Delayed Triplet-State Formation through Hybrid Charge Transfer Exciton at Copper Phthalocyanine /GaAs Heterojunction
Light absorption in organic molecules on an inorganic substrate and subsequent electron transfer to the substrate create so-called hybrid charge transfer exciton (HCTE). The relaxation process of the HCTE states largely determines charge separation efficiency or optoelectronic device performance. Here, the study on energy and time-dispersive behavior of photoelectrons at the hybrid interface of copper phthalocyanine (CuPc)/p-GaAs(001) upon light excitation of GaAs reveals a clear pathway for HCTE relaxation and delayed triplet formation. According to the ground-state energy level alignment at the interface, CuPc/p-GaAs(001) shows initially fast hole injection from GaAs to CuPc. Thus, the electrons in GaAs and holes in CuPc form an unusual HCTE state manifold. Subsequent electron transfer from GaAs to CuPc generates the formation of the triplet state in CuPc with a few ps delay. Such two-step charge transfer causes delayed triplet state formation without singlet excitation and subsequent intersystem crossing within the CuPc molecules.
Change of Molecular Orientation using Copper Iodide and Its Influence on Exciton Dynamics at Metal Phthalocyanine/Fullerene Interface for Organic Photovoltaics
To achieve a highly efficient organic solar cell (OPVs), control of molecular orientation is prime important. While molecular orientation within a film influences charge conduction, relative configuration at donor/accepter interface determines energy level alignment as well as electron-hole separation. Here, we report the change in molecular orientation of planar-shape donor molecules, metal phthalocyanine (CuPc or ZnPc) on ITO by adding CuI as templating layer. Upon ultraviolet photoelectron spectroscopy studies, CuPc reveals a noticeable change in ionization potential ($\deltaIP = ~0.3 eV$) on CuI, which represents the strong change in molecular orientation. However, energy levels of ZnPc molecules are scarcely changed, that is, CuI has little influence on molecular orientation of ZnPc. Such difference in molecular orientation is confirmed additionally by near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy. To explain the templating effect of CuI, we demonstrate their difference in molecular orientation by dipole-assisted heteroepitaxial growth by considering the interaction between CuI and MPc molecules depending on the TM ions (Cu, Zn). Furthermore, using time-resolved two-photon photoemission spectroscopy, the influence of molecular orientation on exciton dynamics at $MPc/C_{60}$ interface is studied in detail. On CuI layer, “lying-down” CuPc molecules show CT characteristics at the $CuPc/C_{60}$ interface, while ZnPc molecules only show long-lived S1 peak even at the $ZnPc/C_{60}$ interface. Thus, it is verified that well-oriented $CuPc/C_{60}$ interface induces CT exciton by strong $\pi-\pi$ overlap between donor and acceptor. Finally, we discuss the influence of molecular orientation on the enhanced carrier transport and overall solar cell efficiency by measuring device performance.
유/무기 하이브리드 이종접합 계면에서 나타나는 하이브리드 엑시톤을 통한 삼중항 엑시톤의 형성
유/무기 반도체 이종 접합 계면은 두 물질의 장점을 극대화 하고 단점을 효과적으로 보완할 수 있다는 특성으로 차세대 하이브리드 태양 전지 소재로서 상당한 가치가 있다. 태양 전지 소재로 이용하기 위해서는 광전하의 분리 메커니즘을 밝히는 것이 매우 중요한데, 유기 반도체와 무기 반도체 소재의 광전하 분리 메커니즘의 차이로 인해 두 물질로 이루어진 하이브리드 소재에서의 전하 동역학 대한 연구는 많이 보고되지 않았다. 따라서, 분광학적 연구를 기반으로 한 유/무기 이종접합 계면에서 전하 동역학 연구를 통해 효과적인 차세대 태양전지 개발을 위한 하이브리드 소재의 특성을 분석하는 것이 필요하다. 이 연구에서는 유기 태양 전지에서 억셉터 (전자 받개) 물질로 알려진 플러렌과 도너 (전자 주개) 물질로 알려진 구리 프탈로시아닌 화합물을 무기 반도체 물질인 갈륨비소 화합물과 각각 접합 하여 만들어진 유/무기 반도체 이종 접합 계면의 전자 구조와 전하 분리 동역학에 대해 자외선 광전자 분광법과 역광전자 분광법, 시간분해 이광자 광전자 분광법을 이용하여 조사하였다. 이 연구를 통해 효과적인 유/무기 하이브리드 태양 전지를 구성하기 위해서는 유/무기 소재 계면에서의 밴드휨이나 에너지 레벨 위치, 전자 구조와 같은 기본적인 특성을 고려하는 것이 매우 중요한 요소임을 확인 할 수 있었다.
유기 태양전지로 이용되는 유기 도너/억셉터 계면에서 분자 배향의 변화와 이에 따른 엑시톤 동역학
유기 분자를 이용한 이종 접합 구조는 저비용, 유연성, 대면적화가 용이하다는 장점으로 인해, 유기 발광 다이오드, 유기 전계 효과 트랜지스터, 유기 태양 전지 등 여러 분야에서 기본이 되는 소재로서 활발하게 이용되고 있다. 하지만 유기 태양 전지의 경우, 앞선 여러 특징에도 불구하고 낮은 유전율로 인해 무기 태양 전지에 비해 상대적으로 낮은 효율로 상업화에 많은 제약이 따른다. 때문에 높은 성능을 갖는 유기 태양광 소자를 개발하기 위해서는 실제 전하의 분리가 일어나는 각 물질 계면에서의 전자 구조를 잘 조절하는 것이 중요하다. 특히, 사용되는 유기 분자의 배향은 계면에서의 전자 구조에 영향을 줄 수 있으며, 이는 궁극적으로 유기 태양 전지에서 빛의 흡수, 전하의 이동, 에너지 레벨 등과 같은 소자의 성능에 직접적인 영향을 주게 된다. 따라서 본 연구에서 유기 계면에서의 분자 배향을 조절하기 위한 방법 중 하나로써 기판인 인듐 주석 산화물 위에 요오드화 구리 템플레이트 층을 사용하여 유기 태양 전지에서 도너 (전자 주개) 물질로 알려진 금속 프탈로시아닌에서의 템플레이트 효과에 대해 자외선 광전자 분광법과 X-선 흡수 분광법, X-ray 회절법, 원자힘 현미경을 이용하여 조사하였다. 또한, 분자 배향성이 도너/억셉터 계면에서 캐리어 거동에 어떤 영향을 주는지를 시간 분해 이광전자 분광법을 이용하여 조사하였다.
