A napelemkutatás menetéhez jelentős mértékben hozzájárul az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport. Profiljuknak megfelelő módszerekkel vizsgáltak egy korábban figyelmen kívül hagyott anyagcsaládot, a perovszkitokat. Az orosz Lev Perovszki által felfedezett, az 1940-es évektől ismert kristályszerkezetű vegyületek optikai aktivitását ugyanis csak 2010 táján ismerték fel a kutatók.

– A hagyományos napelemekben az aktív anyag, a szilícium néhány száz mikrométer vastag, ellenben a perovszkit esetében ez mindössze néhány száz nanométer. Tehát perovszkitból ezred olyan vékony réteg is elég, hogy ugyanazt a mennyiségű fényt nyelje el, mint a szilícium-napelemekben eddig használatos anyagok – érzékeltette az újonnan felfedezett tulajdonság gyakorlati hasznát a kutatócsoport vezetője. Janáky Csaba, a Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Kémiai Intézet Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének adjunktusa és csapata választ keres a „Miért?”-re.

A perovszkitok közé tartozó vegyületek közös jellemzője, hogy három elemből állnak, kristályszerkezetük képlete: „ABX 3 ”. A szegedi kutatók négyféle anyaggal, köztük például cézium-ólom-bromid vegyületekkel foglalkoztak. E perovszkitok fotofizikai és elektrokémiai tulajdonságait, valamint a különböző határfelületi jelenségeket vizsgálták.

– Az egyik amerikai partnerünk, az University of Notre Dame kutatója, a 2017 tavaszán Szegedre is ellátogató Prashant V. Kamat 2013-2014 óta foglalkozik a perovszkitok anyagcsaládjával. Velük kezdtünk közös projektbe: az ott felhalmozott gyakorlati tudásra kíváncsian utazott Amerikába az itteni elektrokémiai és fotoelektrokémiai tudással fölvértezett doktoranduszom, Samu Gergely.

A perovszkitokkal kapcsolatos amerikai műhelytitkokat elsajátítva napi 12-16 órán át végzett kísérleteket Samu Gergely, majd eredményeit itthon értékelte mester és tanítvány, és döntött a folytatáshoz szükséges legjobb lépésről. 2017 augusztusában Janáky Csaba is ellátogatott az University of Notre Dame-ra, ahol intézeti szemináriumot tartott. Az ottani és itthoni megbeszélések inspiráló hatására bővült a kutatási téma. A kitartó kísérletezés nagyszámú adathalmazának az értelmezése 7 hónap alatt 4 cikket is eredményezett.

– A tudományos közösségben nagy a vita a perovszkitok körül. Ezek az anyagok nagyon ígéretesek, nagyon jó a fényelnyelő képességük és az elektromos tulajdonságuk, de stabilitásuk kérdéses… Ennek sok esetben az okát sem értjük. Épp ezért fontosak a vizsgálataink, amelyek az elemi folyamatokra kívánnak rávilágítani. Azt nézzük, mi történik, ha a perovszkitok fénnyel vagy vízzel, vagy oxigénnel találkoznak. Ha ezeket megértjük, akkor e folyamatokat képesek leszünk szabályozni – magyarázta az ACS Energy Letters 2017. júliusi számában publikált közleményük jelentőségét Janáky Csaba.

Metodikai jellegű cikket ritkán közölnek a szakmai lapok, bár széles közösséget szolgálnának. Ezért különleges a Chemistry of Materials új folyóiratban megjelent írásuk, amely a perovszkit rétegek elektrokémiáját és spektroelektrokémiáját anyagtudományi szempontból mutatja be. A Journal of the American Chemical Society, vagyis a JACS 2017. november 13- án fogadta el a töltéshordozó dinamika szabályozása perovszkit filmekben elektrokémiai módszerekkel témájú dolgozatukat. E JACS-cikkben vizsgálták, hogy a megvilágítás hatására az elektron–lyuk párokból az elektronok miként mennek át az elektronvezető rétegre. A negyedik publikációban a töltéshordozók vándorlásának a másik félfolyamatáról szólva arra válaszoltak, hogy a lyukvezető rétegre hogyan mennek át a pozitív töltésű lyukak. A perovszkitokkal kapcsolatos 4 cikk szerzőgárdája azonos: a két szegedi kutató mellett a világ száz legidézettebb kémikusa között szereplő amerikai professzor és doktorandusza szerepel. – Ezeknek a könnyen bomló anyagoknak az ultragyors vizsgálatára alkalmas műszer megtalálható Prashant V. Kamat laboratóriumában, de nálunk még nem áll rendelkezésre ez a lézeres technika – árulta el Janáky Csaba. – Ám az ELI-ALPS kutatóintézet laboratóriumában olyan lehetőségek nyílnak, amelyek indokolták, hogy Samu Gergely 2018 januárjától a „szegedi szuperlézeres központ” munkatársaként is folytassa az MTA–SZTE kutatócsoportban elkezdett munkát, a perovszkitokra fókuszálva.

Kísérleti vállalkozás

A szegedi egyetem két sikeres és fiatal tudósa, a kutatóorvos Berényi Antal és a vegyész Janáky Csaba az ideg- és az anyagtudományok határterületén mozogva, az EFOP-3.6.1. pályázat részeként azt vizsgálja, miként lehetséges az idegsejt-aktivitás ultragyors elektrokémiai detektálása.

Szöveg: Újszászi Ilona
Fotó: SZEM, Ú. I., Bobkó Anna

További részletek a Szegedi Egyetem magazin lapcsaládhoz tartozó Szegedi Egyetem Magazin 2018/1 számában.