Efficient Lead Sulfide Quantum Dot Solar Cells with Triplet Ligands = 삼중항 리간드를 이용한 고효율 양자점 태양전지 개발에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

양자점은 전기적, 광학적 성질을 조절이 용이하여 흡수한 빛 에너지를 전하, 여기자, 화학물질 등과 같은 다양한 형태의 에너지로 바꾸는 것이 용이한 물질이다. 따라서 같은 양자점으로도 태양전지, 디스플레이, 바이오 센서, 광촉매 등 많은 광전자기기로의 활용이 가능하다. 그 중에서도 양자점은 전자와 정공의 이동으로 에너지가 전달되는 대다수의 벌크 반도체 물질과는 달리, 전하 운반자 없이 다중 여기자 생성, 상향/하향 변환, 포스터 에너지 전달, 덱스터 에너지 전달 등 여기자 형태의 에너지 전달이 효과적으로 발현된다.
특히, 삼중항 에너지 전달 (TET) 단일항 여기자에 비해 느린 이동속도, 긴 여기자 수명, 단일항-삼중항 계간전이가 금지되어 있어 물질 내부에서 여기자의 이동이 어렵다. 그러나 양자점은 특수한 설계가 없이 양자 제한 효과로 인해 단일항과 삼중항의 스핀 양자 수가 혼합되어 그 에너지 차이가 매우 작아 (1- 10 meV) 비교적 에너지 손실 없이 TET가 가능하다. 실제로 많은 연구팀에서 양자점이 삼중항 주개이자 받개 물질로 작용가능함을 실험적으로 증명했으며, 사이즈 조절, 리간드 친화도, 양자점과 리간드 에너진 준위 조절 등을 통해 TET 효율을 높이기 위한 후속연구들이 활발히 진행되고 있다. 그러나 현재까지 대부분의 양자점을 활용한 TET 연구는 용액상태에서 진행되었고, 실제로 TET를 광전자기기에 활용한 연구가 미미한 상태다.
PbS 양자점은 높은 유전율, 큰 보어 반지름, 낮은 여기자 결합 에너지를 가지고 있어 광활성층으로 사용했을 때 현재 13%가 넘는 효율을 보이며 태양전지 분야에서 많이 연구되고 활용되는 물질이다. 또한 TET 현상에서도 PbS 양자점이 직접 삼중항 여기자를 생성하는 주개이자 받개로 가능한 물질이라는 점, 고체 상태에서 삼중항 여기자를 전하로 분리시켜 광전류로 전환이 가능하다는 것을 실험적으로 밝혀졌다.
따라서 현재 개발된 PbS 양자점 태양전지에 TET를 접목한다면 전환된 광량을 통해 더 높은 광전환 효율을 기대할 수 있었다. 효과적인 TET을 일으키기 위해 문헌을 통해 삼중항 유기물로 사용할만한 물질군을 조사했고, 가장 적합한 물질로 9-anthracene carboxylic acid, ACA를 선정했다.
ACA를 도입했을 때 예상되는 효과는 두가지이다. 첫째, ACA의 카르복실레이트는 ZnO의 산화물 공핍을 부동태화하여 ZnO 결정성을 향상시킬 수 있다. 둘째, ACA에서 PbS 양자점 층으로 전달된 삼중항 여기자로 인해 광전류가 증가할 수 있다. 기대효과를 극대화하기 위해서 기존 삼중항 유기물질을 양자점에 붙이거나 섞어서 진행하는 방식이 아닌 ACA를 ZnO 층에 섞어서 ACA와 PbS 양자점의 이중층을 형태로 ACA 양을 조절해서 (1~10 wt%) 태양전지를 제작했다. 해당 효과를 확인하기 위해 PL. SCLC, XPS, CV, EIS, J-V characteristics 등 다양한 광학적, 전기적 분석을 진행했다. 그 결과, 5 wt% ACA를 넣은 소자에서 기존 소자 대비 (11.18%) 높은 효율(11.97%)을 보였다. 이는 TET 및 결함 패시베이션의 이중 효과로 인해 개선된 단락 전류 (29.90 mA/cm2) 및 개방 전압 (0.61 V)의 결과이다. 이 연구가 태양광 분야에서 TET 응용의 새로운 전략을 제공하기를 기대하는 바이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Triplet exciton has attracted attention for its utility in optoelectronics due to its long exciton lifetime and diffusion length, but triplet energy transfer(TET) in organic systems has been limited due to the properties of spin-forbidden triplet excitons. Recently, many research groups have demonstrated that quantum dots are promising mediators that transmit and receive triplet excitons in solution systems because of their ill-defined quantum number. However, there are insufficient studies to elucidate the TET effect in optoelectronic devices experimentally. Therefore, I demonstrate the successful incorporation of an acene-based triplet donor material, 9-anthracene carboxylic acid (ACA), into photovoltaic devices. ACA not only passivates oxygen defect sites but also harvests triplet excitons. In bilayer structure with PbS QDs, the triplet excitons successfully transfer to PbS QD solids, increasing the photocurrent. The PbS QD solar cells with ACA showed the highest efficiency (11.97 %) with the enhancement of JSC (29.9 mA/cm2) and VOC (0.61 V) than that of the pristine device. Consequently, I believe our results will provide a simple approach to realize both improved passivations of ZnO and TET application strategy for efficient PbS QD solar cells in the future.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• Abstract∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙iv
• Table of Contents∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙v
• List of Tables and Figures∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙vi
• I. Introduction
• 1.1 Overview of Triplet Energy transfer in quantum dots system and its photovoltaic application∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1
• 1.2 References∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙3
• II. Efficient Lead Sulfide Quantum Dot Solar Cells with Triplet Ligands
• 2.1 Introduction∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5
• 2.2 Experimental∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙7
• 2.3 Result and Discussion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙12
• 2.4 Conclusion∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙16
• 2.5 References∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙17
• 2.6 Schemes and Figures∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙22
• III. Summary in Korean∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙30
• IV. Acknowledgement∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙32
• V. Curriculum Vitae∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙35