SZTE magazin

Kiemelt_Janakyek

Úttörő módszerek és eredmények az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoportban

Hét hónap alatt négy cikk az Amerikai Kémiai Társaság három szaklapjában. Ez a mérlege az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport vezetője, Janáky Csaba, a Szegedi Tudományegyetem adjunktusa, a tanítványának számító doktorjelölt, Samu Gergely és amerikai partnereik együttműködésének. A két szegedi kutatót a kiemelkedő publikációs siker hátteréről kérdeztük.

Cikk nyomtatásCikk nyomtatás
Link küldésLink küldés

Újabb publikációs csokorral büszkélkedhet az SZTE TTIK Bolyai épületében kialakított laboratóriumokban dolgozó, Janáky Csaba által vezetett MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport. A Google Tudós adatai szerint 2017-ben 303 idézettséget elérő SZTE-kutató és tanítványa, a tavaly 48 idézettségig jutó Samu Gergely fél év alatt három rangos szakmai folyóiratban jelentetett meg – amerikai szerzőtársakkal együtt – közös cikket és a negyedik közlemény is hamarosan napvilágot lát.

 

JCS_es_SG

 

A perovszkitok titkai

 

– Mi a közös az Amerikai Kémiai Társaság 3 folyóiratában megjelent publikációkban?

Janáky Csaba, a Szegedi Tudományegyetem Természettudományi és Informatikai Kar Kémiai Intézet Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének adjunktusa, az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoportjának vezetője: – Mind a négy cikket közösen írtuk Samu Gergellyel, továbbá az amerikai University of Notre Dame rangos professzorával, Prashant V. Kamattal és doktoranduszával. A cikkek szerzőinek listája most is megmutatja, melyik csapat dolgozott többet a munkamegosztásban. Amikor Prashant V. Kamat az utolsó szerző, ott ő és csapata, ahol én vagyok a névsor végén ott az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport tett többet az eredményért. Közös ezekben a cikkekben, hogy igazi csapatmunka eredményei.

Samu Gergely doktorjelölt, az MTA–SZTE Lendület Fotoelektrokémiai Kutatócsoport és az ELI-ALPS munkatársa: – Egy olyan anyagcsaláddal foglalkozunk ezekben a cikkekben, melyeket korábban nem vizsgáltunk. Ez az anyagcsalád az optikailag aktív perovszkitok…

 

– Mit kell tudni ezekről az orosz Lev Perovszki által felfedezett anyagokról?

J. Cs.: – E kristályszerkezetű anyagcsalád jellemzője, hogy az ide tartozó vegyületek három elemből állnak. Például az egyik az általunk is vizsgált cézium-ólom-bromid vegyület. Az e körbe tartozó sokféle anyag közös jellemzője az „ABX3” kristályszerkezet. Mi összesen négyféle anyaggal foglalkoztunk a 2017 közepe óta megjelent 3+1 közleményünkben.


Janaky_cimlapokkalj_BA

 

– Miért pont a perovszkitok került a vizsgálódásuk homlokterébe?

J. Cs.: – Ezek az 1940-es és 1950-es évektől kezdve ismert anyagok, de csak 2010 és 2011 táján ismerték fel a kutatók, hogy a perovszkitok rendkívül jól tudják hasznosítani a fényt, optikailag rendkívül aktívak. Például 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 elnyelje, mint a szilícium-napelemekben eddig használatos anyagok.

 

– Miért?

J. Cs.: – Erre a kérdésre keressük a választ mi is. Ezt az ígéretes tulajdonságokkal rendelkező anyagcsaládot az elmúlt néhány évben világszerte kutatócsoportok százai vizsgálják. Az optikai hatásfok felismerésétől kezdve négy-öt év alatt jutottak el odáig, hogy perovszkitból 22-23 százalékos tulajdonságú napelemet tudnak készíteni. Ennek jelentőségét és a fejlesztés gyorsaságát érzékelteti, hogy a napfény árammá alakításának elméleti határa 33 százalék a napelemekben…

 

– … De ezt még egyik anyag sem éri el?

J. Cs.: – Léteznek olyan anyagok, amelyek 27-29 százalékot is elérnek, ám ezek a megoldások nagyon drágák. Többek között azért magas az áruk, mert több évtizeden át fejlesztették ezeket az anyagokat, vagy ritka elemeket tartalmaznak.


Janaky_laborban_BA

 

– A „Filléres áramot hozhatnak a perovszkitok” című, a greenport.hu portálon közzétett cikkben olvastam, hogy ezek az anyagok túl könnyen felszívódnak, nem viselik jól a párás környezetet, nincsenek gyárak, ahol költséghatékonyan előállíthatóak… Azt is írták, hogy ha a méret- és stabilitási problémákat sikerül megoldani, akkor alapjaiban változathatja meg a napenergiás iparágat a szilíciumnál sokkal olcsóbban előállítható perovszkit.

J. Cs.: – Sok kutatócsoport dolgozik ezzel az anyagcsaláddal és impresszív eredményeket érnek el. Ugyanakkor senki nem érti igazán, hogy mi történik valójában. Egy sor jelenségkört ugyanis nagyon nehéz megmagyarázni. Ráadásul a kutatói közösség 80-90 százaléka a hatásfok növekedését „hajszolja”. Vagyis a hatásfok újabb és újabb törtszázalékkal való növeléséhez képest kis erőfeszítést tesznek arra, hogy megértsék, miért ígéretes ez az anyagcsalád, miért viselkedik úgy, ahogy.

 

– És most önök értik?

J. Cs.: – Nem. Viszont azt gondolom, jelentős a hozzájárulásunk a napelem-kutatás menetéhez. Jelenleg a jellemző módszertan az, hogy fölépítik a napelemeket, vizsgálják a hatásfokukat, a stabilitásukat. Ehhez képest mi más irányban kezdtünk vizsgálódni. Kiindulópontnak tekintettük, hogy a perovszkitok optikailag aktív anyagok és félvezetők, így ezeket lehet fotoelektrokémiai módszerekkel is tanulmányozni, ami a kutatócsoportunk profilja. E témáról eddig elszórt közleményeket is alig találni. Mi tehát megnéztük, hogy milyen ezeknek az anyagoknak az elektrokémiai viselkedése. Vizsgáltuk különböző perovszkitok fotofizikai és elektrokémiai tulajdonságait, valamint a különböző határfelületi jelenségeket. Azt szeretnénk megérteni, hogy miért ennyire jók ezek az anyagok a napelemekben. Ez a motivációnk alapja.

 

 

Partner az óceánon túl

 

– Egyedül vágtak neki ezeknek a vizsgálatoknak?

J. Cs.: – Az egyik amerikai együttműködő partnerünk, az University of Notre Dame kutatója, Prashant V. Kamat 2013-2014 óta foglalkozik a perovszkitok anyagcsaládjával. Velük kezdtünk közös projektbe


SG_1

– Lehet mondani, hogy a perovszkitok miatt ment Amerikába?

S. G.: – Igen. A felhalmozott gyakorlati tudás megismerése volt az egyik cél. Mi rendelkezünk elektrokémiai tapasztalatokkal, de amerikai tanulmányutam időpontjáig nem volt kellő információnk a perovszkitokról. Ott kiderült számomra, hogy ezzel az anyagcsaláddal rendkívül nehéz dolgozni. Önmagunkban hosszú ideig tartott volna megismerni ezeknek az anyagoknak a kezelési módját. Megtudtam: az ottani PhD-hallgató is Koreából vitte az USA laboratóriumába a perovszkitokkal kapcsolatos gyakorlati tudást. Így „negyedik generációs” kutatóként ismerkedtem meg ezekkel a kristályszerkezetű anyagokkal Chicago közelében, az University of Notre Dame laboratóriumában, 2017-ben fél éven át.

 

– Az amerikai partnernek miért állt érdekében együttműködni a szegediekkel?

J. Cs.: – Mert nem foglalkoznak olyan mélységben elektrokémiával és fotoelektrokémiával, mint mi.

 

– Hogyan kell elképzelni az óceánon túli intézmény és a Tisza-parti egyetem közötti együttműködést?

J. Cs.: – Ismertük egymást konferenciákról és 2017 tavaszán Szegedre is ellátogatott Prashant V. Kamat. Az Indiában 1953-ban született professzor az Amerikai Kémiai Társaság – az angol név rövidítésével az ACS – különböző folyóiratainak volt szerkesztője és főszerkesztője, valamint jelenleg is az ACS Energy Letters főszerkesztője. Rendkívül nagy névnek számít a maga területén. Annyira tetszett neki, amit nálunk tapasztalt, hogy 2018 októberében visszatér a Szegeden rendezendő SIWAN konferenciára.

S. G.: – Janáky Csabával 2013 óta dolgozom együtt. Elő-kísérleteket végeztem itthon, majd – Kamat professzor szegedi látogatásával párhuzamosan – Amerikában megtanultam, miként kell ezekkel az érzékeny anyagokkal foglalkozni. Az ottani know-how-t megismerve, a műhelytitkokat elsajátítva folytattam a kísérleteket – napi 12–16 órán át. Majd ezeket az eredményeket itthon értékeltük…

 

– Ebből a kölcsönösségen alapuló együttműködésből, a kísérletek során keletkezett adatok értelmezéséből született négy friss publikáció. Mit tapasztal manapság egy amerikai laboratóriumban az SZTE munkaszobáiban szocializálódó kutató?

S. G.: – Nagy-nagy az önállóság – ez a fő jellemzője az amerikai labormunkának. Ott másképpen működik a PhD-hallgató és a főnöke közötti kapcsolat. Amerikában azt csinál a doktorandusz, amit szeretne. Annyi munkaórát tölt kísérletezéssel a doktorandusz, amennyit jónak lát – mindenki a saját sikerének a kovácsa... Mivel nekem limitált volt az ott eltölthető időm, igyekeztem azt minél jobban kihasználni. Janáky Csaba ERC-projektje támogatásával juthattam el Amerikába, ahol napi 12+ órát töltöttem a laboratóriumban. Elvarázsolt, hogy a szakma egyik legjelentősebb kutatója, Prashant V. Kamat mellett dolgozhatom! Inspiráló személyiségként támogatja mindazokat, akik hajlandóak dolgozni: velünk ötletelt, a „földön maradt” annak ellenére, hogy neve a világ száz legidézettebb kémikusa között szerepel…

J. Cs.: – Pörögtek az eredmények: látszott, hogy bejött az ötletünk… Gergővel a témát előre megbeszéltük, aztán heti kapcsolatban álltunk, értékeltük az eredményeket. A szűkös idő miatt rendre igyekeztük kiválasztani a folytatáshoz szükséges legjobb lépést. Ráadásul 2017 augusztusában én is ellátogathattam az University of Notre Dame-re, ahol intézeti szemináriumot tartotta. Az ottani megbeszélésünkön Gergő kapott egy újabb témát, és szerencsére ebből az ötletemből is cikk született.

S. G.: – Technikailag két témavezetőm volt: Janáky Csaba elektrokémiai szempontból, míg Prashant V. Kamat fotofizikai szempontból. Így a kísérleti eredmények értelmezésében két irányból is instrukciókat kaptam. Nekem csak annyi volt a dolgom, hogy ezeket „egybe gyúrjam”.


Notre_dame_foto

 

– Milyen plusz található az amerikai laboratóriumban a szegedihez viszonyítva?

J. Cs.: – 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. Ám az ELI-ALPS kutatóintézet laboratóriumában olyan lehetőségek nyílnak, amelyek indokolták, hogy Samu Gergely 2018. januárjától a „szegedi szuperlézeres központ” munkatársaként is folytatja a nálunk elkezdett munkát.

 

 

Az ELI-hez szabott téma

 

– Doktoranduszának azért lett az a témája, ami, mert a kutatási irányt az ELI-ALPS elkészültéhez szabták?

J. Cs.: – Igen, mondhatjuk… Ki szeretnénk használni azt újdonságot, azt a műszeres kapacitást, ami majd rendelkezésre áll a szegedi ELI-ben.

 

– De az is újdonság, hogy Janáky Csaba – Kelet- és Közép-Európában egyetlenként – bekerült az Amerikai Kémiai Társaság, azaz az American Chemical Society, az ACS másfél éve alapított Energy Letters című folyóirata szerkesztőbizottságába. Hogyan jellemezné azokat a lapokat, amelyek ilyen rövid idő alatt négy cikküket is közölték?

J. Cs.: – Az energia kérdésének kémiai aspektusaival foglalkozik az ACS Energy Letters. Az indulás erejét mutatja, hogy a lap első impaktfaktora 12 körüli lesz, vagyis rendkívül erősnek számít. Tehát ez az új lap is minőségi folyóirat. A további három közül az ACS legjobb lapja a JACS, míg az anyagtudományban az egyik legjobbnak számít a Chemistry of Materials.

S. G.: – Eddig 17 közleménynél és egy könyvfejezetnél szerepel a nevem. E publikációk „teteje” az elmúlt fél évben megjelent négy cikk, melyek közül kettőben a szegedi doktorjelöltként én lehettem az első szerző.


SG_es_JCS

 

– Hogyan született az első, az ACS Energy Letters 2017 júliusi számában publikált napelemes közlemény, melynek címe – magyarul – annyi, hogy Miként befolyásolja a megvilágítás a vegyes perovszkit napelemek teljesítményét, azaz A Victim of Halide Ion Segregation…?

S. G.: – Érdekes tulajdonsága ezeknek a perovszkitoknak, hogy széleskörűen lehet hangolni optikai tulajdonságaikat, vagyis, hogy a napfénynek milyen tartományát nyelik el. Így aztán olyan vegyes perovszkitok állíthatók össze, amelyek – bár lefedik a napfény sprektumát – könnyen széteshetnek két alkotóelemükre. Ez befolyásolhatja a napelemek hatékonyságát. E jelenséget ismerték és vizsgálták is korábban. Viszont azt nem nézték meg, hogy ez miként hat az áramtermelés folyamatára. És azt sem nézték meg előttünk, hogy ez az anyag a sötétbe kerülve újra visszaáll-e eredeti, azaz kezdeti áramtermelői minőségébe. Mi megállapítottuk, hogy az anyag elektromos sajátságai követik az optikai sajátságok visszaállását. Ám ez sokkal lassabb folyamat. Vagyis míg 2–3 óra alatt „szétesik” a perovszkit, addig 36 óránál is több kell ahhoz, hogy visszanyerje eredeti elektromos tulajdonságait. A méréseket Prashant V. Kamat professzor ötlete nyomán végeztem el.


Janaky_ablaknal_BA

– Mindennek mi a következménye?

J. Cs.: – A tudományos közösségben nagy a vita a perovszkitok körül. Ezeknek 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.

 

– Miután megtanultak dolgozni ezekkel a különleges anyagokkal, mi lett a következő lépés?

J. Cs.: – Elektrokémikusként kezdtük vizsgálni ezeket a különleges perovszkitokat. Immár nem napelem alkotórészeként, hanem különálló elektródként kezdtük el használni. E vizsgálati eredményekből született meg a következő két cikk.

 

– A Chemistry of Materials című folyóiratban megjelent cikknél Samu Gergely az első, Janáky Csaba az utolsó szerző. Mi az itt leírt munkájuk eredményének az esszenciája?

J. Cs.: – Nekem is ez az első publikációm a Chemistry of Materials, rövidítve a CM című folyóiratban. Közleményünk címe: Electrochemistry and Spectroelectrochemistry of Lead Halide Perovskite Films: Materials Sinece Aspects and Boundary Conditions, melyben a perovszkit rétegek elektrokémiáját és spektroelektrokémiáját vizsgáltuk anyagtudományi szempontból. Ilyen metodikai jellegű cikket ritkán közölnek a szakmai lapok, bár széles közösséget szolgálnának. Leírtuk: ha valaki elektrokémiai vizsgálatokat szeretne végezni perovszkit elektródokkal, akkor hogyan kell eljárnia ahhoz, hogy eredményes legyen a munkája. Tehát nem arra fektettük a hangsúlyt, hogy megvizsgáltuk a perovszkitokat elektrokémiailag, hanem – didaktikai jelleggel – meghatároztuk, hogy milyen körülmények között szabad mérni és az így nyert eredményekből milyen típusú következtetést lehet levonni. Tehát a CM-ben megmutattuk, hogyan lehet elektrokémiát csinálni a perovszkitokkal.

S. G.: – Ugyanis különböző közleményeket olvasva tapasztaltuk: sok kutató nagyot ugrott, és az elektrokémiai alapokat kihagyta vizsgálataiból.

 

– Minek alapján dönti el egy kutató, hogy mely témáról mely folyóiratnak küld cikket?

J. Cs.: – Elsősorban a lap olvasóközönségét vizsgáljuk. Ennek ismeretében döntöttünk, hogy anyagtudományi és anyagkémiai aspektusú témájú cikkünket az elektrokémikusok, az energiakutatással foglalkozó kutatók, a fotofizikusok által olvasott CM folyóiratnak ajánljuk fel közlésre. Nem elhanyagolható a hatás, vagyis az adott lap impaktfaktora. A harmadik elem a gyorsaság: a perovszkitok rendkívül kompetitív terület, nagyon hasonló típusú közlemnyek születnek, ezért lényeges, hogy minél rövidebb átfutási idővel jelenjen meg a cikk. Például a Journal of the American Chemical Society, vagyis a JACS számára 2017. október 13-án küldtük el a szöveget és – a bírálatot és az átdolgozást követően – 2017. november 13-án már el is fogadták a töltéshordozó dinamika szabályozása perovskit filmekben elektrokémiai módszerekkel, azaz a Modulation of Charge Recombination in CsPbBr3 Perovskite Films with Electrochemical Bias című cikkünket.

 

– Milyen ötleten alapszik a JACS-cikkük?

J. Cs.: – Az ELI kapcsán több mint egy éven át érlelődött bennem az ultragyors lézerfizikai vizsgálatok elektrokémiával való kombinálásának ötlete. Valamilyen fényforrással megvilágítunk egy félvezetőt, abban létrehozunk elektronlyuk–párokat, s azt nézzük, hogy ezek élettartama milyen, mennyi idő alatt szűnik meg. Létező vizsgálatok széles körben használják ezt a módszert. Ám felvetődött bennem, hogy mi lenne, ha nem vákuumban vagy levegőn vizsgálnánk így egy elektródot, hanem betennénk egy elektrokémiai cellába és úgy használnánk, mint egy elektródot – mint ahogyan később szeretnénk is –, és közben végezzük el a vizsgálatokat. Ezeket „in situ” vagy „operando” vizsgálatoknak nevezik. Ez nagy lépés a steril vagy izolált körülmények között elvégzett mérésekhez képest, hiszen azok az eredmények valós körülmények között nem biztos, hogy megállják a helyüket. Itt az elektrokémiát összekombináltuk ultragyors lézer-spektroszkópiás vizsgálatokkal, a nagyon népszerű perovszkitok anyagcsalád modellrendszerét használva. Bebizonyítottuk, hogy lehet ilyen vizsgálatokat végezni, miközben felismertük: a külső elektrokémiai kontrol befolyásolja a töltéshordozó dinamikát egy napelem elrendezésben. Ráadásul számszerűsíteni is tudtuk: attól függően, hogy milyen elektrokémiai manipulációt alkalmazunk, az milyen változást okoz a folyamatok sebességében.

S. G.: – Azt is észrevettük, hogy még annak is szerepe van, hogy milyen réteg van a perovszkit réteg alatt a napelemben. Az ELI-ben lesz egy ilyen mérési elrendezés, folyamatban van ennek a kiépítése.


Janaky_2_BA

 

– A negyedik cikk is a napelemmel foglalkozik?

J. Cs.: – A JACS-cikkben vizsgáltuk, hogy a megvilágítás hatására az elektron–lyuk párokból az elektronok miként mennek át az elektron-vezető rétegre, míg e negyedik, jelenleg bírálati fázisban lévő cikkünknek az a témája, hogy a lyukvezető rétegre hogyan mennek át a pozitív töltésű lyukak. Tehát a töltéshordozók vándorlásának a másik fél-folyamatát vizsgáltuk.

 

– Hol tartanak a perovszkit anyagok megismerésében?

J. Cs.: – Olyan új irányok nyíltak meg, amelyeket csak reméltünk a kutatás kezdetén. Éppen ezért Samu Gergely újabb fél évre Amerikába utazik, hogy – azzal párhuzamosan, ahogy az ELI-ben épül a berendezés – kísérleteket folytatva azt kiderítse, hogy a perovszkitok miként használhatóak fotoelektródként különböző – akár széndioxid-redukciós, akár vízbontási folyamatokban. Ha egyszer ismerjük, miként viselkednek ezek a perovszkitok, akkor ezeket fotoelektródként is lehet használni. Márpedig a mi fő profilunk új fotoelektródok tervezése és használata. Nagyon bizakodó vagyok, mert Samu Gergely jó példája, stabil alaptudása, jó együttműködési készsége viszi a jó hírét az SZTE-nek Amerikába! Olyan mennyiségű kísérleti munkát végzett, hogy abból le lehetett vonni fontos konklúziókat, amiket feleannyi mérésből nem lehetett volna. Gergő elhitte és Amerikában is bizonyítja, ami itthoni gyakorlat a csoportban: dolgozni, vagyis mérni és mérni és mérni kell!

 

Újszászi Ilona

Fotó: Bobkó Anna, Ú. I.

Cikk nyomtatásCikk nyomtatás
Link küldésLink küldés

Letöltés

SZEM_borito_HUN_2018 SZEM_2018_cover_eng

SZEM_magyar_borito SZEM_angol_borito