Quantum dot is 0 dimensional materials that the size of the material is under few nanometers. Through confining the size of the material, quantum confinement effect can manipulate the intrinsic properties of the material. Especially, quantization of electronic band structure of the quantum dot enabled to control light absorption spectrum and light emitting wavelength, making quantum dot one of the most promising materials for photo-electronic applications such as display and solar cell. However, low understanding and underdeveloped research progress of quantum dot applied devices failed highly efficient device fabrication. In this research, band engineering of the devices of solar cell and surface enhanced Raman scattering substrates are mostly developed for the performance improvement.
In quantum dot solar cell, due to the lower hole mobility and extracting distance of carriers in band structure, the hole-extraction is mainly considered as the performance limitation. To improve hole extraction, bilayered structure of hole transport materials are applied. One is large band-gap materials to block the leakage current and the other layer for relaxing interfacial dipole to optimize band structure. Through combination of bi-layered hole transport materials, the optimized band structure is obtained. In newly designed hole transport material, the device performance is enhanced by 47% compare to conventional $MoO_3$ hole transport material.
In Surface-enhanced Raman scattering (SERS) research, to maximize localized surface plasmonic resonance of the plasmonic structure, the additional photocurrent is injected to plasmonic structure by utilizing quantum dot photovoltaic substrate. Quantum dot substrate generate carrier from incident Raman laser beam, and photo-carriers are induced to transfer to gold nano-structure. The Raman signal is enhanced by 50 % to 250 % depending on detecting materials.
양자점은 물질을 수 나노 미터 이하의 크기로 한정된 0 차원 상태의 물질을 일컫는 말로, 양자 구속 효과로 인해 물질의 전기적 밴드 구조가 양자화 됨에 따라 물질 고유의 전기적, 광학적 성질이 변형될 수 있다. 특히 밴드갭을 조절함에 따라, 광흡수 파장대와 발광 파장대를 조절할 수 있기 때문에, 이를 활용하여 디스플레이 혹은 태양전지와 같은 광원 및 광전소자에 적용 가능한 차세대 재료로 각광 받고 있다. 하지만 양자점 소자의 효율은 아직 연구단계에 머물러 있으며, 최적화가 필요한 단계이다. 특히 광전 소자의 경우, 새로운 물질이 연구됨에 따라 이에 맞춰 전기적 특성을 최적화 할 수 있는 물질 간의 밴드 구조가 필요한데 이에 대한 연구가 충분히 이루어지지 않아, 소자의 효율이 이론 값에 한참 미치지 못하고 있다. 본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위해 전기적 밴드 구조의 최적화를 통한 소자의 효율 증대를 연구하였다. 특히 본 연구에서는 양자점 태양전지와 양자점을 이용한 표면 증강 라만 산란 효과 기판의 밴드 구조 최적화를 다룰 것이다.
양자점 태양전지에서 성능 한계로 파악되는 정공 추출 효율 개선을 위해 정공 수송층의 밴드 구조를 개선하였다. 정공 수송층이 정공 추출 효율을 높이면서, 누설전류를 막을 수 있게 하기 위해 이중층으로 구성된 정공수송층을 개발하였다. 한 층은, 누설 전류의 흐름을 막을 수 있는 거대 전도 띠 물질을 적용하고, 다른 하나는 밴드 구조 최적화를 위한, 계면 쌍극자 억제층으로 구성을 하였다. 기존 연구에서 홀 수송층으로 사용되던 $MoO_3$와 비교하여 평균적으로 47 % 가량 효율을 개선 하였다.
표면 증강 라만 산란 효과 증대를 위해 본 연구에서는 표면 증강 라만 산란에 중요한 역할을 하는 표면 플라즈몬 공명을 극대화하기 위해 광전 소자 기판을 활용하여 통해 플라즈몬 구조체에 전자를 주입하는 연구를 진행하였다. 하부의 양자점 기판은 측정 시 조사되는 레이져빔의 에너지로부터, 들뜬 전자를 발생시키고 이를 골드 나노 구조체에 주입하여, 골드 나노 구조체에서 발생하는 전기장을 강화하였다. 이 기판을 활용하여 라만 신호를 50 % 에서 250 % 까지 증강시킬 수 있었다.
