반도체 연구에서 엑시톤과 전하 캐리어의 동작 원리를 이해하는 것은 기능성 소재 및 소자의 개발과 응용에 아주 중요하다. 이에 따라, 본 연구는 재료와 응용 소자에서 엑시톤과 전하 캐리어의 동작 원리를 조사하여 재료의 독특한 특성을 파악하고, 소자의 성능과 안정성을 최적화하는 데 중점을 두고, TRPL 분광법과 TA 분광법을 활용하여 엑시톤과 전하 캐리어의 동작 원리를 탐구하였다.먼저, 본 연구에서는 이차원 전이금속 칼코겐화합(TMD) 중간층의 역할과 효과를 분석하기 위해 페로브스카이트 태양전지(PSCs) 내에서 전하 캐리어의 동작 원리를 조사하였다. 본 연구에서는 PSCs의 안정성을 개선시킬 방법으로, 안정적이고 효과적인 TMD 중간층들(MoS2, WSe2)을 태양전지에 도입하였다. 계면에서의 PL 및 TRPL 분석을 통해, TMD 중간층들이 전하 수송을 향상시키고 계면에서의 전하 축적을 줄이며 각각 다른 효과를 가지는 것을 확인하였다. TMD 중간층들과 함께, PSCs는 가혹한 조건에서도 1000시간 이상 안정한 성능을 보여주며 향상된 안정성을 가졌다.또한, TA 분광법을 사용하여 PM6:Y6 혼합체 태양전지에서의 전하 캐리어 동작 원리를 연구하였다. 연구 결과로, 이산 에너지 상태를 가진 InAs 콜로이드 양자점(CQD) 층이 고에너지 광자를 효과적으로 차단하면서, 동시에 BHJ 층에서 전자만 선택적으로 추출한다는 것이 입증되었다. 본 연구에서는 이러한 결과를 기반으로 소자 설계를 수정하여 안정성과 효율성을 향상시켰으며, 최적화된 소자는 15.1%의 전력 변환 효율(PCE)을 달성하며 연속 조명 하에서 1000분이 지나도 초기 PCE의 80% 이상을 유지하였다. 이를 통해 광학 분석을 기반으로 한 소자 설계 수정이 태양전지의 효율과 내구성을 성공적으로 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.마지막으로, 본 연구에서는 TRPL 분광법과 TA 분광법을 상호 보완적으로 사용함으로써 단결정 InP 테트라포드 나노결정의 모양 변화에 따른 엑시톤과 바이엑시톤의 동작 차이를 조사하였다. 분석을 통해, 나노결정의 모양 변화에 따라 엑시톤과 바이엑시톤의 수명이 서로 다른 경향으로 변화된다는 사실을 발견하였다. 이러한 연구 결과는 테트라포드 형상을 가진 나노결정의 특성을 이해하는 데 기초적인 지식을 제공하며, 형상 제어에 기반한 기능 선택의 가능성을 강조한다.종합적으로, 본 연구는 반도체의 엑시톤과 전하 캐리어 동작 원리에 대한 포괄적인 분석을 제시하며, 재료의 특성과 응용 소자에 대한 분석을 모두 포함한다. 시분해 분광 기술은 재료의 엑시톤과 전하 캐리어 동작을 이해하는 데 유용하게 활용된다. 이를 통해 소자의 성능과 안정성을 성공적으로 최적화할 수 있으며, 다양한 분야에서의 기능성 반도체 및 응용 소자 개발에 유용하게 활용될 수 있다.
Understanding the dynamics of excitons and charge carriers in semiconductors is critical to the development and application of functional materials and devices. This thesis focuses on investigating exciton and charge carrier dynamics in both materials and application devices to gain insight into their intrinsic properties and optimize device performance. To study exciton and charge carrier dynamics, time-resolved spectroscopic techniques including time-resolved photoluminescence (TRPL) spectroscopy and transient absorption (TA) spectroscopy were applied.In the first part of the thesis, charge carrier dynamics were explored to analyze the role and effect of 2D transition metal dichalcogenide (TMD) interlayers in stable perovskite solar cells (PSCs). While PSCs possess great potential, their short lifetime is a barrier to commercialization. To improve the device stability, we introduced stable and efficient TMD interlayers, MoS2 and WSe2, on the hole and electron transport sides of the perovskite layer, respectively. Using PL and TRPL spectroscopy, we revealed the different effects of TMD interlayers on PSCs. The TMD interlayers not only promoted efficient charge transport, but also reduced the charge accumulation at the interface. As a result, the efficient charge transport and charge accumulation mitigation effect of TMD interlayers, as well as its passivation and strain release effects resulted in stable performance over 1000 h under harsh conditions.Additionally, we also investigated the charge carrier dynamics in PM6:Y6 bulk heterojunction (BHJ) solar cells using TA spectroscopy. The results demonstrated that the InAs colloidal quantum dot (CQD) layer with discrete energy states effectively blocked high-energy photons while selectively extracting electrons from the BHJ layer. Based on these findings, the device architecture was modified to improve both stability and efficiency. The optimized device achieved a power conversion efficiency (PCE) of 15.1% and retained more than 80% of the initial PCE after 1000 min under continuous illumination. This research succeeded in improving the efficiency and durability of solar cells through device design modifications based on optical analysis.Furthermore, in this thesis, we explored the exciton and charge carrier dynamics in semiconductor materials to study their intrinsic properties. Specifically, the study investigated the shape-dependent exciton dynamics in single-crystalline InP tetrapod nanocrystals. Nanocrystals exhibit discrete energy levels due to size-dependent quantum confinement effects, and their electronic structure influenced by the shape of nanocrystals, causes shape-dependent changes in exciton behavior and properties. Through complementary TRPL spectroscopy and TA spectroscopy, the study examined how different shapes of tetrapod nanocrystals impact exciton and biexciton (exciton-exciton) behaviors. The analysis focused on understanding the effect of tetrapod shape on excitons and their interactions, revealing that exciton and biexciton lifetimes exhibit different trends with changes in nanocrystal shape. These findings provide fundamental knowledge for understanding the characteristics of nanostructures with tetrahedral geometries and emphasize the potential for functional selection based on shape control.In conclusion, this thesis presents a comprehensive analysis of exciton and charge carrier dynamics in semiconductors, encompassing both material properties and application devices, particularly solar cells. Time-resolved spectroscopy techniques are used to improve our understanding of exciton and charge carrier behavior in materials, which can then be used to optimize device performance and stability. The results of this thesis are valuable for advancing the development of functional semiconductors and practical application devices in a variety of fields.