综述：钙钛矿光伏中的多功能聚合物：在效率、稳定性和制造工艺之间架起桥梁

《Journal of Materials Chemistry A》：Multifunctional polymers in perovskite photovoltaics: bridging efficiency, stability, and manufacturing

聚合物在钙钛矿太阳能电池中发挥多效作用，包括通过分子调谐改善薄膜形成、界面工程调控电荷传输与钝化缺陷、增强机械稳定性和自愈能力。研究重点涵盖聚合物作为添加剂的结晶动力学调控、界面层材料的设计优化（如绝缘聚合物抑制离子迁移、半导体聚合物提升电荷提取效率），以及新型聚合策略（如自交联网络）对薄膜质量和器件性能的提升。同时，探讨大规印刷技术（如刀片涂布、喷墨印刷）的挑战与解决方案，为产业化奠定基础。

　　在太阳能电池技术的快速发展中，钙钛矿材料因其高吸收系数、长载流子扩散长度、高载流子迁移率以及双极性传输特性而成为第三代太阳能电池的明星材料。这些特性使得钙钛矿太阳能电池（PSCs）在效率提升方面具有显著优势，其性能已接近传统硅基太阳能电池的水平。然而，钙钛矿材料在实际应用中面临一系列挑战，如结构缺陷、离子迁移、界面重组等，这些问题限制了PSCs的稳定性和长期性能。为了解决这些挑战，科学家们开始探索使用聚合物作为多功能材料来增强PSCs的性能和稳定性。聚合物因其分子可调性、高分子链、以及与低温溶液加工工艺的兼容性，成为PSCs中各功能层的理想材料。

在PSCs的活性层中，聚合物添加剂能够调节钙钛矿相的成核和晶体生长动力学，从而调整晶粒尺寸、减少陷阱态、抑制离子迁移。这种调控不仅改善了钙钛矿薄膜的质量，还显著提高了PSCs的性能。在界面工程方面，共轭聚合物作为高效的电荷传输材料（CTMs），可以提供良好的能级对齐和增强的机械附着力。相比之下，绝缘性聚合物则能有效减少界面诱导的重组和相不稳定，从而提升器件的整体性能。此外，聚合物在柔性PSCs中的应用也尤为关键，它们不仅增强了器件的机械性能，还通过自修复机制提升了长期稳定性。

研究还表明，聚合物在PSCs中的作用不仅限于简单的添加剂，而是可以通过其分子结构设计和功能化来实现多方面的优化。例如，通过引入具有氢键和协调作用的官能团，聚合物能够形成动态的自修复网络，从而在机械损伤后恢复性能。这种自修复机制在PSCs的制造过程中具有重要的实际意义，特别是在大规模生产中，能够有效应对因机械应力引起的微裂纹问题。同时，一些聚合物如聚（乙烯基甲苯）（PVB）或聚（4-羟基苯甲酸）（4-HBA）能够通过调控晶体生长过程，形成更均匀的晶粒结构，减少晶界缺陷，从而提升器件的电荷传输效率和稳定性。

对于电荷传输层（CTLs）和界面的优化，聚合物的应用同样关键。通过在沉积前对CTLs进行预处理，例如在SnO?电荷传输层上引入聚（乙二醇）（PEG）或聚（丙烯酸）（PAA）等聚合物，可以改善电荷传输性能并减少界面缺陷。这类聚合物通常具有良好的亲水性或疏水性，能够有效抑制水分渗透，提高器件的环境稳定性。此外，某些聚合物如聚（3-羟基丙烯酸）（P3HT）和聚（2-（4-乙基苯基）-1,4-二氧杂环己烷）（PTAA）在界面处的能级对齐和电荷传输效率上表现出优异的性能，为PSCs提供了稳定的电荷提取路径。

除了界面和活性层，聚合物还在电荷传输层中展现出独特的性能。例如，某些聚合物如聚（4-羟基苯甲酸）（4-HBA）能够通过其分子结构的氢键和共轭特性，形成有效的电荷传输网络，从而提升PSCs的效率和稳定性。通过引入功能化基团，如含氟基团或磺酸基团，聚合物不仅能够增强与钙钛矿的相互作用，还能提高器件的环境稳定性，减少离子迁移和水分渗透带来的性能损失。

为了实现PSCs的大规模生产，科学家们探索了多种印刷技术，如旋涂、槽涂、喷墨打印、丝网印刷等。这些技术在提高生产效率和降低制造成本方面具有显著优势，但同时也带来了新的挑战，如薄膜均匀性、界面缺陷、热稳定性等。例如，旋涂技术虽然适用于小规模实验室制备，但在大规模生产中可能因溶剂蒸发不均匀而产生咖啡环效应，导致薄膜不均匀和性能下降。为了解决这一问题，研究者们开发了聚合物添加剂，如聚（乙二醇）（PEG）和聚（乙烯基甲基丙烯酸酯）（PMA），这些材料能够通过调节溶剂蒸发速率和改善薄膜均匀性，有效抑制咖啡环效应。

在柔性PSCs的制造中，聚合物的自修复能力和机械柔韧性成为关键优势。例如，通过引入具有三维结构和多种官能团的聚合物，如聚（3-羟基丙烯酸）（PAA）或聚（4-羟基苯甲酸）（4-HBA），可以实现薄膜的自修复功能，从而提高器件的机械稳定性和长期性能。这些聚合物通过动态氢键和共轭结构，能够在机械损伤后恢复性能，这对于柔性PSCs的商业化至关重要。

此外，聚合物在PSCs的制造过程中还扮演着模板和支架的角色。通过在钙钛矿薄膜中引入聚合物网络，可以有效控制晶粒生长，减少晶界缺陷，提高薄膜的均匀性和结晶度。这种结构调控不仅改善了电荷传输效率，还增强了器件的稳定性。例如，研究显示，通过引入聚（4-羟基苯甲酸）（4-HBA）或聚（2-（3-甲基-2-氧杂环丁烷-3-基）-1,3-二氧杂环戊烷）（PTB7），可以形成具有高结晶度和均匀形态的钙钛矿薄膜，从而提升PSCs的性能。

为了进一步提高PSCs的性能，科学家们还探索了聚合物在电荷传输层和活性层中的协同作用。例如，某些聚合物如聚（4-羟基苯甲酸）（4-HBA）或聚（乙基丙烯酸酯）（PMA）不仅能够调节钙钛矿的成核和生长过程，还能通过其官能团与钙钛矿的相互作用，形成稳定的电荷传输路径。这些聚合物在界面处的能级对齐和电荷传输效率的提升，显著增强了PSCs的整体性能。

在PSCs的商业化进程中，聚合物的使用不仅限于活性层和界面，还涉及电荷传输层的设计和优化。通过引入具有特定官能团的聚合物，如含氟基团的聚（2-（3-甲基-2-氧杂环丁烷-3-基）-1,3-二氧杂环戊烷）（PTB7）或含磺酸基团的聚（3-羟基丙烯酸）（PAA），可以有效提高电荷传输效率并减少界面重组。这些聚合物通过其独特的化学结构和物理性质，为PSCs提供了稳定、高效的电荷传输路径。

在大规模生产中，聚合物的应用还涉及印刷工艺的优化。例如，通过使用具有良好印刷性能的聚合物，如聚（乙烯基甲基丙烯酸酯）（PMMA）或聚（4-羟基苯甲酸）（4-HBA），可以实现均匀的薄膜形成和高效的电荷传输。这些聚合物不仅能够改善薄膜的均匀性，还能通过其官能团与钙钛矿的相互作用，减少界面缺陷和离子迁移，从而提升PSCs的长期稳定性。

总之，聚合物在PSCs中的应用具有广泛的可能性和重要的实际意义。通过其分子结构设计和功能化，聚合物能够有效调控钙钛矿的成核、生长和界面特性，从而提升PSCs的性能和稳定性。随着印刷技术的进步和聚合物材料的优化，PSCs有望实现从实验室研究到工业规模生产的跨越，推动太阳能技术的可持续发展。