Colloidal quantum dots (CQDs) are good candidate materials for next generation solar cells because of bandgap tunability in broad range, solution processibility, and suppressed thermal energy loss of carriers. However, the state of art power conversion efficiency (PCE) of CQD photovoltaics (PVs) is around 11%, which is lower than PCE of commercialized solar cells. Poor electrical property of CQDs compared to bulk materials is one of the biggest reasons for relatively low PCE of CQD PVs. PCE of CQD PVs can be improved by controlling the surface since surface of CQDs with high surface to volume ratio strongly affects electrical properties. More specifically, based on understanding the effect of surface to optoelectronic properties in CQDs, their energy band structures, doping level, mobility of electrons and holes, and photoelectric conversion stability can be modulated.
In this thesis, CQD PVs with high PCE were realized by investigating electrical and photoelectric conversion properties. It has been revealed that the properties of CQD PVs are dependent on solvent used during the formation of active layer and surface molecules. In particular, it turned out that the number of surface traps, the mobility of electrons and holes, and the photoelectric conversion properties are highly sensitive on acidity of protic solvents which are treated on CQD surface. Moreover, hysteresis-free and photostable CQD PVs were obtained by investigating the correlation between the hysteresis in current-voltage curves and the mobile ions from organic ligands on the surface of CQDs.
양자점 태양전지는 넓은 범위의 밴드갭 조절과 용액공정이 가능하며 열 에너지 손실을 줄일 수 있어 차세대 태양전지 재료로서 각광을 받고 있지만, 기존의 상용화에 성공한 태양전지 재료에 비해 다소 낮은 11% 의 광전변환 효율을 보이고 있다. 광전변환 효율이 기대보다 낮은 가장 큰 이유는 양자점으로 이루어진 광흡수층의 벌크 물질 대비 낮은 전기적 특성 때문이라고 할 수 있다. 부피 대비 높은 표면적 비율을 갖고 있는 양자점 표면 제어를 통해 양자점 광전변환 층의 전기적 특성을 조절하여 양자점 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 양자점 표면 이해를 바탕으로 전자와 정공의 밴드 구조, 도핑 농도, 이동도 등의 전기적 특성뿐 아니라 대기 중 광전 안정성을 변화시킬 수 있다. 본 논문에서는 양자점으로 이루어진 광 변환층 형성과정에서 사용되는 용매, 표면 분자 등에 따른 전기적 특성 및 태양전지 광전변환 특성 변화 연구를 통해 고효율 양자점 태양전지를 구현했다. 특히 사용되는 양성자성 용매의 산도에 따른 표면 결함 수와 전자와 정공의 이동도 및 태양전지 광전변환 특성 변화 연구, 광변환층의 이온들의 농도와 전압-전류 이력현상 상관관계 연구를 통해 광 안정성을 확보하는 동시에 이력현상을 제거한 태양전지를 구현할 수 있었다.
