Hvala vam što ste posjetili nature.com. Koristite verziju preglednika s ograničenom podrškom za CSS. Za najbolje iskustvo, preporučujemo vam da koristite noviji preglednik (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Izvještavamo o značajnom fotonaponskom efektu u YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramici između 50 i 300 K, induciranom osvjetljavanjem plavim laserom, koji je direktno povezan sa supravodljivošću YBCO-a i graničnom površinom YBCO-metalna elektroda. Dolazi do promjene polariteta za napon otvorenog kola Voc i struju kratkog spoja Isc kada YBCO prelazi iz supravodljivog u otporno stanje. Pokazujemo da postoji električni potencijal preko granične površine supravodnik-normalni metal, koji obezbjeđuje silu razdvajanja za fotoinducirane parove elektron-šupljina. Ovaj granični potencijal usmjerava se od YBCO-a prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada YBCO postane nesupravodljiv. Porijeklo potencijala se može lako povezati s efektom blizine na graničnoj površini metal-supravodljiv kada je YBCO supravodljiv, a njegova vrijednost se procjenjuje na ~10–8 mV na 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kombinacija YBCO materijala p-tipa u normalnom stanju sa Ag-pastom n-tipa formira kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naši nalazi bi mogli utrti put novim primjenama fotonsko-elektronskih uređaja i dodatno osvijetliti efekt blizine na granici supravodiča i metala.
Fotoinducirani napon u visokotemperaturnim supravodičima je zabilježen početkom 1990-ih i od tada je opsežno istražen, ali njegova priroda i mehanizam ostaju nerazjašnjeni1,2,3,4,5. Tanki filmovi YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, posebno, intenzivno se proučavaju u obliku fotonaponskih (PV) ćelija zbog svog podesivog energetskog jaza9,10,11,12,13. Međutim, visoki otpor podloge uvijek dovodi do niske efikasnosti konverzije uređaja i maskira primarna PV svojstva YBCO8. Ovdje izvještavamo o značajnom fotonaponskom efektu izazvanom osvjetljavanjem plavim laserom (λ = 450 nm) u YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramici između 50 i 300 K (Tc ~ 90 K). Pokazujemo da je PV efekat direktno povezan sa supravodljivošću YBCO i prirodom YBCO-metalne elektrodne granice. Dolazi do inverzije polariteta za napon otvorenog kola Voc i struju kratkog spoja Isc kada YBCO prelazi iz supravodljive faze u otporno stanje. Pretpostavlja se da postoji električni potencijal na granici supravodič-normalni metal, koji obezbjeđuje silu razdvajanja za fotoinducirane parove elektron-šupljina. Ovaj potencijal granice usmjerava se od YBCO prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodič i prebacuje se u suprotni smjer kada uzorak postane nesupravodič. Porijeklo potencijala može se prirodno povezati s efektom blizine14,15,16,17 na granici metal-supravodič kada je YBCO supravodič, a njegova vrijednost se procjenjuje na ~10−8 mV na 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kombinacija p-tipa materijala YBCO u normalnom stanju s n-tipom materijala Ag-paste najvjerovatnije formira kvazi-pn spoj koji je odgovoran za PV ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naša zapažanja dodatno osvjetljavaju porijeklo PV efekta u visokotemperaturnoj supravodljivoj YBCO keramici i otvaraju put njenoj primjeni u optoelektronskim uređajima kao što su brzi pasivni detektori svjetlosti itd.
Slika 1a–c prikazuje IV karakteristike YBCO keramičkog uzorka na 50 K. Bez osvjetljenja svjetlom, napon na uzorku ostaje na nuli s promjenom struje, što se može očekivati od supravodljivog materijala. Očit fotonaponski efekat se javlja kada je laserski snop usmjeren na katodu (slika 1a): IV krivulje paralelne s I-osom pomiču se prema dolje s povećanjem intenziteta lasera. Očigledno je da postoji negativni fotoinducirani napon čak i bez ikakve struje (često se naziva napon otvorenog kola Voc). Nulti nagib IV krivulje ukazuje na to da je uzorak i dalje supravodljiv pod laserskim osvjetljenjem.
(a–c) i 300 K (e–g). Vrijednosti V(I) su dobijene mijenjanjem struje od -10 mA do +10 mA u vakuumu. Radi jasnoće, prikazan je samo dio eksperimentalnih podataka. a, Karakteristike struje i napona YBCO mjerene laserskom tačkom postavljenom na katodi (i). Sve IV krivulje su horizontalne ravne linije što ukazuje na to da je uzorak i dalje supravodljiv s laserskim zračenjem. Krivulja se pomiče prema dolje s povećanjem intenziteta lasera, što ukazuje na to da postoji negativni potencijal (Voc) između dva naponska vodiča čak i pri nultoj struji. IV krivulje ostaju nepromijenjene kada je laser usmjeren u središte uzorka na 50 K (b) ili 300 K (f). Horizontalna linija se pomiče prema gore kako je anoda osvijetljena (c). Shematski model spoja metal-supravodnik na 50 K prikazan je u d. Karakteristike struje i napona normalnog stanja YBCO na 300 K mjerene laserskim snopom usmjerenim na katodu i anodu date su u e i g respektivno. Za razliku od rezultata na 50 K, nagib pravih linija koji nije jednak nuli ukazuje na to da je YBCO u normalnom stanju; vrijednosti Voc variraju sa intenzitetom svjetlosti u suprotnom smjeru, što ukazuje na drugačiji mehanizam razdvajanja naboja. Moguća struktura međupovršine na 300 K prikazana je na hj. Stvarna slika uzorka sa izvodima.
YBCO bogat kisikom u supravodljivom stanju može apsorbirati gotovo cijeli spektar sunčeve svjetlosti zbog svog vrlo malog energetskog procjepa (Eg)9,10, stvarajući time parove elektron-šupljina (e–h). Da bi se proizveo napon otvorenog kola Voc apsorpcijom fotona, potrebno je prostorno odvojiti fotogenerirane eh parove prije nego što dođe do rekombinacije18. Negativni Voc, u odnosu na katodu i anodu, kao što je prikazano na slici 1i, sugerira da postoji električni potencijal preko metal-supravodljive granice, koji usmjerava elektrone prema anodi, a šupljine prema katodi. Ako je to slučaj, trebao bi postojati i potencijal usmjeren od supravodiča prema metalnoj elektrodi na anodi. Posljedično, pozitivan Voc bi se dobio ako je osvijetljeno područje uzorka u blizini anode. Nadalje, ne bi trebalo biti fotoinduciranih napona kada je laserska tačka usmjerena prema područjima daleko od elektroda. To je svakako slučaj, kao što se može vidjeti na slici 1b,c!.
Kada se svjetlosna tačka pomiče od katodne elektrode do centra uzorka (oko 1,25 mm od graničnih površina), ne može se uočiti nikakva promjena IV krivulja, niti Voc, s povećanjem intenziteta lasera do maksimalne dostupne vrijednosti (Slika 1b). Naravno, ovaj rezultat se može pripisati ograničenom vijeku trajanja fotoinduciranih nosilaca i nedostatku sile razdvajanja u uzorku. Elektron-šupljinski parovi mogu se stvoriti kad god je uzorak osvijetljen, ali većina e-h parova će biti anihilirana i ne uočava se fotonaponski efekat ako laserska tačka padne na područja daleko od bilo koje od elektroda. Pomicanjem laserske tačke prema anodnim elektrodama, IV krivulje paralelne s I-osom pomiču se prema gore s povećanjem intenziteta lasera (Slika 1c). Slično ugrađeno električno polje postoji u spoju metal-superprovodnik na anodi. Međutim, metalna elektroda se ovaj put spaja na pozitivni priključak testnog sistema. Šupljine koje proizvodi laser se guraju na anodni priključak i stoga se uočava pozitivni Voc. Rezultati predstavljeni ovdje pružaju snažan dokaz da zaista postoji međufazni potencijal usmjeren od supravodiča prema metalnoj elektrodi.
Fotovoltaični efekat u YBa2Cu3O6.96 keramici na 300 K prikazan je na slici 1e–g. Bez osvjetljenja svjetlom, IV krivulja uzorka je prava linija koja prelazi koordinatni početak. Ova prava linija se pomiče prema gore paralelno s originalnom linijom s povećanjem intenziteta lasera koji zrači na katodne vodove (slika 1e). Postoje dva granična slučaja od interesa za fotonaponski uređaj. Uslov kratkog spoja nastaje kada je V = 0. Struja se u ovom slučaju naziva struja kratkog spoja (Isc). Drugi granični slučaj je uslov otvorenog kola (Voc) koji se javlja kada je R→∞ ili je struja nula. Slika 1e jasno pokazuje da je Voc pozitivan i raste s povećanjem intenziteta svjetlosti, za razliku od rezultata dobijenog na 50 K; dok se primjećuje da negativni Isc raste s osvjetljenjem svjetlom, što je tipično ponašanje normalnih solarnih ćelija.
Slično tome, kada je laserski snop usmjeren prema područjima daleko od elektroda, V(I) krivulja je nezavisna od intenziteta lasera i ne pojavljuje se fotonaponski efekat (Sl. 1f). Slično mjerenju na 50 K, IV krivulje se pomjeraju u suprotnom smjeru kako se anodna elektroda ozračuje (Sl. 1g). Svi ovi rezultati dobijeni za ovaj YBCO-Ag pasta sistem na 300 K sa laserom ozračenim na različitim pozicijama uzorka su u skladu sa potencijalom površine suprotnim onom uočenom na 50 K.
Većina elektrona se kondenzuje u Cooperovim parovima u supravodljivom YBCO-u ispod njegove temperature prelaza Tc. Dok su u metalnoj elektrodi, svi elektroni ostaju u singularnom obliku. Postoji veliki gradijent gustine i za singularne elektrone i za Cooperove parove u blizini metal-supravodljive granice. Singularni elektroni s većinskim nosiocima u metalnom materijalu će difundirati u područje supravodiča, dok će Cooperovi parovi s većinskim nosiocima u YBCO području difundirati u metalno područje. Kako Cooperovi parovi koji nose više naboja i imaju veću pokretljivost od singularnih elektrona difundiraju iz YBCO-a u metalno područje, pozitivno nabijeni atomi ostaju, što rezultira električnim poljem u području prostornog naboja. Smjer ovog električnog polja prikazan je na shematskom dijagramu Sl. 1d. Upadno osvjetljenje fotona u blizini područja prostornog naboja može stvoriti eh parove koji će biti razdvojeni i pometeni, stvarajući fotostruju u smjeru obrnutog polariteta. Čim elektroni izađu iz ugrađenog električnog polja, oni se kondenzuju u parove i teku prema drugoj elektrodi bez otpora. U ovom slučaju, Voc je suprotan unaprijed postavljenom polaritetu i prikazuje negativnu vrijednost kada laserski snop usmjeri područje oko negativne elektrode. Iz vrijednosti Voc može se procijeniti potencijal na granici: udaljenost između dva naponska vodiča d je ~5 × 10−3 m, debljina granice metal-superprovodnik, di, trebala bi biti istog reda veličine kao i koherentna dužina YBCO supravodiča (~1 nm)19,20, uzmite vrijednost Voc = 0,03 mV, potencijal Vms na granici metal-superprovodnik procijenjen je na ~10−11 V na 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2, koristeći jednačinu,
Želimo ovdje naglasiti da se fotoinducirani napon ne može objasniti fototermičkim efektom. Eksperimentalno je utvrđeno da je Seebeckov koeficijent supravodiča YBCO Ss = 021. Seebeckov koeficijent za bakrene olovne žice je u rasponu od SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperatura bakrene žice na laserskoj tački može se malo povećati za 0,06 K, s maksimalnim intenzitetom lasera dostupnim na 50 K. To bi moglo proizvesti termoelektrični potencijal od 6,9 × 10−8 V, što je tri reda veličine manje od Voc dobijenog na slici 1 (a). Očigledno je da je termoelektrični efekat premalen da bi se objasnili eksperimentalni rezultati. U stvari, varijacija temperature zbog laserskog zračenja nestala bi za manje od jedne minute, tako da se doprinos termalnog efekta može sigurno zanemariti.
Ovaj fotonaponski efekat YBCO-a na sobnoj temperaturi otkriva da je ovdje uključen drugačiji mehanizam razdvajanja naboja. Superprovodljivi YBCO u normalnom stanju je materijal p-tipa sa šupljinama kao nosiocima naboja22,23, dok metalna Ag-pasta ima karakteristike materijala n-tipa. Slično pn spojevima, difuzija elektrona u srebrnoj pasti i šupljina u YBCO keramici formirat će unutrašnje električno polje usmjereno prema YBCO keramici na graničnoj površini (Slika 1h). Upravo ovo unutrašnje polje osigurava silu razdvajanja i dovodi do pozitivnog Voc i negativnog Isc za YBCO-Ag pasta sistem na sobnoj temperaturi, kao što je prikazano na Slici 1e. Alternativno, Ag-YBCO bi mogao formirati Schottky spoj p-tipa koji također dovodi do potencijala na graničnoj površini s istim polaritetom kao u modelu predstavljenom gore24.
Kako bi se istražio detaljan proces evolucije fotonaponskih svojstava tokom supravodljivog prelaza YBCO-a, izmjerene su IV krivulje uzorka na 80 K s odabranim intenzitetima lasera koji osvjetljavaju katodnu elektrodu (Slika 2). Bez laserskog zračenja, napon na uzorku ostaje na nuli bez obzira na struju, što ukazuje na supravodljivo stanje uzorka na 80 K (Slika 2a). Slično podacima dobivenim na 50 K, IV krivulje paralelne s I-osom pomiču se prema dolje s povećanjem intenziteta lasera dok se ne dostigne kritična vrijednost Pc. Iznad ovog kritičnog intenziteta lasera (Pc), supravodič prolazi kroz prelaz iz supravodljive faze u otpornu fazu; napon počinje rasti sa strujom zbog pojave otpora u supravodiču. Kao rezultat toga, IV krivulja počinje se sijeći s I-osom i V-osom, što u početku dovodi do negativnog Voc i pozitivnog Isc. Sada se čini da je uzorak u posebnom stanju u kojem je polaritet Voc i Isc izuzetno osjetljiv na intenzitet svjetlosti; Sa vrlo malim povećanjem intenziteta svjetlosti, Isc se pretvara iz pozitivne u negativnu, a Voc iz negativne u pozitivnu vrijednost, prolazeći koordinatni početak (visoka osjetljivost fotonaponskih svojstava, posebno vrijednosti Isc, na svjetlosno osvjetljenje može se jasnije vidjeti na slici 2b). Pri najvećem dostupnom intenzitetu lasera, IV krive trebaju biti paralelne jedna s drugom, što označava normalno stanje YBCO uzorka.
Centar laserske tačke je pozicioniran oko katodnih elektroda (vidi Sl. 1i). a, IV krivulje YBCO ozračenog različitim intenzitetima lasera. b (gore), Zavisnost intenziteta lasera od napona otvorenog kola Voc i struje kratkog spoja Isc. Vrijednosti Isc se ne mogu dobiti pri niskom intenzitetu svjetlosti (< 110 mW/cm2) jer su IV krivulje paralelne sa I-osom kada je uzorak u supravodljivom stanju. b (dolje), diferencijalni otpor kao funkcija intenziteta lasera.
Zavisnost Voc i Isc od intenziteta lasera na 80 K prikazana je na Sl. 2b (gore). Fotovoltažna svojstva mogu se razmatrati u tri područja intenziteta svjetlosti. Prvo područje je između 0 i Pc, u kojem je YBCO supravodljiv, Voc je negativan i opada (apsolutna vrijednost raste) s intenzitetom svjetlosti i dostiže minimum na Pc. Drugo područje je od Pc do drugog kritičnog intenziteta P0, u kojem Voc raste dok Isc opada s povećanjem intenziteta svjetlosti i oba dostižu nulu na P0. Treće područje je iznad P0 sve dok se ne dostigne normalno stanje YBCO. Iako se i Voc i Isc mijenjaju s intenzitetom svjetlosti na isti način kao u području 2, imaju suprotan polaritet iznad kritičnog intenziteta P0. Značaj P0 leži u tome što ne postoji fotovoltažni efekat i mehanizam razdvajanja naboja se kvalitativno mijenja u ovoj određenoj tački. Uzorak YBCO postaje ne-supravodljiv u ovom rasponu intenziteta svjetlosti, ali normalno stanje tek treba da se dostigne.
Jasno je da su fotonaponske karakteristike sistema usko povezane sa supravodljivošću YBCO-a i njegovim supravodljivim prijelazom. Diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO-a prikazan je na slici 2b (dolje) kao funkcija intenziteta lasera. Kao što je ranije spomenuto, izgrađeni električni potencijal na granici zbog difuzije Cooperovih parova ide od supravodiča ka metalu. Slično onome uočenom na 50 K, fotonaponski efekat se pojačava sa povećanjem intenziteta lasera od 0 do Pc. Kada intenzitet lasera dostigne vrijednost malo iznad Pc, IV krivulja počinje da se naginje i otpor uzorka počinje da se pojavljuje, ali polaritet potencijala granice se još ne mijenja. Učinak optičke ekscitacije na supravodljivost istražen je u vidljivom ili bliskom infracrvenom području. Dok je osnovni proces razbijanje Cooperovih parova i uništavanje supravodljivosti25,26, u nekim slučajevima se može pojačati supravodljivi prijelaz27,28,29, a mogu se čak i inducirati nove faze supravodljivosti30. Odsustvo supravodljivosti na Pc može se pripisati fotoinduciranom prekidu para. U tački P0, potencijal na granici postaje nula, što ukazuje da gustoća naboja na obje strane granice dostiže isti nivo pod ovim određenim intenzitetom svjetlosnog osvjetljenja. Daljnje povećanje intenziteta lasera rezultira uništavanjem više Cooperovih parova i YBCO se postepeno transformira natrag u materijal p-tipa. Umjesto difuzije elektrona i Cooperovih parova, karakteristika granice sada je određena difuzijom elektrona i šupljina, što dovodi do promjene polariteta električnog polja u granici i posljedično do pozitivnog Voc (uporedite Sl. 1d,h). Pri vrlo visokom intenzitetu lasera, diferencijalni otpor YBCO-a se zasićuje do vrijednosti koja odgovara normalnom stanju i i Voc i Isc imaju tendenciju linearnog mijenjanja s intenzitetom lasera (Sl. 2b). Ovo zapažanje otkriva da lasersko zračenje na YBCO u normalnom stanju više neće mijenjati njegovu otpornost i karakteristike granice supravodič-metal, već će samo povećati koncentraciju elektron-šupljinskih parova.
Da bi se istražio utjecaj temperature na fotonaponska svojstva, sistem metal-superprovodnik je ozračen na katodi plavim laserom intenziteta 502 mW/cm2. IV krivulje dobijene na odabranim temperaturama između 50 i 300 K date su na slici 3a. Napon otvorenog kola Voc, struja kratkog spoja Isc i diferencijalni otpor mogu se zatim dobiti iz ovih IV krivulja i prikazani su na slici 3b. Bez osvjetljenja svjetlom, sve IV krivulje izmjerene na različitim temperaturama prolaze koordinatni početak kako se i očekivalo (umetak na slici 3a). IV karakteristike se drastično mijenjaju s porastom temperature kada je sistem osvijetljen relativno jakim laserskim snopom (502 mW/cm2). Na niskim temperaturama IV krivulje su ravne linije paralelne s I-osom s negativnim vrijednostima Voc. Ova krivulja se pomiče prema gore s porastom temperature i postepeno se pretvara u liniju s nagibom različitim od nule na kritičnoj temperaturi Tcp (slika 3a (gore)). Čini se da sve IV karakteristične krivulje rotiraju oko tačke u trećem kvadrantu. Voc se povećava od negativne do pozitivne vrijednosti, dok Isc opada od pozitivne do negativne vrijednosti. Iznad početne temperature supravodljivog prijelaza Tc YBCO-a, IV krivulja se mijenja prilično različito s temperaturom (dolje slike 3a). Prvo, centar rotacije IV krivulja se pomiče u prvi kvadrant. Drugo, Voc nastavlja opadati, a Isc raste s porastom temperature (gornje slike 3b). Treće, nagib IV krivulja linearno se povećava s temperaturom, što rezultira pozitivnim temperaturnim koeficijentom otpora za YBCO (dolje slike 3b).
Temperaturna zavisnost fotonaponskih karakteristika za YBCO-Ag pasta sistem pod laserskim osvjetljenjem od 502 mW/cm2.
Centar laserske tačke je pozicioniran oko katodnih elektroda (vidi Sl. 1i). a, IV krive dobijene od 50 do 90 K (gore) i od 100 do 300 K (dolje) sa temperaturnim korakom od 5 K i 20 K, respektivno. Umetak a prikazuje IV karakteristike na nekoliko temperatura u mraku. Sve krive prelaze preko početne tačke. b, napon otvorenog kola Voc i struja kratkog spoja Isc (gore) i diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO (dolje) kao funkcija temperature. Temperatura prelaza u supravodljivo stanje sa nultim otporom Tcp nije data jer je preblizu Tc0.
Na slici 3b mogu se prepoznati tri kritične temperature: Tcp, iznad koje YBCO postaje nesupravodljiv; Tc0, pri kojoj i Voc i Isc postaju nula i Tc, početna temperatura supravodljivog prijelaza YBCO bez laserskog zračenja. Ispod Tcp ~ 55 K, laserski ozračeni YBCO je u supravodljivom stanju s relativno visokom koncentracijom Cooperovih parova. Učinak laserskog zračenja je smanjenje temperature supravodljivog prijelaza s nultom otporom sa 89 K na ~55 K (dolje slike 3b) smanjenjem koncentracije Cooperovih parova, pored stvaranja fotonaponskog napona i struje. Povećanje temperature također razgrađuje Cooperove parove, što dovodi do nižeg potencijala na granici. Posljedično, apsolutna vrijednost Voc će postati manja, iako se primjenjuje isti intenzitet laserskog osvjetljenja. Potencijal na granici će postajati sve manji i manji s daljnjim povećanjem temperature i dostići će nulu pri Tc0. U ovoj posebnoj tački nema fotonaponskog efekta jer ne postoji unutrašnje polje koje bi razdvojilo fotoinducirane parove elektrona i šupljine. Do inverzije polariteta potencijala dolazi iznad ove kritične temperature, jer je gustoća slobodnog naboja u Ag pasti veća nego u YBCO, koji se postepeno prenosi natrag u materijal p-tipa. Ovdje želimo naglasiti da se inverzija polariteta Voc i Isc događa odmah nakon supravodljivog prijelaza s nultom otporom, bez obzira na uzrok prijelaza. Ovo zapažanje jasno otkriva, po prvi put, korelaciju između supravodljivosti i fotonaponskih efekata povezanih s potencijalom granice metal-supravodič. Priroda ovog potencijala na granici supravodič-normalni metal bila je fokus istraživanja posljednjih nekoliko decenija, ali još uvijek postoje mnoga pitanja na koja čekamo odgovor. Mjerenje fotonaponskog efekta moglo bi se pokazati kao efikasna metoda za istraživanje detalja (kao što su njegova jačina i polaritet itd.) ovog važnog potencijala i stoga bi rasvijetlilo efekat blizine visokotemperaturne supravodičnosti.
Daljnje povećanje temperature od Tc0 do Tc dovodi do manje koncentracije Cooperovih parova i povećanja potencijala na granici, a posljedično i većeg Voc. Pri Tc, koncentracija Cooperovih parova postaje nula, a potencijal na granici dostiže maksimum, što rezultira maksimalnim Voc i minimalnim Isc. Brzi porast Voc i Isc (apsolutna vrijednost) u ovom temperaturnom rasponu odgovara supravodljivom prijelazu koji se proširuje od ΔT ~ 3 K do ~34 K laserskim zračenjem intenziteta 502 mW/cm2 (Slika 3b). U normalnim stanjima iznad Tc, napon otvorenog kola Voc se smanjuje s temperaturom (vrh Slike 3b), slično linearnom ponašanju Voc za normalne solarne ćelije zasnovane na pn spojevima31,32,33. Iako je brzina promjene Voc s temperaturom (−dVoc/dT), koja snažno ovisi o intenzitetu lasera, mnogo manja od one kod normalnih solarnih ćelija, temperaturni koeficijent Voc za YBCO-Ag spoj ima isti red veličine kao i kod solarnih ćelija. Struja curenja pn spoja za normalan solarni uređaj povećava se s porastom temperature, što dovodi do smanjenja Voc kako temperatura raste. Linearne IV krive uočene za ovaj Ag-superprovodni sistem, zbog prvo vrlo malog potencijala međupovršine, a drugo, veze leđa uz leđa dva heterospoja, otežavaju određivanje struje curenja. Ipak, čini se vrlo vjerovatnim da je ista temperaturna zavisnost struje curenja odgovorna za ponašanje Voc uočeno u našem eksperimentu. Prema definiciji, Isc je struja potrebna za proizvodnju negativnog napona kako bi se kompenzirao Voc tako da ukupni napon bude nula. Kako temperatura raste, Voc postaje manji tako da je potrebno manje struje za proizvodnju negativnog napona. Nadalje, otpor YBCO-a linearno se povećava s temperaturom iznad Tc (dolje slike 3b), što također doprinosi manjoj apsolutnoj vrijednosti Isc na visokim temperaturama.
Treba napomenuti da su rezultati prikazani na slikama 2 i 3 dobijeni laserskim ozračivanjem područja oko katodnih elektroda. Mjerenja su također ponovljena s laserskom tačkom postavljenom na anodi i uočene su slične IV karakteristike i fotonaponska svojstva, osim što je u ovom slučaju polaritet Voc i Isc obrnut. Svi ovi podaci dovode do mehanizma fotonaponskog efekta, koji je usko povezan s granicom supravodič-metal.
Ukratko, IV karakteristike laserski ozračenog supravodljivog YBCO-Ag pastnog sistema su izmjerene kao funkcije temperature i intenziteta lasera. Značajan fotonaponski efekat je uočen u temperaturnom opsegu od 50 do 300 K. Utvrđeno je da fotonaponska svojstva snažno koreliraju sa supravodljivošću YBCO keramike. Obrnuto polaritet Voc i Isc se javlja odmah nakon fotoinduciranog prelaza iz supravodljivog u nesupravodljivo stanje. Temperaturna zavisnost Voc i Isc mjerena pri fiksnom intenzitetu lasera također pokazuje izrazito obrnuto polaritet na kritičnoj temperaturi iznad koje uzorak postaje otporan. Lociranjem laserske tačke na različite dijelove uzorka, pokazujemo da postoji električni potencijal preko granične površine, koji obezbjeđuje silu razdvajanja za fotoinducirane parove elektron-šupljina. Ovaj potencijal granične površine usmjerava se od YBCO prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada uzorak postane nesupravodljiv. Porijeklo potencijala može se prirodno povezati s efektom blizine na granici metal-supravodič kada je YBCO supravodič i procjenjuje se na ~10−8 mV na 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kontakt p-tipa materijala YBCO u normalnom stanju s n-tipom materijala Ag-paste formira kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Gornja zapažanja bacaju svjetlo na PV efekt u visokotemperaturnoj supravodičnoj YBCO keramici i otvaraju put novim primjenama u optoelektronskim uređajima kao što su brzi pasivni detektor svjetlosti i detektor jednog fotona.
Eksperimenti fotonaponskog efekta provedeni su na YBCO keramičkom uzorku debljine 0,52 mm i pravokutnog oblika dimenzija 8,64 × 2,26 mm2, osvijetljenom kontinuiranim plavim laserom (λ = 450 nm) s veličinom laserske točke radijusa 1,25 mm. Korištenje uzorka u rasutom stanju umjesto uzorka tankog filma omogućava nam proučavanje fotonaponskih svojstava supravodiča bez potrebe za suočavanjem sa složenim utjecajem podloge6,7. Štaviše, materijal u rasutom stanju može biti pogodan zbog jednostavnog postupka pripreme i relativno niske cijene. Bakarne žice su koherentne na YBCO uzorku sa srebrnom pastom, formirajući četiri kružne elektrode promjera oko 1 mm. Udaljenost između dvije naponske elektrode je oko 5 mm. IV karakteristike uzorka mjerene su pomoću vibracijskog magnetometra za uzorak (VersaLab, Quantum Design) s kvarcnim kristalnim prozorom. Za dobijanje IV krivulja korištena je standardna metoda s četiri žice. Relativni položaji elektroda i laserske točke prikazani su na slici 1i.
Kako citirati ovaj članak: Yang, F. i dr. Porijeklo fotonaponskog efekta u supravodljivoj YBa2Cu3O6.96 keramici. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG i Testardi, LR Naponi inducirani laserom zabranjeni zbog simetrije u YBa2Cu3O7 . Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP i Dong, SY Porijeklo anomalnog fotonaponskog signala u Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR i Wang, GW Mjerenje laserski indukovanih napona supravodljivog Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Tranzijentni laserski indukovani naponi u filmovima YBa2Cu3O7-x na sobnoj temperaturi. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS i Zheng, JP Anomalni fotonaponski odziv u YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. i Hiroi, Z. Ubrizgavanje fotogenerisanih nosača šupljina u YBa2Cu3O7−x u oksidnoj heterostrukturi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. i dr. Studija fotoemisije tankih filmova YBa2Cu3Oy pod svjetlosnim osvjetljenjem. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. i dr. Fotovoltaični efekat heterospoja YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb žarenog pri različitim parcijalnim pritiscima kisika. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA i dr. Dvostruka struktura u monokristalima Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. i Mihailović, D. Dinamika relaksacije kvazičestica u supravodičima s različitim strukturama procjepa: Teorija i eksperimenti na YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ i Shen, BG. Ispravljačka svojstva heterospoja YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL i Tanner, DB Eksitonska apsorpcija i superprovodljivost u YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ i Stucky, G. Tranzijentna fotoinducirana provodljivost u poluprovodničkim monokristalima YBa2Cu3O6.3: potraga za fotoinduciranim metalnim stanjem i za fotoinduciranom superprovodljivošću. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunelski model efekta blizine supravodljivih elemenata. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. i dr. Efekat supravodljive blizine ispitan na mezoskopskoj skali dužine. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. i Manske, D. Efekat blizine kod necentrosimetričnih supravodiča. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM i dr. Snažan efekat supravodljive blizine u hibridnim strukturama Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS i Pearson, GL Nova silicijumska pn spojna fotoćelija za pretvaranje sunčevog zračenja u električnu energiju. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Uticaj nečistoća na dužinu supravodljive koherencije u monokristalima YBa2Cu3O6.9 dopiranim Zn ili Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. i Segawa, K. Magnetorezistencija monokristala YBa2Cu3Oy bez blizanaca u širokom rasponu dopiranja: anomalna ovisnost koherentne dužine o dopiranju rupa. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD i Cooper, JR Sistematika termoelektrične snage oksida visoke temperature. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. i dr. Pomak impulsa koherentnog vrha i LO fononskog moda u p-tipu visokoTc supravodiča zavisi od gustine nosioca. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. i dr. Redukcija šupljina i akumulacija elektrona u tankim filmovima YBa2Cu3Oy korištenjem elektrohemijske tehnike: Dokazi za metalno stanje n-tipa. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizika i hemija visine Schottky barijere. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. i Langenberg, DN Efekti dinamičkog prekida vanjskih parova u supravodljivim filmovima. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. i dr. Fotoinducirano pojačanje supravodljivosti. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI i dr. Perzistentna fotoprovodljivost u YBa2Cu3O6+x filmovima kao metoda fotodopiranja prema metalnim i supravodljivim fazama. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. i dr. Nelinearna dinamika rešetke kao osnova za poboljšanu supravodljivost u YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. i dr. Svjetlosno inducirana supravodljivost u kupratu uređenom po prugama. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK i Al-Nuaim, IA. Funkcionalna zavisnost isparljivih organskih jedinjenja (VOC) od temperature za solarnu ćeliju u odnosu na njenu efikasnost, novi pristup. Desalinacija 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM i Anderson, WA Temperaturni efekti u Schottky-barijernim silicijumskim solarnim ćelijama. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturna zavisnost parametara fotonaponskih uređaja solarnih ćelija od polimer-fulerena u radnim uslovima. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Ovaj rad je podržan od strane Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (grant br. 60571063), Fundamentalnih istraživačkih projekata provincije Henan, Kina (grant br. 122300410231).
FY je napisao tekst rada, a MYH je pripremio YBCO keramički uzorak. FY i MYH su izveli eksperiment i analizirali rezultate. FGC je vodio projekat i naučnu interpretaciju podataka. Svi autori su pregledali rukopis.
Ovo djelo je licencirano pod međunarodnom licencom Creative Commons Attribution 4.0. Slike ili drugi materijal treće strane u ovom članku uključeni su u licencu Creative Commons za članak, osim ako nije drugačije naznačeno u izvoru; ako materijal nije uključen pod licencu Creative Commons, korisnici će morati dobiti dozvolu od vlasnika licence za reprodukciju materijala. Da biste vidjeli kopiju ove licence, posjetite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. i Chang, F. Porijeklo fotonaponskog efekta u supravodljivoj YBa2Cu3O6.96 keramici. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Slanjem komentara slažete se da ćete se pridržavati naših Uslova korištenja i Smjernica zajednice. Ako pronađete nešto uvredljivo ili što nije u skladu s našim uslovima ili smjernicama, označite to kao neprikladno.
Vrijeme objave: 22. april 2020.