Superkeçirici YBa2Cu3O6.96 keramikasında fotovoltaik effektin mənşəyi

nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. CSS üçün məhdud dəstəyi olan brauzer versiyasından istifadə edirsiniz. Ən yaxşı təcrübəni əldə etmək üçün daha müasir brauzerdən istifadə etməyinizi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyinizi) tövsiyə edirik. Bu vaxt ərzində davamlı dəstəyi təmin etmək üçün saytı stillər və JavaScript olmadan göstəririk.

YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasında 50 ilə 300 K arasında mavi lazer işıqlandırması ilə induksiya edilən diqqətəlayiq fotovoltaik effekti bildiririk ki, bu da birbaşa YBCO-nun superkeçiriciliyi və YBCO-metal elektrod interfeysi ilə əlaqəlidir. YBCO superkeçiricilikdən müqavimət vəziyyətinə keçdikdə açıq dövrə gərginliyi Voc və qısaqapanma cərəyanı Isc üçün polyarlıq tərsinə çevrilir. Biz göstəririk ki, superkeçirici-normal metal interfeysində foto-induksiyalı elektron-dəlik cütləri üçün ayrılma qüvvəsi təmin edən elektrik potensialı mövcuddur. Bu interfeys potensialı YBCO superkeçirici olduqda YBCO-dan metal elektroda yönəlir və YBCO superkeçiricilikdən çıxdıqda əks istiqamətə keçir. Potensialın mənşəyi, YBCO superkeçirici olduqda metal-superkeçirici interfeysində yaxınlıq effekti ilə asanlıqla əlaqələndirilə bilər və onun dəyəri 502 mV/sm2 lazer intensivliyi ilə 50 K-də ~10-8 mV olduğu təxmin edilir. Normal vəziyyətdə olan p-tipli YBCO materialının n-tipli Ag-pasta materialı ilə birləşməsi, yüksək temperaturda YBCO keramikasının fotovoltaik davranışından məsul olan kvazi-pn qovşağı əmələ gətirir. Tapıntılarımız foton-elektron cihazlarının yeni tətbiqlərinə yol aça və superkeçirici-metal sərhədindəki yaxınlıq effektinə daha çox işıq sala bilər.

Yüksək temperaturlu superkeçiricilərdə fotoinduksiyalı gərginlik 1990-cı illərin əvvəllərində bildirilmiş və o vaxtdan bəri geniş şəkildə araşdırılmışdır, lakin onun təbiəti və mexanizmi hələ də aydın deyil1,2,3,4,5. Xüsusilə YBa2Cu3O7-δ (YBCO) nazik təbəqələri6,7,8 tənzimlənən enerji boşluğuna görə fotovoltaik (PV) element şəklində intensiv şəkildə öyrənilir9,10,11,12,13. Lakin substratın yüksək müqaviməti həmişə cihazın aşağı çevrilmə səmərəliliyinə gətirib çıxarır və YBCO8-in ilkin PV xüsusiyyətlərini gizlədir. Burada 50 ilə 300 K (Tc ~ 90 K) arasında YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasında mavi lazer (λ = 450 nm) işıqlandırması ilə induksiya edilən diqqətəlayiq fotovoltaik effekti bildiririk. PV effektinin birbaşa YBCO-nun superkeçiriciliyi və YBCO-metal elektrod interfeysinin təbiəti ilə əlaqəli olduğunu göstəririk. YBCO ifratkeçirici fazadan müqavimət vəziyyətinə keçdikdə açıq dövrə gərginliyi Voc və qısaqapanma cərəyanı Isc üçün polyarlıq dəyişikliyi baş verir. Foto ilə induksiya olunmuş elektron-dəşik cütləri üçün ayrılma qüvvəsini təmin edən ifratkeçirici-normal metal interfeysində elektrik potensialının mövcud olduğu irəli sürülür. Bu interfeys potensialı YBCO ifratkeçirici olduqda YBCO-dan metal elektroda yönəlir və nümunə ifratkeçirici olmadıqda əks istiqamətə keçir. Potensialın mənşəyi təbii olaraq YBCO ifratkeçirici olduqda metal-ifratkeçirici interfeysində yaxınlıq effekti ilə əlaqələndirilə bilər14,15,16,17 və onun dəyəri 502 mV/sm2 lazer intensivliyi ilə 50 K-də ~10−8 mV olaraq qiymətləndirilir. Normal vəziyyətdə olan p-tipli YBCO materialının n-tipli Ag-pasta materialı ilə birləşməsi, çox güman ki, yüksək temperaturda YBCO keramikasının PV davranışından məsul olan kvazi-pn qovşağı əmələ gətirir. Müşahidələrimiz yüksək temperaturlu ifratkeçirici YBCO keramikasında PV effektinin mənşəyinə daha çox işıq salır və onun sürətli passiv işıq detektoru kimi optoelektron cihazlarda tətbiqi üçün yol açır.

Şəkil 1a–c, YBCO keramika nümunəsinin 50 K-də IV xüsusiyyətlərini göstərir. İşıqlandırma olmadan, nümunə üzərindəki gərginlik dəyişən cərəyanla sıfırda qalır, bu da ifrat keçirici materialdan gözlənilə bilər. Lazer şüası katoda yönəldildikdə açıq-aydın fotovoltaik effekt yaranır (Şəkil 1a): I oxuna paralel IV əyriləri artan lazer intensivliyi ilə aşağıya doğru hərəkət edir. Heç bir cərəyan olmadan belə (tez-tez açıq dövrə gərginliyi Voc adlanır) mənfi fotoinduksiya gərginliyinin olduğu aydındır. IV əyrisinin sıfır meyli, nümunənin lazer işıqlandırması altında hələ də ifrat keçirici olduğunu göstərir.

(a–c) və 300 K (e–g). V(I) dəyərləri vakuumda cərəyanı −10 mA-dan +10 mA-ya qədər sürüşdürməklə əldə edilmişdir. Aydınlıq üçün eksperimental məlumatların yalnız bir hissəsi təqdim olunur. a, Katodda (i) yerləşdirilmiş lazer nöqtəsi ilə ölçülən YBCO-nun cərəyan-gərginlik xüsusiyyətləri. Bütün IV əyriləri lazer şüalanması ilə nümunənin hələ də ifrat keçirici olduğunu göstərən üfüqi düz xətlərdir. Əyri artan lazer intensivliyi ilə aşağıya doğru hərəkət edir və bu da sıfır cərəyanla belə iki gərginlik naqili arasında mənfi potensialın (Voc) mövcud olduğunu göstərir. Lazer nümunənin mərkəzinə 50 K (b) və ya 300 K (f) efirində yönəldildikdə IV əyriləri dəyişməz qalır. Anod işıqlandırıldıqca üfüqi xətt yuxarıya doğru hərəkət edir (c). 50 K-də metal-ifrat keçirici qovşağının sxematik modeli d-də göstərilmişdir. Katod və anodda yönəldilmiş lazer şüası ilə ölçülən 300 K-də normal vəziyyət YBCO-nun cərəyan-gərginlik xüsusiyyətləri müvafiq olaraq e və g-də verilmişdir. 50 K-də nəticələrdən fərqli olaraq, düz xətlərin sıfırdan fərqli meyli YBCO-nun normal vəziyyətdə olduğunu göstərir; Voc dəyərləri əks istiqamətdə işıq intensivliyi ilə dəyişir və bu da fərqli bir yük ayrılma mexanizmini göstərir. 300 K-də mümkün interfeys quruluşu hj-də təsvir edilmişdir. Nümunənin naqillərlə real mənzərəsi.

Superkeçirici vəziyyətdə olan oksigenlə zəngin YBCO, çox kiçik enerji boşluğu (Eg)9,10 sayəsində günəş işığının demək olar ki, bütün spektrini udmaqla elektron-dəlik cütləri (e–h) yarada bilər. Fotonların udulması ilə açıq dövrə gərginliyi olan Voc yaratmaq üçün rekombinasiya baş verməzdən əvvəl foto ilə yaradılan eh cütlərini fəza baxımından ayırmaq lazımdır18. Şəkil 1i-də göstərildiyi kimi, katod və anoda nisbətən mənfi Voc, metal-superkeçirici interfeysində elektronları anoda, dəlikləri isə katoda aparan elektrik potensialının mövcud olduğunu göstərir. Əgər belədirsə, anodda superkeçiricidən metal elektroda yönəlmiş potensial da olmalıdır. Nəticə etibarilə, anodun yaxınlığındakı nümunə sahəsi işıqlandırılarsa, müsbət Voc əldə ediləcəkdir. Bundan əlavə, lazer nöqtəsi elektrodlardan uzaq ərazilərə yönəldildikdə foto ilə induksiya edilmiş gərginlik olmamalıdır. Şəkil 1b,c-dən də göründüyü kimi, bu, əlbəttə ki, belədir.

İşıq ləkəsi katod elektrodundan nümunənin mərkəzinə doğru hərəkət etdikdə (interfeyslərdən təxminən 1,25 mm aralıda), lazer intensivliyinin mövcud olan maksimum dəyərə qədər artması ilə IV əyrilərində və Voc-də heç bir dəyişiklik müşahidə olunmur (Şəkil 1b). Təbii ki, bu nəticə fotoinduksiyalı daşıyıcıların məhdud ömrü və nümunədə ayrılma qüvvəsinin olmaması ilə əlaqələndirilə bilər. Nümunə işıqlandırıldıqda elektron-dəlik cütləri yarana bilər, lakin lazer ləkəsi elektrodların hər hansı birindən uzaq ərazilərə düşərsə, e-h cütlərinin əksəriyyəti məhv olacaq və heç bir fotovoltaik effekt müşahidə olunmur. Lazer ləkəsini anod elektrodlarına hərəkət etdirdikdə, I oxuna paralel IV əyriləri artan lazer intensivliyi ilə yuxarı doğru hərəkət edir (Şəkil 1c). Anoddakı metal-ifrat keçirici qovşağında oxşar daxili elektrik sahəsi mövcuddur. Lakin, metal elektrod bu dəfə sınaq sisteminin müsbət naqilinə birləşir. Lazer tərəfindən yaradılan dəliklər anod naqilinə itələnir və beləliklə, müsbət Voc müşahidə olunur. Burada təqdim olunan nəticələr, superkeçiricidən metal elektroda doğru yönəlmiş bir sərhəd potensialının mövcud olduğuna dair güclü dəlillər təqdim edir.

YBa2Cu3O6.96 keramikasında 300 K temperaturda fotovoltaik effekt Şəkil 1e–g-də göstərilmişdir. İşıq işıqlandırması olmadan, nümunənin IV əyrisi başlanğıc nöqtəsini kəsən düz xəttdir. Bu düz xətt katod naqillərində artan lazer intensivliyi ilə orijinala paralel yuxarıya doğru hərəkət edir (Şəkil 1e). Fotovoltaik cihaz üçün iki məhdudlaşdırıcı hal mövcuddur. Qısaqapanma vəziyyəti V = 0 olduqda baş verir. Bu halda cərəyan qısaqapanma cərəyanı (Isc) adlanır. İkinci məhdudlaşdırıcı hal R→∞ və ya cərəyan sıfır olduqda baş verən açıq dövrə vəziyyətidir (Voc). Şəkil 1e aydın şəkildə göstərir ki, Voc müsbətdir və 50 K-də əldə edilən nəticədən fərqli olaraq artan işıq intensivliyi ilə artır; mənfi Isc-in isə işıq işıqlandırması ilə böyüklüyünün artması müşahidə olunur ki, bu da normal günəş batareyalarının tipik davranışıdır.

Eynilə, lazer şüası elektrodlardan uzaq ərazilərə yönəldildikdə, V(I) əyrisi lazer intensivliyindən asılı deyil və heç bir fotovoltaik effekt yaranmır (Şəkil 1f). 50 K-də ölçməyə bənzər şəkildə, IV əyriləri anod elektrodu şüalandırıldıqca əks istiqamətə doğru hərəkət edir (Şəkil 1g). Nümunənin müxtəlif mövqelərində lazer şüalandırıldığı 300 K-də bu YBCO-Ag pasta sistemi üçün əldə edilən bütün bu nəticələr, 50 K-də müşahidə edilənə əks olan interfeys potensialı ilə uyğun gəlir.

Superkeçirici YBCO-da elektronların əksəriyyəti Tc keçid temperaturundan aşağıda yerləşən Kuper cütlüklərində kondensasiya olunur. Metal elektrodda olarkən bütün elektronlar tək formada qalır. Metal-superkeçirici interfeysinin yaxınlığında həm tək elektronlar, həm də Kuper cütlükləri üçün böyük bir sıxlıq qradiyenti mövcuddur. Metal materialdakı əksəriyyət daşıyıcı tək elektronlar superkeçirici bölgəyə yayılacaq, YBCO bölgəsindəki əksəriyyət daşıyıcı Kuper cütlükləri isə metal bölgəsinə yayılacaq. Tək elektronlardan daha çox yük daşıyan və daha böyük hərəkətliliyə malik Kuper cütlükləri YBCO-dan metal bölgəyə yayıldıqca, müsbət yüklü atomlar geridə qalır və bu da fəza yükü bölgəsində elektrik sahəsinin yaranmasına səbəb olur. Bu elektrik sahəsinin istiqaməti sxematik diaqramda (Şəkil 1d) göstərilmişdir. Fəza yükü bölgəsinə yaxın düşən foton işıqlanması, tərs istiqamətdə foto cərəyan yaradan ayrılacaq və süpürüləcək eh cütlükləri yarada bilər. Elektronlar daxili elektrik sahəsindən çıxan kimi cütlərə ayrılır və müqavimət göstərmədən digər elektroda axır. Bu halda, Voc əvvəlcədən təyin edilmiş qütblüyə ziddir və lazer şüası mənfi elektrodun ətrafındakı sahəyə yönəldikdə mənfi bir dəyər göstərir. Voc dəyərindən, sərhəd boyunca potensialı qiymətləndirmək olar: iki gərginlik naqili arasındakı məsafə d ~5 × 10−3 m-dir, metal-superkeçirici sərhədinin qalınlığı, di, YBCO superkeçiricisinin koherentlik uzunluğu (~1 nm)19,20 ilə eyni böyüklük sırasına malik olmalıdır, Voc dəyərini = 0,03 mV götürün, metal-superkeçirici sərhədindəki potensial Vms, 502 mV/sm2 lazer intensivliyi ilə 50 K-də ~10−11 V olaraq qiymətləndirilir, tənlikdən istifadə edərək,

Burada vurğulamaq istəyirik ki, fotoinduksiya gərginliyi fototermik effektlə izah edilə bilməz. Təcrübi olaraq müəyyən edilmişdir ki, superkeçirici YBCO-nun Seebeck əmsalı Ss = 021-dir. Mis qurğuşun naqilləri üçün Seebeck əmsalı SCu = 0.34–1.15 μV/K3 diapazonundadır. Lazer nöqtəsindəki mis naqilinin temperaturu 50 K-də maksimum lazer intensivliyi ilə az miqdarda 0.06 K artırıla bilər. Bu, Şəkil 1 (a)-da əldə edilən Voc-dan üç dərəcə kiçik olan 6.9 × 10−8 V termoelektrik potensial yarada bilər. Termoelektrik effektin təcrübi nəticələri izah etmək üçün çox kiçik olduğu aydındır. Əslində, lazer şüalanmasından qaynaqlanan temperatur dəyişikliyi bir dəqiqədən az müddətdə yox olacaq, buna görə də istilik effektinin töhfəsi təhlükəsiz şəkildə nəzərə alınmayacaq.

Otaq temperaturunda YBCO-nun bu fotovoltaik təsiri burada fərqli bir yük ayrılma mexanizminin iştirak etdiyini göstərir. Normal vəziyyətdə superkeçirici YBCO, yük daşıyıcısı kimi dəlikləri olan p-tipli bir materialdır22,23, metal Ag-pastası isə n-tipli bir materialın xüsusiyyətlərinə malikdir. pn qovşaqlarına bənzər şəkildə, YBCO keramikasında gümüş pastasında elektronların və dəliklərin diffuziyası, sərhəddə YBCO keramikasına yönəlmiş daxili elektrik sahəsi yaradacaq (Şəkil 1h). Məhz bu daxili sahə, Şəkil 1e-də göstərildiyi kimi, ayrılma qüvvəsini təmin edir və otaq temperaturunda YBCO-Ag pasta sistemi üçün müsbət Voc və mənfi Isc-yə səbəb olur. Alternativ olaraq, Ag-YBCO, yuxarıda təqdim olunan modeldə olduğu kimi eyni polyarlığa malik sərhəd potensialına səbəb olan p-tipli Şottki qovşağı yarada bilər24.

YBCO-nun superkeçirici keçidi zamanı fotovoltaik xüsusiyyətlərin ətraflı təkamül prosesini araşdırmaq üçün, 80 K-də nümunənin IV əyriləri katod elektrodunda işıqlandırılan seçilmiş lazer intensivliyi ilə ölçüldü (Şəkil 2). Lazer şüalanması olmadan, nümunə üzərindəki gərginlik cərəyandan asılı olmayaraq sıfırda qalır və bu da nümunənin 80 K-də superkeçirici vəziyyətini göstərir (Şəkil 2a). 50 K-də əldə edilən məlumatlara bənzər şəkildə, I oxuna paralel IV əyriləri, kritik dəyər Pc çatana qədər lazer intensivliyi artdıqca aşağıya doğru hərəkət edir. Bu kritik lazer intensivliyindən (Pc) yuxarıda, superkeçirici superkeçirici fazadan müqavimət fazasına keçiddən keçir; superkeçiricidə müqavimətin görünməsi səbəbindən gərginlik cərəyanla artmağa başlayır. Nəticədə, IV əyrisi I oxu və V oxu ilə kəsişməyə başlayır və əvvəlcə mənfi Voc və müsbət Isc-yə gətirib çıxarır. İndi nümunə Voc və Isc polyarlığının işığın intensivliyinə son dərəcə həssas olduğu xüsusi bir vəziyyətdə görünür; İşıq intensivliyində çox kiçik bir artımla Isc müsbətdən mənfiyə, Voc isə mənfidən müsbətə çevrilir və mənşəyini keçir (fotovoltaik xüsusiyyətlərin, xüsusən də Isc-nin dəyəri, işığın işıqlandırılmasına yüksək həssaslığı Şəkil 2b-də daha aydın görünür). Mövcud olan ən yüksək lazer intensivliyində IV əyriləri bir-birinə paralel olmaq niyyətindədir ki, bu da YBCO nümunəsinin normal vəziyyətini göstərir.

Lazer nöqtəsi mərkəzi katod elektrodlarının ətrafında yerləşir (Şəkil 1i-yə baxın). a, Müxtəlif lazer intensivlikləri ilə şüalandırılmış YBCO-nun IV əyriləri. b (yuxarı), Açıq dövrə gərginliyi Voc və qısaqapanma cərəyanının lazer intensivliyindən asılılığı Isc. Nümunə ifratkeçirici vəziyyətdə olduqda IV əyriləri I oxuna paralel olduğundan, Isc dəyərləri aşağı işıq intensivliyində (<110 mVt/sm2) əldə edilə bilməz. b (alt), lazer intensivliyinin funksiyası kimi diferensial müqavimət.

80 K-də Voc və Isc-in lazer intensivliyindən asılılığı Şəkil 2b-də (yuxarıda) göstərilmişdir. Fotovoltaik xüsusiyyətlər işıq intensivliyinin üç bölgəsində müzakirə edilə bilər. Birinci bölgə 0 ilə Pc arasındadır, burada YBCO ifratkeçiricidir, Voc mənfidir və işıq intensivliyi ilə azalır (mütləq dəyər artır) və Pc-də minimuma çatır. İkinci bölgə Pc-dən başqa bir kritik intensivlik P0-a qədərdir, burada Voc artır, Isc isə işıq intensivliyi artdıqca azalır və hər ikisi P0-da sıfıra çatır. Üçüncü bölgə YBCO-nun normal vəziyyətinə çatana qədər P0-dan yuxarıdır. Həm Voc, həm də Isc 2-ci bölgədəki kimi işıq intensivliyi ilə dəyişsələr də, kritik intensivlik P0-dan yuxarıda əks polyarlığa malikdirlər. P0-un əhəmiyyəti ondadır ki, fotovoltaik effekt yoxdur və yük ayrılma mexanizmi bu nöqtədə keyfiyyətcə dəyişir. YBCO nümunəsi bu işıq intensivliyi diapazonunda qeyri-ifratkeçirici olur, lakin hələ çatılmamış normal vəziyyətə çatır.

Aydındır ki, sistemin fotovoltaik xüsusiyyətləri YBCO-nun superkeçiriciliyi və onun superkeçirici keçidi ilə sıx bağlıdır. YBCO-nun diferensial müqaviməti, dV/dI, Şəkil 2b-də (aşağıda) lazer intensivliyinin funksiyası kimi göstərilmişdir. Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, Kuper cütünün superkeçiricidən metala diffuziya nöqtələri səbəbindən sərhəddə elektrik potensialının qurulması. 50 K-də müşahidə edilənə bənzər şəkildə, fotovoltaik effekt lazer intensivliyinin 0-dan Pc-yə qədər artması ilə artır. Lazer intensivliyi Pc-dən bir qədər yuxarı bir dəyərə çatdıqda, IV əyrisi əyilməyə başlayır və nümunənin müqaviməti görünməyə başlayır, lakin sərhəd potensialının polyarlığı hələ dəyişməyib. Optik həyəcanın superkeçiriciliyə təsiri görünən və ya yaxın İQ bölgəsində araşdırılmışdır. Əsas proses Kuper cütlərini parçalamaq və superkeçiriciliyi məhv etmək olsa da, bəzi hallarda superkeçiricilik keçidi gücləndirilə bilər27,28,29, hətta superkeçiriciliyin yeni fazaları da induksiya edilə bilər30. Pc-də superkeçiriciliyin olmaması fotoinduksiyalı cütün qırılması ilə əlaqələndirilə bilər. P0 nöqtəsində, interfeysdəki potensial sıfıra bərabər olur və bu, interfeysin hər iki tərəfindəki yük sıxlığının bu xüsusi işıqlandırma intensivliyi altında eyni səviyyəyə çatdığını göstərir. Lazer intensivliyinin daha da artması daha çox Kuper cütünün məhv olmasına və YBCO-nun tədricən p tipli materiala çevrilməsinə səbəb olur. Elektron və Kuper cütünün diffuziyası əvəzinə, interfeysin xüsusiyyəti artıq elektron və dəlik diffuziyası ilə müəyyən edilir ki, bu da interfeysdəki elektrik sahəsinin polyarlığının tərsinə çevrilməsinə və nəticədə müsbət Voc-yə səbəb olur (Şəkil 1d, h ilə müqayisə edin). Çox yüksək lazer intensivliyində YBCO-nun diferensial müqaviməti normal vəziyyətə uyğun bir dəyərə qədər doyur və həm Voc, həm də Isc lazer intensivliyi ilə xətti olaraq dəyişməyə meyllidir (Şəkil 2b). Bu müşahidə göstərir ki, normal vəziyyət YBCO-da lazer şüalanması artıq onun müqavimətini və superkeçirici-metal interfeysinin xüsusiyyətini dəyişdirməyəcək, yalnız elektron-dəlik cütlərinin konsentrasiyasını artıracaq.

Temperaturun fotovoltaik xüsusiyyətlərə təsirini araşdırmaq üçün metal-ifratkeçirici sistemi katodda 502 mVt/sm2 intensivliyə malik mavi lazerlə şüalandırılmışdır. 50 ilə 300 K arasında seçilmiş temperaturlarda əldə edilən IV əyriləri Şəkil 3a-da verilmişdir. Açıq dövrə gərginliyi Voc, qısaqapanma cərəyanı Isc və diferensial müqavimət daha sonra bu IV əyrilərindən əldə edilə bilər və Şəkil 3b-də göstərilmişdir. İşıqlandırma olmadan, müxtəlif temperaturlarda ölçülən bütün IV əyriləri gözlənildiyi kimi başlanğıc nöqtəsindən keçir (Şəkil 3a-nın əlavəsi). Sistem nisbətən güclü lazer şüası (502 mVt/sm2) ilə işıqlandırıldıqda IV xüsusiyyətləri temperaturun artması ilə kəskin şəkildə dəyişir. Aşağı temperaturlarda IV əyriləri Voc-nin mənfi dəyərləri olan I oxuna paralel düz xətlərdir. Bu əyri temperaturun artması ilə yuxarıya doğru hərəkət edir və tədricən kritik temperatur Tcp-də sıfır olmayan bir yamaclı bir xəttə çevrilir (Şəkil 3a (yuxarı)). Görünür, bütün IV xarakterik əyriləri üçüncü kvadrantda bir nöqtə ətrafında fırlanır. Voc mənfi dəyərdən müsbət dəyərə qədər artır, Isc isə müsbətdən mənfi dəyərə qədər azalır. YBCO-nun orijinal ifratkeçirici keçid temperaturu Tc-dən yuxarıda, IV əyrisi temperaturla olduqca fərqli şəkildə dəyişir (Şəkil 3a-nın alt hissəsi). Birincisi, IV əyrilərinin fırlanma mərkəzi birinci kvadranta doğru hərəkət edir. İkincisi, temperatur artdıqca Voc azalmağa, Isc isə artır (Şəkil 3b-nin yuxarı hissəsi). Üçüncüsü, IV əyrilərinin meyli temperaturla xətti olaraq artır və nəticədə YBCO üçün müsbət temperatur müqavimət əmsalı yaranır (Şəkil 3b-nin alt hissəsi).

502 mVt/sm2 lazer işıqlandırması altında YBCO-Ag pasta sistemi üçün fotovoltaik xüsusiyyətlərin temperaturdan asılılığı.

Lazer nöqtəsi mərkəzi katod elektrodlarının ətrafında yerləşir (Şəkil 1i-yə baxın). a, müvafiq olaraq 5 K və 20 K temperatur artımı ilə 50-dən 90 K-ə (yuxarı) və 100-dən 300 K-ə (aşağı) qədər əldə edilən IV əyriləri. Əlavə a qaranlıqda bir neçə temperaturda IV xüsusiyyətlərini göstərir. Bütün əyrilər başlanğıc nöqtəsini kəsir. b, açıq dövrə gərginliyi Voc və qısaqapanma cərəyanı Isc (yuxarı) və YBCO-nun (aşağı) diferensial müqaviməti, dV/dI, temperaturun funksiyası kimi. Sıfır müqavimətli ifrat keçirici keçid temperaturu Tcp verilmir, çünki o, Tc0-a çox yaxındır.

Şəkil 3b-dən üç kritik temperatur müəyyən edilə bilər: Tcp, bunun üzərində YBCO qeyri-superkeçirici olur; Tc0, burada həm Voc, həm də Isc sıfıra çevrilir və Tc, lazer şüalanması olmadan YBCO-nun ilkin başlanğıc superkeçirici keçid temperaturudur. Tcp ~ 55 K-dən aşağıda, lazer şüalanması ilə şüalandırılan YBCO, nisbətən yüksək Cooper cütlüklərinin konsentrasiyası ilə superkeçirici vəziyyətdədir. Lazer şüalanmasının təsiri, fotovoltaik gərginlik və cərəyan yaratmaqla yanaşı, Cooper cütlüyünün konsentrasiyasını azaltmaqla sıfır müqavimət superkeçirici keçid temperaturunu 89 K-dən ~55 K-ə endirməkdir (Şəkil 3b-nin alt hissəsi). Temperaturun artması həmçinin Cooper cütlüklərini parçalayır və bu da sərhəddə daha aşağı potensiala səbəb olur. Nəticə etibarilə, lazer işıqlandırmasının eyni intensivliyi tətbiq olunsa da, Voc-un mütləq dəyəri daha da kiçiləcək. Sərhəd potensialı temperaturun daha da artması ilə getdikcə daha da kiçiləcək və Tc0-da sıfıra çatacaq. Bu xüsusi nöqtədə fotovoltaik effekt yoxdur, çünki fotoinduksiyalı elektron-dəşik cütlüklərini ayırmaq üçün daxili sahə yoxdur. Potensialın polyarlıq dəyişməsi bu kritik temperaturun yuxarısında baş verir, çünki Ag pastasında sərbəst yük sıxlığı tədricən p-tipli materiala geri qaytarılan YBCO-dakından daha böyükdür. Burada vurğulamaq istəyirik ki, Voc və Isc-nin polyarlıq dəyişməsi keçidin səbəbindən asılı olmayaraq, sıfır müqavimətli ifratkeçirici keçiddən dərhal sonra baş verir. Bu müşahidə ilk dəfə olaraq metal-ifratkeçirici interfeys potensialı ilə əlaqəli ifratkeçiricilik və fotovoltaik effektlər arasındakı korrelyasiyanı açıq şəkildə ortaya qoyur. Bu potensialın ifratkeçirici-normal metal interfeysindəki təbiəti son bir neçə onillikdə tədqiqatın diqqət mərkəzində olub, lakin hələ də cavablandırılmasını gözləyən bir çox sual var. Fotovoltaik effektin ölçülməsi bu vacib potensialın detallarını (məsələn, onun gücü və polyarlığı və s.) araşdırmaq üçün təsirli bir metod ola bilər və beləliklə, yüksək temperaturlu ifratkeçirici yaxınlıq effektinə işıq salır.

Temperaturun Tc0-dan Tc-yə daha da artması Kuper cütlərinin konsentrasiyasının azalmasına və interfeys potensialının artmasına və nəticədə Voc-un daha böyük olmasına gətirib çıxarır. Tc-də Kuper cütünün konsentrasiyası sıfıra bərabər olur və interfeysdəki qurulma potensialı maksimuma çatır və nəticədə maksimum Voc və minimum Isc yaranır. Bu temperatur diapazonunda Voc və Isc-in sürətli artması (mütləq dəyər) 502 mVt/sm2 intensivlikli lazer şüalanması ilə ΔT ~ 3 K-dən ~34 K-yə qədər genişlənən ifratkeçirici keçidə uyğundur (Şəkil 3b). Tc-dən yuxarı normal vəziyyətlərdə açıq dövrə gərginliyi Voc temperaturla azalır (Şəkil 3b-nin yuxarısı), pn qovşaqlarına əsaslanan normal günəş batareyaları üçün Voc-un xətti davranışına bənzəyir31,32,33. Lazer intensivliyindən güclü şəkildə asılı olan Voc-un temperaturla dəyişmə sürəti (−dVoc/dT) normal günəş batareyalarından daha kiçik olsa da, YBCO-Ag qovşağı üçün Voc-un temperatur əmsalı günəş batareyaları ilə eyni böyüklük sırasına malikdir. Normal günəş batareyası cihazı üçün pn qovşağının sızma cərəyanı temperatur artdıqca artır və bu da temperatur artdıqca VOC-nun azalmasına səbəb olur. Bu Ag-superkeçirici sistemi üçün müşahidə edilən xətti IV əyriləri, birincisi, çox kiçik interfeys potensialı və ikincisi, iki heterokeçidin arxa-arxa bağlantısı səbəbindən sızma cərəyanını təyin etməyi çətinləşdirir. Buna baxmayaraq, sızma cərəyanının eyni temperatur asılılığının təcrübəmizdə müşahidə edilən VOC davranışından məsul olması çox ehtimal olunur. Tərifə görə, Isc, ümumi gərginliyin sıfır olması üçün VOC-nu kompensasiya etmək üçün mənfi gərginlik yaratmaq üçün lazım olan cərəyandır. Temperatur artdıqca VOC daha kiçik olur, buna görə də mənfi gərginlik yaratmaq üçün daha az cərəyan lazımdır. Bundan əlavə, YBCO-nun müqaviməti Tc-dən yuxarı temperaturla xətti olaraq artır (Şəkil 3b-nin alt hissəsi), bu da yüksək temperaturlarda Isc-nin daha kiçik mütləq dəyərinə kömək edir.

Diqqət yetirin ki, Şəkil 2, 3-də verilən nəticələr katod elektrodlarının ətrafındakı sahəyə lazer şüalanması ilə əldə edilir. Ölçmələr anodda yerləşdirilən lazer nöqtəsi ilə də təkrarlanmışdır və oxşar IV xüsusiyyətləri və fotovoltaik xüsusiyyətlər müşahidə edilmişdir, lakin bu halda Voc və Isc polyarlığı tərsinə çevrilmişdir. Bütün bu məlumatlar superkeçirici-metal interfeysi ilə sıx əlaqəli olan fotovoltaik effekt mexanizminə gətirib çıxarır.

Xülasə, lazer şüalanması ilə şüalandırılmış superkeçirici YBCO-Ag pasta sisteminin IV xüsusiyyətləri temperatur və lazer intensivliyinin funksiyaları kimi ölçülmüşdür. 50 ilə 300 K arasında temperatur diapazonunda diqqətəlayiq fotovoltaik effekt müşahidə edilmişdir. Fotovoltaik xüsusiyyətlərin YBCO keramikasının superkeçiriciliyi ilə güclü şəkildə əlaqəli olduğu aşkar edilmişdir. Voc və Isc-nin polyarlıq dəyişməsi foto ilə induksiya edilmiş superkeçiricidən qeyri-superkeçiriciyə keçiddən dərhal sonra baş verir. Sabit lazer intensivliyində ölçülən Voc və Isc-nin temperatur asılılığı, nümunənin müqavimət göstərdiyi kritik temperaturda da fərqli bir polyarlıq dəyişməsini göstərir. Lazer nöqtəsini nümunənin fərqli bir hissəsinə yerləşdirməklə, foto ilə induksiya edilmiş elektron-deşik cütləri üçün ayrılma qüvvəsini təmin edən sərhəd boyunca elektrik potensialının mövcud olduğunu göstəririk. Bu sərhəd potensialı YBCO superkeçirici olduqda YBCO-dan metal elektroda yönəlir və nümunə qeyri-superkeçirici olduqda əks istiqamətə keçir. Potensialın mənşəyi təbii olaraq YBCO superkeçirici olduqda metal-superkeçirici interfeysində yaxınlıq effekti ilə əlaqələndirilə bilər və 502 mV/sm2 lazer intensivliyi ilə 50 K-də ~10−8 mV olduğu təxmin edilir. Normal vəziyyətdə olan p-tipli YBCO materialının n-tipli materialla təması Ag-pastası yüksək temperaturda YBCO keramikasının fotovoltaik davranışından məsul olan kvazi-pn qovşağı əmələ gətirir. Yuxarıdakı müşahidələr yüksək temperaturlu superkeçirici YBCO keramikasında PV effektinə işıq salır və sürətli passiv işıq detektoru və tək foton detektoru kimi optoelektron cihazlarda yeni tətbiqlərə yol açır.

Fotovoltaik effekt təcrübələri 0,52 mm qalınlığında və 8,64 × 2,26 mm2 düzbucaqlı formalı və 1,25 mm radiuslu lazer ləkəsi ölçüsünə malik davamlı dalğa mavi lazer (λ = 450 nm) ilə işıqlandırılmış YBCO keramika nümunəsi üzərində aparılmışdır. Nazik təbəqə nümunəsi əvəzinə həcmli materialdan istifadə etmək, substratın mürəkkəb təsiri ilə qarşılaşmadan superkeçiricilərin fotovoltaik xüsusiyyətlərini öyrənməyə imkan verir6,7. Bundan əlavə, həcmli material onun sadə hazırlanması proseduru və nisbətən aşağı qiyməti üçün əlverişli ola bilər. Mis qurğuşun naqilləri YBCO nümunəsində təxminən 1 mm diametrli dörd dairəvi elektrod əmələ gətirən gümüş pastası ilə birləşdirilir. İki gərginlik elektrodu arasındakı məsafə təxminən 5 mm-dir. Nümunənin IV xüsusiyyətləri kvars kristal pəncərəli vibrasiya nümunəsi maqnitometri (VersaLab, Quantum Design) istifadə edilərək ölçülmüşdür. IV əyrilərini əldə etmək üçün standart dörd telli metoddan istifadə edilmişdir. Elektrodların və lazer ləkəsinin nisbi mövqeləri Şəkil 1i-də göstərilmişdir.

Bu məqaləyə necə istinad etmək olar: Yang, F. və b. Superkeçirici YBa2Cu3O6.96 keramikasında fotovoltaik effektin mənşəyi. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7-də simmetriya ilə qadağan olunmuş lazerlə induksiya edilmiş gərginliklər. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O-da anomal fotovoltaik siqnalın mənşəyi. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Superkeçirici Bi-Sr-Ca-Cu-O-nun lazerlə induksiya edilmiş gərginliklərinin ölçülməsi. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL və b. YBa2Cu3O7-x-in otaq temperaturlu filmlərində keçici lazerlə induksiya olunmuş gərginliklər. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS və Zheng, JP YBa2Cu3O7-də anomal fotovoltaik reaksiya. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Oksid heterostrukturunda YBa2Cu3O7−x-ə fotogenerasiya olunmuş dəlik daşıyıcısının yeridilməsi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. və b. YBa2Cu3Oy nazik təbəqələrinin işıq altında fotoemissiya tədqiqi. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. və b. Müxtəlif oksigen parsial təzyiqində tavlanmış YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterokeçidinin fotovoltaik təsiri. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA və b. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x tək kristallarında iki boşluqlu quruluş. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. və Mihailovic, D. Müxtəlif boşluq strukturlarına malik superkeçiricilərdə kvazipartikül relaksasiya dinamikası: YBa2Cu3O7-δ üzərində nəzəriyyə və təcrübələr. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterokeçidinin rektifikasiya xüsusiyyətləri. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ-də eksitonik udma və superkeçiricilik. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3-ün yarımkeçirici tək kristallarında keçici fotoinduksiyalı keçiricilik: fotoinduksiyalı metal hal və fotoinduksiyalı superkeçiricilik axtarışı. Bərk Hallar Birliyi. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Superkeçirici yaxınlıq effektinin tunel modeli. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. və b. Mezoskopik uzunluq şkalasında tədqiq edilmiş superkeçirici yaxınlıq effekti. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. və Manske, D. Qeyri-sentrosimetrik ifratkeçiricilərlə yaxınlıq effekti. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM və b. Pb-Bi2Te3 hibrid strukturlarında güclü ifratkeçirici yaxınlıq effekti. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS və Pearson, GL Günəş radiasiyasını elektrik enerjisinə çevirmək üçün yeni bir silikon pn qovşağı fotoelementi. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Zn- və ya Ni ilə zənginləşdirilmiş YBa2Cu3O6.9 tək kristallarında ifratkeçirici koherentlik uzunluğuna aşqarların təsiri. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. və Segawa, K. Geniş çeşidli aşqarlamalarda qoşalaşmamış YBa2Cu3Oy tək kristallarının maqnitorezistansı: koherentlik uzunluğunun anomal dəlik aşqarlamasından asılılığı. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD və Cooper, JR Yüksək T-oksidlərin termoelektrik gücündə sistematika. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. və b. p-tipli yüksək Tc superkeçiricilərdə koherent pik və LO fonon rejiminin daşıyıcı sıxlığından asılı impuls dəyişməsi. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. və b. Elektrokimyəvi texnikadan istifadə edərək YBa2Cu3Oy nazik təbəqələrində dəlik reduksiyası və elektron yığılması: n-tipli metal halına dair dəlillər. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Şottki baryerinin hündürlüyünün fizikası və kimyası. Tətbiqi Fizika Məcmuəsi 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Superkeçirici Filmlərdə Dinamik Xarici Cütlüyün Qırılmasının Təsirləri. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. və b. Superkeçiriciliyin fotoinduksiyalı gücləndirilməsi. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI və b. YBa2Cu3O6+x filmlərində davamlı fotokeçiricilik metal və ifratkeçirici fazalara doğru fotodopinq metodu kimi. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. və b. YBa2Cu3O6.5-də artan superkeçiricilik üçün əsas kimi qeyri-xətti qəfəs dinamikası. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. və b. Zolaqlı nizamlı kupratda işığın yaratdığı ifrat keçiricilik. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK və Al-Nuaim, IA Günəş batareyası üçün VOC-un onun səmərəliliyi ilə əlaqəli temperatur funksional asılılığı yeni yanaşma. Duzsuzlaşdırma 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM və Anderson, WA Şottki baryerli silikon günəş batareyalarında temperatur effektləri. Tətbiqi Fizika Məcmuəsi 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM İş şəraitində polimer-fulleren günəş batareyalarının fotovoltaik cihaz parametrlərinin temperatur asılılığı. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Bu iş Çin Milli Təbiət Elmləri Fondu (Qrant № 60571063) və Çinin Henan əyalətinin Fundamental Tədqiqat Layihələri (Qrant № 122300410231) tərəfindən dəstəklənib.

FY məqalənin mətnini yazdı və MYH YBCO keramika nümunəsini hazırladı. FY və MYH təcrübəni apardı və nəticələri təhlil etdilər. FGC layihəyə və məlumatların elmi şərhinə rəhbərlik etdi. Bütün müəlliflər əlyazmanı nəzərdən keçirdilər.

Bu əsər Creative Commons Attribution 4.0 Beynəlxalq Lisenziyası altında lisenziyalaşdırılıb. Bu məqalədəki şəkillər və ya digər üçüncü tərəf materialları, kredit xəttində başqa cür göstərilmədiyi təqdirdə, məqalənin Creative Commons lisenziyasına daxildir; əgər material Creative Commons lisenziyası altında deyilsə, istifadəçilər materialı çoxaltmaq üçün lisenziya sahibindən icazə almalıdırlar. Bu lisenziyanın surətini görmək üçün http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ saytına daxil olun.

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Superkeçirici YBa2Cu3O6.96 keramikasında fotovoltaik effektin mənşəyi. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Şərh göndərməklə, Şərtlərimizə və İcma Qaydalarımıza əməl etməyə razılıq verirsiniz. Əgər təhqiramiz və ya şərtlərimizə və ya qaydalarımıza uyğun olmayan bir şey tapsanız, xahiş edirik onu uyğunsuz kimi qeyd edin.