调控共轭分子内建电场（IEF）的强度已被证明是一种有效的提高电荷传输性能的方法。然而，目前对IEF的空间方向调控仍不够明确。这种方向的调节对电荷传输路径有重要影响，直接关系到共轭分子在光伏材料或其他电子器件中的性能表现。因此，如何实现对IEF方向的精确控制，成为当前研究中亟需解决的关键问题。针对这一问题，兰州大学曹靖教授课题组通过酞菁外围取代基团的化学调节，成功调控了共轭分子内建电场（IEF）的空间方向，解决了IEF方向调控不明确的问题。课题组发展了一种优化共轭分子IEF矢量的新方法，显著增强了共轭分子的空穴传输能力。该工作为设计高效、稳定的基于共轭分子的空穴传输材料提供了新的方法，为设计基于共轭分子的空穴传输材料以制备高效且稳定的光伏器件提供了一种新策略。

近日，兰州大学曹靖课题组在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表了题为“Direction Modulation of Intramolecular Electric Field Boosts Hole Transport in Phthalocyanines for Perovskite Solar Cells”的研究论文（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 10.1002/anie.202414249）。曹靖课题组在研究中发展了侧链调控酞菁分子内建电场方向和强度的策略，建立了快速评估分子侧链空间摆动影响分子内建电场和空穴传输性能的模型。这项工作通过优化共轭分子的内建电场方向和强度，为设计基于共轭分子的空穴传输材料以制备高效且稳定的光伏器件提供了一种新的策略。兰州大学肖国斌、穆希皎和锁真阳为论文共同第一作者，化学化工学院教授曹靖为文章通讯作者。

首先，作者将甲基修饰在酞菁外围的烷氧基侧链上，以此调控酞菁分子的内建电场和电荷传输性能。Pc3表现出明显的各向异性和八极矩的球谐形式，表明其具有良好取向的分子内建电场，有助于提升分子的电荷传输性能。上述结果也表明通过调控酞菁外围取代基的空间排列和方向性，可以优化分子内建电场，从而增强电荷传输性能。

通过使用Kolmogorov-Arnold representation (KAR) 和最小二乘算法分析侧链的空间摆动，建立了一个模型。该模型能够快速评估由空间摆动引起的IEF以及空穴传输性能，并且该经验公式预测的空穴离域指数（HDI）与DFT计算得出的值吻合较好。随着侧链内建电场的取向与酞菁π环的空间方向越来越一致，空穴传输性能得到提升。

实验结果表明经过侧链调控，Pc3的分子内建电场最强，分别是Pc1和Pc2的1.6倍和1.9倍。

Fly-TOF结果表明，Pc3分子具有最高的空穴迁移率，结果与HDI预测的趋势一致。同时，Pc3表现出较高的导电性和低的电荷传输电阻，涂覆在钙钛矿薄膜上的Pc3薄膜也展现出了最高的表面电流。

基于Pc3制备的小面积电池（0.1 cm²）效率达到了23.4%，模组器件（12.55 cm²）达到了20.3%的效率。此外，基于酞菁制备的器件也表现出了优异的运行稳定性。

综上，曹靖课题组发展了一种分子内建电场方向调节策略，以制备具有优异空穴迁移率和导电性的酞菁基空穴传输材料，为设计基于共轭分子的空穴传输材料以制备高效且稳定的光伏器件提供了一种新的策略。