첨가제와 상호작용에 의한 OSC 형태의 예측적 분석 및 TADF 분자의 상태별 상호작용 규명 : 이론적 연구를 통해

국문 초록 (Abstract)

연구자들은 실험으로 관찰된 현상을 판단을 통해 결론을 도출한다. 하지만 어느 때는 관찰가능한 현상만으로 해석이 불가능한 경우가 생기게 된다. 그러한 부분은 명확하게 정리되지 않은 채 부정확한 이유가 기술된다. 부정확한 해석이 여러 연구자들에 의해 쌓이게 되면 연구자들은 다른 현상을 해석할 때 혼란을 발생한다. 계산화학은 이러한 관찰하기 어려운 현상에 대해서 명확한 답안을 제시할 수 있다.

유기 태양전지의 광활성층은 전자 주개(donor)와 전자 받개(acceptor)로 구성되며 이들의 배치 형태에 따라 Bulk Heterojunction(BHJ), 이중층 등으로 구분된다. 이때 광활성층에 휘발성 고체 첨가제(Volatile Solid Additive, VSA)를 넣게 되면 효율이 증가하는 것을 여러 연구를 통해 확인하였다. 그 이유로 제시되는 것이 필름 형성시에 donor와 acceptor의 작용기를 VSA가 감싸게 되면서 뭉쳐져 있던 donor와 acceptor를 분리하게 되면서 정렬하게 되고 이후 열처리에 의해 VSA를 없애게 되면 전하 이동도가 개선되어 효율이 증가된다고 한다. 이번 연구에서는 donor, acceptor, VSA가 어떤 형태로 분포 되어있는지를 양자 계산을 통해 확인하였다. 같은 물질 간의 상호작용 에너지와 서로 간의 상호작용 에너지를 계산하여 통계적 평균에 따라 비교하였다. 이를 통해 VSA를 사용하게 되면 어떠한 특징이 생기는지 예측할 수 있었다.

계산 화학도 모든 현상에 대해 자세한 정보를 얻기는 어렵다. 들뜬 상태를 기술하는 것이 특히 어려움이 많은데, 이로 인해 일부 연구자들은 바닥 상태에 대한 연구결과를 통해 들뜬 상태에 대한 해석을 하기도 한다. 이번 연구에서는 분자 내 상호작용 에너지를 상호작용하는 영역을 분리하여 구해냈고 바닥 상태와 들뜬 상태일 때 차이가 있음을 밝혀냈다. 더불어 들뜬 상태 간에도 국소 여기(Locally Excitation, LE)상태와 전하 이동(Charge Transfer, CT)상태에 따라 상호작용 에너지가 변화함을 확인하여 정밀한 계산 화학적 분석의 필요성을 강조하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Researchers usually draw conclusions by interpreting experimentally observed phenomena. However, there are cases where observable phenomena alone are insufficient to provide a clear explanation. In such situations, the underlying mechanisms remain poorly defined, and ambiguous or inaccurate reasons are often described. When these vague interpretations accumulate across multiple studies, they can cause confusion when researchers try to rationalize other phenomena. Computational chemistry can offer clear answers in such cases, especially for processes that are difficult to access experimentally.

In organic solar cells (OSCs), the photoactive layer is composed of an electron donor and an electron acceptor, and their arrangement can be classified into bulk heterojunction (BHJ), bilayer structures, and so on. It has been reported in many studies that introducing a volatile solid additive (VSA) into the photoactive layer improves the device efficiency. A commonly proposed explanation is that, during film formation, the VSA surrounds the functional groups of the donor and acceptor, separating their aggregates and promoting better ordering. Subsequent thermal annealing removes the VSA, leading to enhanced charge transport and, consequently, improved efficiency. In this dissertation, quantum chemical calculations were employed to investigate how the donor, acceptor, and VSA are spatially distributed. Interaction energies were evaluated for pairs of identical components and for different combinations, and these were compared to identify dominant molecular pair configurations based on statistical averaging. Through this analysis, the characteristic features arising from the use of a VSA could be clarified, providing more definitive insight into its role.

Even with computational chemistry, it is not always straightforward to obtain detailed information about every phenomenon. Describing excited states is particularly challenging, and as a result, some researchers attempt to interpret excited-state behavior solely from ground-state calculations. In this dissertation, intramolecular interaction energies were decomposed into contributions from distinct interacting regions, and it was demonstrated that these interactions differ between the ground and excited states. Furthermore, even among excited states, the interaction energy was found to vary depending on whether the state is of locally excited (LE) character or charge-transfer (CT) character. These findings highlight the necessity and importance of careful, high-level computational analyses for the reliable interpretation of molecular excited-state phenomena.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 유기 태양전지의 형태와 분자간 상호작용 1
• 제 1 절 서론 1
• 제 1 항 organic solar cell, OSC 1
• 제 2 항 광활성층의 형태와 OSC 효율의 관계 3
• 제 3 항 첨가제의 적용 4
• 제 2 절 본론 5
• 제 1 항 연구 방향 5
• 제 2 항 computational detail 7
• 제 3 항 연구결과 및 고찰 9
• 제 3 절 결론 12
• 제 2 장 바닥, 들뜬 상태의 분자내 상호작용 차 13
• 제 1 절 서론 13
• 제 1 항 D-A 유형의 분자 설계 13
• 제 2 항 들뜬 상태 연구의 필요성 15
• 제 2 절 본론 17
• 제 1 항 연구 방향 17
• 제 2 항 computational detail 18
• 제 3 항 연구결과 및 고찰 19
• 제 3 절 결론 27
• 참고문헌 28
• Abstract 32