在括号内）1.光伏效应的根本原因是（）。A.光照引起半导体内部产生自由电荷B.半导体材料的P-N结在光照下产生电动势C.半导体材料的禁带宽度随光照增强而减小D.光子能量被半导体吸收并转化为热能2.对于直接带隙半导体，其发光效率通常（）于间接带隙半导体。A.高于B.低于C.相等D.不确定3.目前实现最高单结光伏电池效率的商业化技术主要是（）。A.非晶硅薄膜电池B.多晶硅薄膜电池C.单晶硅片电池D.钙钛矿太阳能电池4.下列哪种材料属于IV-V族化合物半导体，常用于制造高效薄膜光伏电池？（）A.硅(Si)B.锗(Ge)C.黄铜矿(CdTe)D.石墨(C)5.钙钛矿太阳能电池的主要优势之一是（）。A.制备温度低，成本潜力小B.稳定性优异，适合户外长期运行C.材料本身带隙接近太阳光谱的峰值，理论效率高D.对光照和湿气不敏感6.在光伏器件中，表面钝化技术的核心目的是（）。A.增加材料的禁带宽度B.抑制表面态的产生和复合中心C.提高材料的导电性D.增强材料的光吸收能力7.染料敏化太阳能电池（DSSC）的核心组成部分不包括（）。A.染料分子B.半导体纳米多孔薄膜C.对电极D.铜铟镓硒（CIGS）薄膜8.提高光伏电池光电转换效率的主要途径之一是（）。A.增加电池厚度B.减小电池面积C.减少前表面复合D.降低材料的光吸收系数9.光伏组件中，边框的主要功能是（）。A.增强电池的光吸收B.提供电气连接和支撑保护C.隔热降温D.引入光照10.影响光伏发电系统经济性的关键因素之一是（）。A.电池的理论效率B.电池的制备工艺复杂度C.光伏组件的转换效率D.光伏组件的生产成本二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上）1.太阳光谱中，波长为550nm的光子能量约为______eV（可近似计算，h*c/λ，λ单位为m）。2.P型半导体中，主要载流子是______，N型半导体中，主要载流子是______。3.非晶硅薄膜相较于单晶硅，其主要缺点是______较低。4.钙钛矿太阳能电池中，ABX3型结构中，A位通常是______离子，B位通常是______离子。5.为了提高光伏电池的开路电压，理想材料的带隙宽度应______（填“大于”、“小于”或“等于”）1.34eV。6.光伏电池的填充因子（FF）是衡量其______和______综合性能的参数。7.染料敏化太阳能电池中，染料分子负责吸收光能并______电子给半导体。8.硅基光伏电池的钝化层通常需要具备高______和低______的特性。9.光伏产业中，PERC技术是对______技术的一种重要改进。10.光伏发电的成本构成中，除了电池成本，还包括______、______和并网成本等。三、名词解释（每题3分，共15分）1.光伏效应2.禁带宽度3.钝化4.填充因子5.叠层太阳能电池四、简答题（每题5分，共20分）1.简述硅基光伏电池（以单晶硅为例）实现光电转换的基本过程。2.与传统硅基光伏电池相比，钙钛矿太阳能电池有哪些显著的优势和挑战？3.简述表面钝化技术在提高光伏电池性能方面的重要作用。4.简述提高光伏电池光电转换效率的几种主要技术途径。五、论述题（每题10分，共20分）1.结合实例，论述光伏材料研究如何推动光伏发电成本的下降和效率的提升。2.分析钙钛矿太阳能电池目前面临的主要科学难题（如稳定性、铅毒性等），并探讨可能的解决策略或研究方向。试卷答案一、选择题1.B2.A3.C4.C5.C6.B7.D8.C9.B10.D二、填空题1.2.25（h=6.626*10^-34Js,c=3*10^8m/s,λ=550*10^-9m,1eV=1.602*10^-19J）2.空穴；电子3.光电转换效率4.阳离子；过渡金属阳离子5.大于6.电流密度；填充因子7.注入8.陷获截面；复合速率9.BCP（或钝化接触）10.器件；线缆三、名词解释1.光伏效应：指半导体材料在光照下产生电流的现象。2.禁带宽度：半导体晶体中，价带顶与导带底之间的能量禁阻区域。3.钝化：通过物理或化学方法减少半导体表面缺陷态密度，抑制表面复合的过程。4.填充因子：光伏器件的输出功率与最大可能输出功率之比，PF=Imax*Vmax/(Isc*Voc)，反映器件的电流和电压损失情况。5.叠层太阳能电池：将两种或两种以上具有不同带隙的光伏材料叠层结构设计，以利用更宽光谱范围的光能，从而提高光电转换效率的器件。四、简答题1.解析思路：描述硅PN结在光照下产生电流的过程。首先光子照射到硅片上，若光子能量大于硅的禁带宽度，则光子被吸收并在半导体内部产生电子-空穴对。产生的载流子初始处于激发态，随后会因热运动在PN结内建电场的作用下分离，电子被漂移到N区，空穴被漂移到P区，形成光生电流。若无外部电路连接，电荷会在PN结处积累，形成光生电压。2.解析思路：对比钙钛矿和硅基电池的优缺点。优势：钙钛矿材料制备温度低、成本低，材料本身带隙适宜（接近太阳光谱峰值），理论效率高，光电转换性能优异。挑战：稳定性（对光、湿气、热稳定性差）是主要瓶颈，材料中的铅元素存在毒性问题，大规模制备的均匀性和一致性控制难度较大。3.解析思路：阐述钝化层的作用。表面复合是限制光伏电池性能的重要因素，尤其是在前表面。钝化层通过提供高质量、低缺陷的表面，有效束缚或耗尽表面态，减少载流子与表面缺陷的复合，从而延长载流子在器件内的寿命，特别是前表面复合寿命，最终提高电池的开路电压和填充因子。4.解析思路：列举提高效率的途径。主要途径包括：提高光吸收能力（减薄活性层厚度、使用宽光谱吸收材料、增加透射光、利用量子效率限制等）；减少光学损失（减少反射、增加透射）；减少电学损失（钝化表面减少复合、优化掺杂浓度减少体复合、使用高迁移率材料、优化P-N结等）；设计高效器件结构（如叠层电池、多结电池）。五、论述题1.解析思路：论述材料创新如何推动成本和效率。首先，新材料（如钙钛矿）的出现及其性能提升（效率提高）是推动产业发展的核心。其次，新材料的制备工艺（如印刷、低温）的探索和优化有助于降低生产能耗和成本。材料的稳定性提升减少了器件的衰减和更换频率，降低了全生命周期的成本。材料性能的提升（效率）直接增加了单位面积发电量，降低了单位功率成本。材料科学的进步还促进了电池结构的优化（如叠层电池），进一步提升了效率和降低成本的可能性。2.解析思路：分析钙钛矿难题并提解决方案。稳定性问题：光致衰减（器件在光照下性能快速下降）、湿热稳定性差（吸水导致性能恶化甚至失效）。解决策略：钝化技术（表面钝化如ALD氧化铝，体相钝化如引入缺陷工程）；材料改性（用甲基铵等替代易分解的氢铵，或开发铅-free钙钛矿）；器件工程（优化器件结构，如引入缓冲层、背接触