In QDs, three-dimensional quantum confinement of excitons leads to their size-dependent electronic and optical properties which deviate significantly from those of bulk materials. The unique optical properties, including a tunable emission from UV to IR, make QDs attractive in various optoelectronic applications. How-ever, further improvements in device performance are required to make them more advanced. The well-known factor that presently limits the performance of QD thin film devices is mid-band-gap states, also known as trap states. This trap states have detrimental effect on optical properties and device performance by providing alter-native pathways for exciton quenching and carrier recombination. As a solution to this problem, chemical modi-fication of QDs has been commonly used to passivate trap states, enhance the optical properties of QDs and promote QD-based device performance.
In this thesis, I intend to discover an efficient approach to mitigate the trap states by applying a pas-sivation agent which is able to occupy the defect sites and accelerate the charge transport through the QD as-semblies in thin films without diminishing the packing density of the films.
First, I assume that surface dangling bonds are acting as a major source of trap states. To mitigate the effect of dangling bonds, the QD surface modification is used through the control of solution pH via mutual effect of strong acids resulting in surface ligand exchange and elimination of dangling bonds simultaneously. The investigations were performed on InP QDs resulting in improved photoluminescence quantum yield and good colloidal stability in polar solvents without long organic ligand passivation on the surface.
The next part of my work is based on the QD surface passivation by reduced graphene oxide (rGO) nanosheets (NSs) acting as surface defect passivation agents via strong interaction of polar oxygen functional groups on rGO matrix (carbonyl, hydroxyl, or epoxy groups) with the cationic defect sites on QDs. Additionally, the highly conductive rGO NSs are reported to accelerate the photogenerated charge carrier transport in QD films. For this part of research, I have focused on lead sulfide (PbS) QDs which have great potential in applica-tion of optoelectronic devices such as photovoltaics, light emitting diodes, photodetectors, etc. A facile method to prepare the nanocomposite structure of rGO NSs and PbS QD hybrids via one-pot solution synthesis is demonstrated resulting in the preserved optical properties and improved exciton lifetime characteristics. The extended exciton lifetime data indicate directly the improved surface passivation.
PbS QDs are known to be treated with halogen atom passivation to achieve more perfect passivation by having access to the most hidden defects on the surface. This process is performed after QD synthesis in solution state, and resulting QDs are used in fabrication of thin films with exchanging the insulating long alkyl-chain lig-ands with small organic molecules. Through my work, I introduce a thin shell layer of cadmium sulfide (CdS) grown on the halogen passivated PbS-Cl core to advance the passivation of surface defect states. Further, the thermal treatment of Type-I core/thin-shell QD films is resulted to formation of PbS-Cl optically active core which is encapsulated in the protecting matrix of CdS acting as a physical barrier between core and external environment and improving the chemical stability of PbS-Cl QDs. The core/thin-shell architecture is also demon-strated for rGO/PbS-Cl nanocomposite hybrid structures.
In the last part of my work, I demonstrate the prepared core and core/thin-shell QDs with and without chemical grafting on rGO NSs into the depleted heterojunction solar cell structure to explore the influence of surface passivation on device performance. The application of core/thin-shell structured QD-based cells show increased values of open circuit voltage $(V_{oc})$, however compromises in short circuit current $(J_{sc})$ values due to the higher energy barrier of CdS-shell. The bilayer structure of photovoltaic cell is reported involving the similar thicknesses of core/thin-shell QD film with only-core QD film intending to increase the photogenerated current density. The cells which are based on the combination of halogen treated rGO/PbS-Cl only-core nanocomposite are presented to show the highest device performance measured at inert atmosphere. Finally, I present the inves-tigation on the stability of fabricated devices against the oxygen and moisture from the environment. This gives a complementary information to current-voltage measurements that are widely used for characterization meas-urements, to reveal the efficient model of passivation of QDs showing the highly stable device features of halo-gen treated rGO/PbS-Cl / CdS core/thin-shell nanocomposites.
양자점에서의 여기자에 의한 삼차원 양자 구속은 큰 규모의 크기로부터 크게 차이가나는 크기에 따른 전기적, 광학적인 성질로 이어진다. 적외선 영역부터 자외선 영역까지의 가변적인 발광을 포함한 독특한 광학 특성은 양자점을 다양한 광전자 응용 프로그램에 많은 관심을 끌고 있다. 그러나, 더욱 고도화된 장치의 성능 향상에 있어서 더욱 발전해야 한다. 현재 QD 박막 장치의 성능을 제한하는 것으로 잘 알려진 인자는 중반 밴드 갭으로서 상태 트랩 준위로도 알려져 있다. 이 트랩 준위는 여기자의 열처리 및 경력 재결합 대체 경로를 제공함으로써 광학 물성 및 장치의 성능에 악영향을 주게 된다. 이 문제에 대한 해결책으로서, 일반적으로 양자점의 화학적 변환이 트랩 준위의 부동태화에 사용되어 양자점의 광학 특성을 강화하고 QD 기반 장치의 성능을 증가시키는 것으로 사용되고 있다.
이 논문에서, 나는 결함 부위를 막아내고 막의 충전 밀도를 감소시키지 않고 박막의 양자점 집합체를 통해 전하 수송을 가속화 할 수 있는 부동태 화 물질을 적용하여 트랩 상태 을 완화하기 위해 효과적인 방법을 발견 한 것에 대한 내용을 다룰 것이다.
우선, 표면의 불포화 결합이 트랩 준위의 주요 소스와 반응을 할 것으로 예상된다. 불포화 결합의 효과를 줄이기 위해서, 강한 산성의 상호 현상을 사용하여 pH 제어에 의한 양자점의 표면의 수정을 사용하며 그 결과로 표면의 리간드 치환 및 불포화 결합이 제거되었다.
표면에 긴 유기 리간드 보호막으로 인한 부동태화가 없이 향상된 발광 양자 수율과 극성 용매의 콜로이드 안정성이 좋은 InP 양자점의 조사를 실시했다.
다음 부분은 QD 표면의 부동태화에 관한 부분으로서, RGO 매트릭스의 극성 산소 작용기(카르보닐기, 수산기 기 또는 에폭시기)의 강력한 상호 작용을 통해 표면 결함이 감소된 산화 그래핀 (RGO) 나노시트 (NSs)와의 반응을 통해 QD의 표면 보호에 따라 양자점의 양이온 결함 부위가 부동태화된다.
또한 전도성이 높은 rGO NSs는 QD 는 태양전지, LED, 광 검출기 등 많은 디바이스에서의 가능성을 가지고 있다. rGO의 NSs와 PbS 나노 복합 구조를 제작하는 간단한 1번의 과정으로 완성할 수 있는 제작법이 구현된다. 이로 인해 구현된 결과물은 온전히 보존된 광학적인 성능과 증가된 여기자 수명을 보인다. 확장 된 여기자의 수명 데이터는 직접적으로 개선 된 표면 부동태화를 보여준다.
PbS 양자점은 표면의 숨겨진 결함들에 대한 해결책으로서 할로겐 원자로 표면 처리를 함으로서 더욱 완벽한 부동태화를 할 수 있다고 알려져 있다 이 과정은 용액 상태에서 QD 합성 후에 이루어진다. 반응을 통해서 얻은 양자점은 저분자 유기물과 긴 알킬 사슬을 가진 절연체 리간드를 교환하여 박막의 제조에 사용된다. 본 연구를 통해, 결함요소의 제거를 위해 할로겐으로 부동태화된 PBS-Cl 코어 위에 황화 카드뮴 (CdS) 박막을 성장시킨 것에 대해 추진하였다. 또한, Type-I 코어/쉘 QD 필름의 열처리는 PbS-Cl를 결과로서 초래하게 되는데 이는 코어와 외부 환경 사이의 물리적 장벽의 역할을 하며 화학적 안정성을 증가시킨다. 본 연구에 따른 코어/쉘 구조는 rGO/PbS-Cl을 나노 복합 하이브리드 구조로 입증되고 있습니다.
이번 연구의 마지막 부분에서는, 표면 부동태화에 대한 디바이스의 성능 변화를 조사하기 위해 열화된 이종접합 태양 전지 구조에 코어/쉘 구조의 양자점과 공존하는 reduced graphene oxide(rGO) 나노시트와 없는 rGO 나노시트를 각각 디바이스에 접합시켜 보였다. 핵/얇은 껍질 구조 양자점 기반의 태양 전지는 증가된 개회로 전압 값(Voc)을 보였지만, CdS 껍질로 인한 높은 에너지 배리어 때문에 낮아진 단락전류(Jsc)값은 보였다. 광발전 소자의 이중층 구조에서는 핵 단일 양자점 필름과 비슷한 두께를 가진 코어/쉘 양자점에서 핵 단일 양자점 필름보다 더 높은 광발전 전류밀도를 가진다고 보고되었다. 불활성 대기 하에서 가장 높은 디바이스 성능을 가진 태양전지는 할로겐 처리된 rGO/PbS-Cl 핵 단일 나노화합물을 기반으로 한 태양전지였다. 마지막으로, 산소와 수분 형성 환경에서의 디바이스 안정성을 조사하였다. 이를 통해 양자점으로 부동태화 되어진 높은 안정성을 가진 할로겐 처리된 rGO/PbS-Cl과 CdS 코어/쉘 나노화합물 디바이스의 효율 모델을 제시하기 위한 상호 보완적인 정보를 얻을 수 있으며 이 정보는 특성 평가를 위해 널리 사용되는 전류-전압 측정을 통해 얻어진다.
