A napenergia kiaknázását esősegítő korábbi kutatási témáiban elmélyedve jutott új, a gyakorlati életben is hasznosítható eredményekre Janáky Csaba. Az Európai Kutatási Tanács (ERC) 2016. évi pályázatán is sikeres kutató 2014 óta vezeti az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport, illetve a Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Kémiai Intézet Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének egyetemi adjunktusa.

„Lyukaktól” függ a napelem-alkotó anyag (in)stabilitása?

– Instabilak. Ez a legnagyobb probléma a napelemekben használatos perovszkit-család tagjaival. Holott ezek az összetett anyagok ígéretesek, nagy az aktivitásuk, kevés kell belőlük, olcsók, gyorsan előállíthatóak – vont mérleget Janáky Csaba, az SZTE TTIK adjunktusa.

A perovszkit eredetileg a kalcium-titanát oxidásvány felfedezőjéről kapta a nevét. Általánosságban az ABX₃ összetételű, és a kalcium titanáttal megegyező kristályszerkezettel rendelkező anyagokat hívjuk perovszkitoknak. Napelemekben a halogenid-ionokat tartalmazó képviselőiket vizsgálják.

A perovszkit anyagcsalád tagjai miért nem stabilak? – tette fel a kérdést önmagának is a szegedi egyetem kutatója.

– Amikor megvilágítunk egy félvezetőt, akkor – a fényből érkező fotonok hatására – létrejönnek a „töltéshordozók”, azaz az „elektron és lyuk”-párok. Minden kísérletnél ugyanannyi „elektron és lyuk” jön létre. Ezért nehéz elkülöníteni, hogy az „elektronokhoz” vagy a „lyukakhoz” kötődik a perovszkit anyagcsalád instabilitása – magyarázta.

Az „elektronoknak” vagy a „lyukaknak" van nagyobb szerepe a perovszkit anyagok instabilitásában vagy degradációjában? E kérdésükre kísérletekkel keresték a választ a szegedi kutatók. Fény helyett elektrokémiai módszert alkalmaztak.

– Egy elektrokémiai cellában, attól függően, hogy arra milyen feszültséget kapcsolunk a munkaelektródra, vagy „elektronokat” vagy „lyukakat” raktunk a kiválasztott perovszkitra – érzékeltette új, eddig még senki által nem alkalmazott elektrokémiai mérési módszerük lényegét Janáky Csaba.

Összetett, mert két – pontosabban bróm és jód – aniont tartalmazó perovszkittal dolgoztak a szegedi kutatók. Miért? Azért éppen e két halogént „vegyítették”, mert így az anyag optikai tulajdonságai hangolhatóakká váltak. Ez különösen fontos, annak érdekében, hogy a napfény spektrumának minél nagyobb részét nyelje el az anyag.

– Azt tapasztaltuk, hogy ha a perovszkitunkat oxidáljuk, vagyis „lyukakat” pakolunk rá, akkor a jodid fokozatosan eltávozik és csak a bromid marad. Ugyanakkor nem esik szét az anyag, hanem visszamarad egy olyan perovszkit, amelyben csak bromid található. E folyamat elemi lépéseit vizsgálva arra a következtetésre jutottunk, hogy a töltéshordozók közül a „lyukakhoz” kötődik a vegyes perovszkitok instabilitása – összegzett Janáky Csaba.

Elméleti eredményből gyakorlati módszer

Egy jól alkalmazható és a gyakorlatban is hasznosítható modell-rendszert dolgoztak ki az SZTE kutatói.

– Kísérlettel igazoltuk, számszerűen kimutattuk, amit az elméleti kémikusok a számításaik alapján sejteni véltek: két „lyuk” kell ahhoz, hogy két jodid kijöjjön egy jód molekula formájában ebből a perovszkit anyagból– mutatta a Journal of the American Chemical Society, azaz a JACS 2019. július 10-i száma címlapján szereplő cikküket Janáky Csaba. – Tehát a „lyukak” indítják el a – többek között a napelemekben is használt – perovszkitok degradációs folyamatát.

A JACS-béli publikáció 6 szerzője közül az egyik az SZTE díszdoktori címének várományosa, Prashant V Kamat professzor, mellette két olasz elméleti kémikus is a szegedi kutató-csoport partnere. A szerzők névsorának élén szereplő Samu Gergely és Balog Ádám, valamint a sort záró Janáky Csaba az SZTE kutatója.

– A degradációs folyamat megelőzhető, ha olyan perovszkit-határfelületeket hozunk létre, amelyeken keresztül ezeket a „lyukakat” gyorsan el lehet távolítani. Másképpen fogalmazva: a „lyukak” nem halmozódnak fel, így nincs idejük arra, hogy elindítsák az oxidációs folyamatot – zárta magyarázatát Janáky Csaba. – Korábbi cikkeinkben is a perovszkitok, azaz a napelemekben használt optikailag aktív réteg határfelületeinek a fontosságára hívtuk föl a figyelmet. Ugyanis megfelelő „elektron- és lyuk”-szelektív felülettel befolyásolható a perovszkit stabilitása.

A több száz féle és kristályszerkezetű perovszkit stabilitásának a gyors vizsgálatára is kiváló az SZTE kutatói által kidolgozott elektrokémiai módszer. Ezzel időt és pénzt takaríthatnak meg a napelemek kutatói és fejlesztői.

– Módszerünkkel előre tudjuk jelezni a különböző perovszkitok stabilitását. Sőt: arra is javaslatot teszünk, hogy az adott vizsgált perovszkitot milyen „lyuk”-vezető vagy „elektron”-vezető anyaggal érdemes kombinálni ahhoz, hogy lassuljon a degradáció – összegezte a JACS-beli cikkben kifejtett módszerbéli újítás gyakorlati hasznát az SZTE-kutató. Janáky Csaba elárulta: eredményeikre építve új projekten, azaz teszt-protokoll kidolgozásán fáradoznak. Így a nemrégiben vásárolt atomi rétegleválasztó (ALD) berendezésüket is hasznosítják.

Az SZTE-t erősíti az MSCA-ITN siker

A kicsi nyerési eséllyel biztató Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Networks (MSCA-ITN) program keretében, nemzetközi konzorciumi tagként kapott támogatást Janáky Csaba. Az SZTE TTIK adjunktusa a napenergia kémiai energiává alakításával foglalkozó, 2020-ban induló és 2024-ben záruló uniós kutatóképzési programban vesz részt.

– A 9 egyetemi és kutatóintézeti partner – közte az University of Cambridge, a Max Planck Institute of Colloids and Interfaces –, továbbá 3 ipari résztvevő közös kutatóképző pályázata egy jól definiálható téma, a napenergia kémiai energiává alakítását célozza. A kompetitív, 5 százalék körüli sikerrátájú pályázat összesen 15 doktorandusz képzését szolgálja. A közösen kidolgozott programból az SZTE-beli csoportunkra eső támogatás 500 ezer euró – összegzett Janáky Csaba.

A kutatói mobilitást támogató MSCA-ITN révén 2020 őszén 2 új doktorandusz érkezik Janáky Csaba MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoportjába.

– A PhD-hallgatók e program révén nemcsak azt tanulják meg, amit itt amúgy is látnának, hanem megismerik a többi konzorciumi partner munkáját is, hiszen rendszeresen rész vesznek majd a közös tréningeken – magyarázta a szegedi kutató. – A mi két új doktoranduszunknak fél évet el kell tölteniük egy másik partnernél, mint ahogy én is fogadok majd két másik fiatalt 6 hónapos képzésre.

Az élvonalbeli tudományos vérkeringésbe került be ezzel a pályázati sikerrel az SZTE TTIK Kémiai Intézet Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszéke.

– Az SZTE legújabb, nálunk működtetett berendezésével, a Magyarországon is egyedülálló atomi rétegleválasztó készüléken fog dolgozni az egyik doktorandusz, míg a másik abba a munkába kapcsolódik be, ami a perovszkitok stabilitását vizsgálja – árulta el Janáky Csaba, aki immár a tudományterülete élmezőnyének tagja. Kutatói sikereinek elismerése, hogy ezen MSCA-ITN projekt záró konferenciájának 2024-ben a Szegedi Tudományegyetem adhat otthont.

*

A Marie Sklodowska Curie Innovativ Training Network (MSCA ITN) program egyetemek, kutatóintézetek és vállalatok nemzetközi konzorciuma által összeállított kutatási terve alapján fiatal kutatók képzését finanszírozza doktori programon keresztül. A nemzetközi program jellemzői: interdiszciplinaritás, mobilitás és interszektoralitás. A projekt boardjában konzorciumi vagy társult tagként jelen vannak vállalatok is, hogy a hallgatók olyan környezetben dolgozzanak, ahol látják az interszektorális kapcsolatok fontosságát, illetve az alapkutatási eredmények ipari hasznosítását.

SZTEinfo – Ú. I.

Fotók: Újszászi Ilona

Az ERC és az MTA Lendület programja által támogatott, Junior Prima-díjas, korábban SZTE Sófi-ösztöndíjas Janáky Csaba eddigi eredményeiről az SZTE Hírportálján korábban is írtunk:

Szén-dioxid reaktort fejleszt a Szegedi Tudományegyetem és a ThalesNano Zrt.

Úttörő módszerek és eredmények az MTA-SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoportban

Janáky Csaba, az SZTE vegyésze az Európai Unió legjobb kutatói között

Nagy kockázat nagy haszon - a Nobel-díjas Oláh György koncepciójához is kapcsolódnak Janáky Csaba kutatásai

MTA Lendület kutatócsoportok a Szegedi Tudományegyetemen

Szabadegyetem - Szeged XVI. szemeszter: Tüzelőanyagok előállítása napenergia segítségével

Junior Prima díjat vett át Janáky Csaba, az SZTE kutatója