Photoinduced Charge Carrier Dynamics of Organic/Inorganic Semiconductors using Flash-Photolysis Time-resolved Microwave Conductivity

Abstract

제1장에서는 FP-TRMC 실험의 간단한 원리를 설명했습니다. 광전도성과 관련된 광발생 전하는 유전 상수의 실제 부분과 가상 부분 모두에 기여할 수 있습니다. 샘플에 대한 복소 유전 상수는 캐비티 공명 특성으로부터 얻어집니다. 광전도도의 실수 파트는 복소 유전율 상수의 복소수 부분과 관련되며 마이크로파의 흡수와 같게 여겨져 이 마이크로파 흡수를 통해 최종적으로 광전도도 혹은 전하 수율 및 이동도의 정보를 얻을 수 있다. 1장에 묘사되어 있는 최적화된 실험적 조건들과 수식을 적용하여 2장과 3장에서의 FP-TRMC 측정 및 분석이 수행되었다. 제2장에서는 국소 D(전자 주개):A(전자 받개) 화학양론과 관련된 구조적 제어의 어려움을 해결하기 위해 P3HT 전자 주개와 NDI(napthalene diimide) 전자 받개로 구성된 P3HT-NDI dyad를 합성하여 P3HT/NDI blend와 비교하였다. P3HT-NDI dyad와 P3HT/NDI blend에서의 구조와 광학적 특성은 원자력현미경(AFM)과 전자흡수분광법(UV-vis)을 사용하여 파악되었으며, 형태학적 및 표면적으로 큰 차이가 보이지 않았고 눈에 띄는 NDI 응집이 없었다. P3HT-NDI dyad와 P3HT/NDI blend의 박막에서 전하 캐리어 역학은 FP-TRMC를 통해 연구되었으며, P3HT에 NDI가 도입함으로써 순수한 P3HT 대비 향상된 전하 생성율을 얻어낼 수 있었다. 이 때, P3HT-NDI dyad와 P3HT/NDI blend 모두에서 through-space 전하 전달, 즉, face-to-face 방향으로의 전하 전달이 우세하게 나타남을 확인할 수 있었다. 제3장에서는 수분에 대한 안정성, 표면 패시베이션, 전하 이동과 전달 등에 대한 문제를 해결하기 위해 CsPbBr3 코어와 APTES 기반의 쉘로 구성된 코어/쉘 PQD를 합성하여 전하 스캐빈저를 첨가한 경우들과 첨가하지 않은 본질적인 물질에 대해 비교하였다. 전하 스캐빈저 유무에 따른 CsPbBr3@SiOx의 구조 및 광학적 특성은 X-선 회절(XRD), 전계방출 투과전자현미경(FE-TEM), X-선 광전자 분광법(XPS) 및 전자 흡수/방출 분광법(UV-vis, PL)을 통해 분석되었으며 스캐빈저의 도입 유무에 상관없이 모두 약 4 nm 크기를 가지는 큐빅 구조의 PQDs가 발견되었고, 스캐빈저들끼리의 어그리게이션은 관찰되지 않았다. 박막의 전하 캐리어 역학은 형광을 분석하는 TCSPC와 자유 전하를 탐지하는 FP-TRMC 실험을 사용하여 조사되었으며, 이 물질이 본질적으로 가지는 전자 트래핑을 밝혀낼 수 있었고 스캐빈저의 종류에 따른 ϕΣμ 증감 변화의 경향성이 반대된다는 것을 관찰할 수 있었다. ;In Chapter 1, we explained the simple principles of Flash Photolysis – Time Resolved Microwave Conductivity (FP-TRMC) experiment. The photogenerated charges related to photoconductivity can contribute to both real part and the imaginary part of the dielectric constant. Complex dielectric constants for the sample are obtained from cavity resonance properties. The real part of the conductivity being the same as microwave absorption and being related to an imaginary part of the dielectric constant can be converted to the carrier yield and mobility 𝜙∑μ. By using the optimized setting explained in Chapter 1, FP-TRMC measurements were performed in Chapter 2 and 3. In Chapter 2, to tackle the difficulties in structural control of local D:A stoichiometry, a P3HT-NDI polymer dyad comprising P3HT donor and naphthalene diimide (NDI) acceptor was synthesized and compared with P3HT/NDI blend. The structure and optical properties of P3HT-NDI dyad and P3HT/NDI blend were characterized using atomic force microscopy (AFM) and electronic absorption spectroscopy, featuring no significant difference in morphology, and lacking any substantial NDI aggregation. The charge-carrier dynamics in the thin-films of P3HT-NDI dyad and P3HT/NDI blend were investigated using time-resolved fluorescence and flash-photolysis time-resolved microwave conductivity (FP-TRMC) experiments, suggesting dominant through-space (face-to-face) photoinduced electron transfer from P3HT to NDI both in P3HT/NDI dyad and P3HT/NDI blend with an enhanced charge-generation yield with respect to the neat P3HT film by the introduction of NDI to P3HT matrix. In Chapter 3, to resolve the difficulties in stability, surface passivation and charge transfer, core/shell PQD comprising CsPbBr3 core and APTES-based shell was synthesized and compared with the addition of carrier scavengers. The structure and optical properties of CsPbBr3@SiOx with and without carrier scavengers were characterized using X-ray diffraction (XRD), Field Emission Transmission Electron Microscopy (FE-TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electronic absorption/emission spectroscopy featuring ~ 4 nm cubic PQDs with no significant difference in morphology with the addition of scavengers, and lacking any aggregation of scavengers. The charge-carrier dynamics in the thin-films were investigated using time-resolved fluorescence (TCSPC) and flash-photolysis time-resolved microwave conductivity (FP-TRMC) experiments, suggesting intrinsic electron trapping and opposite change of 𝜙∑μ, depending on the type of scavenger.