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調控共軛分子內建電場（IEF）的強度已被證明是一種有效的提高電荷傳輸性能的方法。然而，目前對IEF的空間方向調控仍不夠明確。這種方向的調節對電荷傳輸路徑有重要影響，直接關系到共軛分子在光伏材料或其他電子器件中的性能表現。因此，如何實現對IEF方向的精確控制，成為當前研究中亟需解決的關鍵問題。針對這一問題，蘭州大學曹靖教授課題組通過酞菁外圍取代基團的化學調節，成功調控了共軛分子內建電場（IEF）的空間方向，解決了IEF方向調控不明確的問題。課題組發展了一種優化共軛分子IEF矢量的新方法，顯著增強了共軛分子的空穴傳輸能力。該工作為設計高效、穩定的基于共軛分子的空穴傳輸材料提供了新的方法，為設計基于共軛分子的空穴傳輸材料以制備高效且穩定的光伏器件提供了一種新策略。

近日，蘭州大學曹靖課題組在《Angew. Chem. Int. Ed.》發表了題為“Direction Modulation of Intramolecular Electric Field Boosts Hole Transport in Phthalocyanines for Perovskite Solar Cells”的研究論文（Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 10.1002/anie.202414249）。曹靖課題組在研究中發展了側鏈調控酞菁分子內建電場方向和強度的策略，建立了快速評估分子側鏈空間擺動影響分子內建電場和空穴傳輸性能的模型。這項工作通過優化共軛分子的內建電場方向和強度，為設計基于共軛分子的空穴傳輸材料以制備高效且穩定的光伏器件提供了一種新的策略。蘭州大學肖國斌、穆希皎和鎖真陽為論文共同第一作者，化學化工學院教授曹靖為文章通訊作者。

首先，作者將甲基修飾在酞菁外圍的烷氧基側鏈上，以此調控酞菁分子的內建電場和電荷傳輸性能。Pc3表現出明顯的各向異性和八極矩的球諧形式，表明其具有良好取向的分子內建電場，有助于提升分子的電荷傳輸性能。上述結果也表明通過調控酞菁外圍取代基的空間排列和方向性，可以優化分子內建電場，從而增強電荷傳輸性能。

通過使用Kolmogorov-Arnold representation (KAR) 和最小二乘算法分析側鏈的空間擺動，建立了一個模型。該模型能夠快速評估由空間擺動引起的IEF以及空穴傳輸性能，并且該經驗公式預測的空穴離域指數（HDI）與DFT計算得出的值吻合較好。隨著側鏈內建電場的取向與酞菁π環的空間方向越來越一致，空穴傳輸性能得到提升。

實驗結果表明經過側鏈調控，Pc3的分子內建電場最強，分別是Pc1和Pc2的1.6倍和1.9倍。

Fly-TOF結果表明，Pc3分子具有最高的空穴遷移率，結果與HDI預測的趨勢一致。同時，Pc3表現出較高的導電性和低的電荷傳輸電阻，涂覆在鈣鈦礦薄膜上的Pc3薄膜也展現出了最高的表面電流。

基于Pc3制備的小面積電池（0.1 cm²）效率達到了23.4%，模組器件（12.55 cm²）達到了20.3%的效率。此外，基于酞菁制備的器件也表現出了優異的運行穩定性。

綜上，曹靖課題組發展了一種分子內建電場方向調節策略，以制備具有優異空穴遷移率和導電性的酞菁基空穴傳輸材料，為設計基于共軛分子的空穴傳輸材料以制備高效且穩定的光伏器件提供了一種新的策略。