Origen de l'efecte fotovoltaic en ceràmiques superconductores de YBa2Cu3O6.96

Gràcies per visitar nature.com. Esteu utilitzant una versió del navegador amb compatibilitat limitada amb CSS. Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador més actualitzat (o que desactiveu el mode de compatibilitat a l'Internet Explorer). Mentrestant, per garantir una compatibilitat continuada, mostrem el lloc web sense estils ni JavaScript.

Informem d'un efecte fotovoltaic remarcable en ceràmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 i 300 K induït per il·luminació làser blau, que està directament relacionat amb la superconductivitat de YBCO i la interfície YBCO-elèctrode metàl·lic. Hi ha una inversió de polaritat per a la tensió de circuit obert Voc i el corrent de curtcircuit Isc quan YBCO experimenta una transició de l'estat superconductor a l'estat resistiu. Mostrem que existeix un potencial elèctric a través de la interfície superconductor-metall normal, que proporciona la força de separació per als parells electró-forat fotoinduïts. Aquest potencial d'interfície es dirigeix ​​de YBCO a l'elèctrode metàl·lic quan YBCO és superconductor i canvia a la direcció oposada quan YBCO deixa de ser superconductor. L'origen del potencial es pot associar fàcilment amb l'efecte de proximitat a la interfície metall-superconductor quan YBCO és superconductor i el seu valor s'estima en ~10–8 mV a 50 K amb una intensitat làser de 502 mW/cm2. La combinació d'un material de tipus p YBCO en estat normal amb un material de pasta d'Ag de tipus n forma una unió quasi-pn que és responsable del comportament fotovoltaic de les ceràmiques YBCO a altes temperatures. Els nostres resultats poden obrir el camí a noves aplicacions de dispositius fotoelectrònics i aclarir més l'efecte de proximitat a la interfície superconductor-metall.

El voltatge fotoinduït en superconductors d'alta temperatura s'ha descrit a principis dels anys noranta i s'ha investigat àmpliament des de llavors, però la seva naturalesa i mecanisme continuen sense estar clars1,2,3,4,5. Les pel·lícules primes de YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, en particular, s'estudien intensament en forma de cèl·lules fotovoltaiques (PV) a causa del seu interval d'energia ajustable9,10,11,12,13. Tanmateix, l'alta resistència del substrat sempre condueix a una baixa eficiència de conversió del dispositiu i emmascara les propietats fotovoltaiques primàries de YBCO8. Aquí informem d'un efecte fotovoltaic notable induït per la il·luminació de làser blau (λ = 450 nm) en ceràmica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 i 300 K (Tc ~ 90 K). Mostrem que l'efecte PV està directament relacionat amb la superconductivitat de YBCO i la naturalesa de la interfície YBCO-elèctrode metàl·lic. Hi ha una inversió de polaritat per a la tensió de circuit obert Voc i el corrent de curtcircuit Isc quan el YBCO experimenta una transició de la fase superconductora a un estat resistiu. Es proposa que existeix un potencial elèctric a través de la interfície superconductor-metall normal, que proporciona la força de separació per als parells electró-forat fotoinduïts. Aquest potencial d'interfície es dirigeix ​​des del YBCO cap a l'elèctrode metàl·lic quan el YBCO és superconductor i canvia a la direcció oposada quan la mostra deixa de ser superconductora. L'origen del potencial pot estar associat naturalment amb l'efecte de proximitat14,15,16,17 a la interfície metall-superconductor quan el YBCO és superconductor i el seu valor s'estima en ~10−8 mV a 50 K amb una intensitat làser de 502 mW/cm2. La combinació d'un material de tipus p YBCO en estat normal amb un material de pasta d'Ag de tipus n forma, molt probablement, una unió quasi-pn que és responsable del comportament fotovoltaic de les ceràmiques YBCO a altes temperatures. Les nostres observacions aporten més llum sobre l'origen de l'efecte fotovoltaic en ceràmiques YBCO superconductores d'alta temperatura i preparen el camí per a la seva aplicació en dispositius optoelectrònics com ara detectors passius de llum ràpids, etc.

La figura 1a-c mostra les característiques IV de la mostra ceràmica YBCO a 50 K. Sense il·luminació lluminosa, el voltatge a través de la mostra es manté a zero amb el corrent canviant, tal com es pot esperar d'un material superconductor. Un efecte fotovoltaic evident apareix quan el feix làser es dirigeix ​​al càtode (Fig. 1a): les corbes IV paral·leles a l'eix I es mouen cap avall a mesura que augmenta la intensitat del làser. És evident que hi ha un voltatge fotoinduït negatiu fins i tot sense cap corrent (sovint anomenat voltatge de circuit obert Voc). El pendent zero de la corba IV indica que la mostra encara és superconductora sota il·luminació làser.

(a–c) i 300 K (e–g). Els valors de V(I) es van obtenir mitjançant l'escombrat del corrent de −10 mA a +10 mA en buit. Només es presenta una part de les dades experimentals per motius de claredat. a, Característiques de corrent-tensió de YBCO mesurades amb un punt làser posicionat al càtode (i). Totes les corbes IV són línies rectes horitzontals que indiquen que la mostra encara és superconductora amb irradiació làser. La corba es mou cap avall a mesura que augmenta la intensitat del làser, cosa que indica que existeix un potencial negatiu (Voc) entre els dos conductors de tensió fins i tot amb corrent zero. Les corbes IV romanen sense canvis quan el làser es dirigeix ​​al centre de la mostra a 50 K (b) o 300 K (f). La línia horitzontal es mou cap amunt a mesura que l'ànode s'il·lumina (c). A d es mostra un model esquemàtic de la unió metall-superconductor a 50 K. Les característiques de corrent-tensió de YBCO en estat normal a 300 K mesurades amb el feix làser apuntant al càtode i l'ànode es donen a e i g respectivament. En contrast amb els resultats a 50 K, el pendent diferent de zero de les línies rectes indica que YBCO es troba en estat normal; els valors de Voc varien amb la intensitat de la llum en direcció oposada, cosa que indica un mecanisme de separació de càrrega diferent. Una possible estructura d'interfície a 300 K es representa a hj. La imatge real de la mostra amb cables.

El YBCO ric en oxigen en estat superconductor pot absorbir gairebé tot l'espectre de la llum solar a causa del seu interval d'energia molt petit (Eg)9,10, creant així parells electró-forat (e-h). Per produir un voltatge de circuit obert Voc per absorció de fotons, cal separar espacialment els parells eh fotogenerats abans que es produeixi la recombinació18. El Voc negatiu, respecte al càtode i l'ànode, tal com s'indica a la figura 1i, suggereix que existeix un potencial elèctric a través de la interfície metall-superconductor, que escombra els electrons cap a l'ànode i els forats cap al càtode. Si aquest és el cas, també hi hauria d'haver un potencial que apunti des del superconductor cap a l'elèctrode metàl·lic a l'ànode. En conseqüència, s'obtindria un Voc positiu si l'àrea de la mostra prop de l'ànode s'il·lumina. A més, no hi hauria d'haver voltatges fotoinduïts quan el punt làser s'apunta a zones allunyades dels elèctrodes. Certament és el cas, com es pot veure a la figura 1b,c!.

Quan el punt de llum es mou des de l'elèctrode del càtode fins al centre de la mostra (a uns 1,25 mm de distància de les interfícies), no es pot observar cap variació de les corbes IV ni Voc amb l'augment de la intensitat del làser fins al valor màxim disponible (Fig. 1b). Naturalment, aquest resultat es pot atribuir a la vida útil limitada dels portadors fotoinduïts i a la manca de força de separació a la mostra. Es poden crear parells electró-forat sempre que s'il·lumina la mostra, però la majoria dels parells e-h s'aniquilaran i no s'observa cap efecte fotovoltaic si el punt làser cau sobre zones allunyades de qualsevol dels elèctrodes. En moure el punt làser als elèctrodes de l'ànode, les corbes IV paral·leles a l'eix I es mouen cap amunt amb l'augment de la intensitat del làser (Fig. 1c). Existeix un camp elèctric integrat similar a la unió metall-superconductor a l'ànode. Tanmateix, aquesta vegada l'elèctrode metàl·lic es connecta al cable positiu del sistema de prova. Els forats produïts pel làser es desplacen cap al cable de l'ànode i, per tant, s'observa un Voc positiu. Els resultats presentats aquí proporcionen una forta evidència que existeix efectivament un potencial d'interfície que apunta des del superconductor cap a l'elèctrode metàl·lic.

L'efecte fotovoltaic en ceràmica YBa2Cu3O6.96 a 300 K es mostra a la figura 1e-g. Sense il·luminació lumínica, la corba IV de la mostra és una línia recta que creua l'origen. Aquesta línia recta es mou cap amunt paral·lela a l'original amb una intensitat làser creixent que irradia els conductors del càtode (figura 1e). Hi ha dos casos límit d'interès per a un dispositiu fotovoltaic. La condició de curtcircuit es produeix quan V = 0. El corrent en aquest cas es coneix com a corrent de curtcircuit (Isc). El segon cas límit és la condició de circuit obert (Voc), que es produeix quan R→∞ o el corrent és zero. La figura 1e mostra clarament que Voc és positiu i augmenta amb l'augment de la intensitat de la llum, en contrast amb el resultat obtingut a 50 K; mentre que s'observa que un Isc negatiu augmenta en magnitud amb la il·luminació lumínica, un comportament típic de les cèl·lules solars normals.

De la mateixa manera, quan el feix làser apunta a zones allunyades dels elèctrodes, la corba V(I) és independent de la intensitat del làser i no apareix cap efecte fotovoltaic (Fig. 1f). De manera similar a la mesura a 50 K, les corbes IV es mouen en la direcció oposada a mesura que l'elèctrode ànode s'irradia (Fig. 1g). Tots aquests resultats obtinguts per a aquest sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K amb làser irradiat a diferents posicions de la mostra són consistents amb un potencial d'interfície oposat a l'observat a 50 K.

La majoria dels electrons es condensen en parells de Cooper en el YBCO superconductor per sota de la seva temperatura de transició Tc. Mentre es troben a l'elèctrode metàl·lic, tots els electrons romanen en forma singular. Hi ha un gran gradient de densitat tant per als electrons singulars com per als parells de Cooper a prop de la interfície metall-superconductor. Els electrons singulars portadors majoritaris en el material metàl·lic es difondran a la regió superconductora, mentre que els parells de Cooper portadors majoritaris a la regió YBCO es difondran a la regió metàl·lica. Com que els parells de Cooper que porten més càrregues i tenen una mobilitat més gran que els electrons singulars es difonen del YBCO a la regió metàl·lica, els àtoms carregats positivament queden enrere, donant lloc a un camp elèctric a la regió de càrrega espacial. La direcció d'aquest camp elèctric es mostra al diagrama esquemàtic Fig. 1d. La il·luminació de fotons incidents a prop de la regió de càrrega espacial pot crear parells eh que es separaran i s'escombraran produint un fotocorrent en la direcció de polarització inversa. Tan bon punt els electrons surten del camp elèctric incorporat, es condensen en parells i flueixen cap a l'altre elèctrode sense resistència. En aquest cas, el Voc és oposat a la polaritat preestablerta i mostra un valor negatiu quan el feix làser apunta a la zona al voltant de l'elèctrode negatiu. A partir del valor de Voc, es pot estimar el potencial a través de la interfície: la distància entre els dos conductors de voltatge d és de ~5 × 10−3 m, el gruix de la interfície metall-superconductor, di, hauria de ser del mateix ordre de magnitud que la longitud de coherència del superconductor YBCO (~1 nm)19,20, prenent el valor de Voc = 0,03 mV, el potencial Vms a la interfície metall-superconductor s'avalua com a ~10−11 V a 50 K amb una intensitat làser de 502 mW/cm2, utilitzant l'equació,

Volem emfatitzar aquí que el voltatge fotoinduït no es pot explicar per l'efecte fototèrmic. S'ha establert experimentalment que el coeficient Seebeck del superconductor YBCO és Ss = 021. El coeficient Seebeck per als cables de coure es troba en el rang de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. La temperatura del cable de coure al punt làser es pot augmentar en una petita quantitat de 0,06 K amb una intensitat màxima del làser disponible a 50 K. Això podria produir un potencial termoelèctric de 6,9 ​​× 10−8 V, que és tres ordres de magnitud més petit que el Voc obtingut a la figura 1 (a). És evident que l'efecte termoelèctric és massa petit per explicar els resultats experimentals. De fet, la variació de temperatura deguda a la irradiació làser desapareixeria en menys d'un minut, de manera que la contribució de l'efecte tèrmic es pot ignorar amb seguretat.

Aquest efecte fotovoltaic del YBCO a temperatura ambient revela que aquí hi ha implicat un mecanisme de separació de càrrega diferent. El YBCO superconductor en estat normal és un material de tipus p amb forats com a portadors de càrrega22,23, mentre que la pasta d'Ag metàl·lica té les característiques d'un material de tipus n. De manera similar a les unions pn, la difusió d'electrons a la pasta de plata i els forats a la ceràmica YBCO formarà un camp elèctric intern que apunta a la ceràmica YBCO a la interfície (Fig. 1h). És aquest camp intern el que proporciona la força de separació i condueix a un Voc positiu i un Isc negatiu per al sistema de pasta YBCO-Ag a temperatura ambient, com es mostra a la Fig. 1e. Alternativament, l'Ag-YBCO podria formar una unió Schottky de tipus p que també condueix a un potencial d'interfície amb la mateixa polaritat que en el model presentat anteriorment24.

Per investigar el procés d'evolució detallada de les propietats fotovoltaiques durant la transició superconductora del YBCO, es van mesurar les corbes IV de la mostra a 80 K amb intensitats làser seleccionades il·luminant l'elèctrode del càtode (Fig. 2). Sense irradiació làser, el voltatge a través de la mostra es manté a zero independentment del corrent, cosa que indica l'estat superconductor de la mostra a 80 K (Fig. 2a). De manera similar a les dades obtingudes a 50 K, les corbes IV paral·leles a l'eix I es mouen cap avall amb l'augment de la intensitat del làser fins que s'assoleix un valor crític Pc. Per sobre d'aquesta intensitat làser crítica (Pc), el superconductor experimenta una transició d'una fase superconductora a una fase resistiva; el voltatge comença a augmentar amb el corrent a causa de l'aparició de resistència al superconductor. Com a resultat, la corba IV comença a intersectar-se amb l'eix I i l'eix V, cosa que porta a un Voc negatiu i un Isc positiu al principi. Ara la mostra sembla estar en un estat especial en què la polaritat de Voc i Isc és extremadament sensible a la intensitat de la llum; Amb un augment molt petit de la intensitat lumínica, Isc es converteix de valor positiu a negatiu i Voc de valor negatiu a positiu, passant per l'origen (l'alta sensibilitat de les propietats fotovoltaiques, en particular el valor d'Isc, a la il·luminació lumínica es pot veure més clarament a la figura 2b). A la intensitat làser més alta disponible, les corbes IV pretenen ser paral·leles entre si, cosa que indica l'estat normal de la mostra YBCO.

El centre del punt làser es posiciona al voltant dels elèctrodes del càtode (vegeu la figura 1i). a, corbes IV de YBCO irradiat amb diferents intensitats làser. b (a dalt), dependència de la intensitat làser de la tensió de circuit obert Voc i del corrent de curtcircuit Isc. Els valors d'Isc no es poden obtenir a baixa intensitat de llum (< 110 mW/cm2) perquè les corbes IV són paral·leles a l'eix I quan la mostra està en estat superconductor. b (a baix), resistència diferencial en funció de la intensitat del làser.

La dependència de la intensitat del làser de Voc i Isc a 80 K es mostra a la figura 2b (superior). Les propietats fotovoltaiques es poden discutir en tres regions d'intensitat de llum. La primera regió es troba entre 0 i Pc, en què YBCO és superconductor, Voc és negatiu i disminueix (el valor absolut augmenta) amb la intensitat de la llum i arriba a un mínim a Pc. La segona regió és des de Pc fins a una altra intensitat crítica P0, en què Voc augmenta mentre que Isc disminueix amb l'augment de la intensitat de la llum i ambdues arriben a zero a P0. La tercera regió està per sobre de P0 fins que s'assoleix l'estat normal de YBCO. Tot i que tant Voc com Isc varien amb la intensitat de la llum de la mateixa manera que a la regió 2, tenen polaritat oposada per sobre de la intensitat crítica P0. La importància de P0 rau en què no hi ha efecte fotovoltaic i el mecanisme de separació de càrrega canvia qualitativament en aquest punt concret. La mostra de YBCO esdevé no superconductora en aquest rang d'intensitat de la llum, però encara no s'ha assolit l'estat normal.

Clarament, les característiques fotovoltaiques del sistema estan estretament relacionades amb la superconductivitat del YBCO i la seva transició superconductora. La resistència diferencial, dV/dI, del YBCO es mostra a la figura 2b (inferior) en funció de la intensitat del làser. Com s'ha esmentat anteriorment, el potencial elèctric acumulat a la interfície a causa dels punts de difusió del parell de Cooper des del superconductor fins al metall. De manera similar a l'observat a 50 K, l'efecte fotovoltaic es veu reforçat amb l'augment de la intensitat del làser de 0 a Pc. Quan la intensitat del làser arriba a un valor lleugerament superior a Pc, la corba IV comença a inclinar-se i la resistència de la mostra comença a aparèixer, però la polaritat del potencial de la interfície encara no ha canviat. L'efecte de l'excitació òptica sobre la superconductivitat s'ha investigat a la regió visible o de l'infraroig proper. Mentre que el procés bàsic és trencar els parells de Cooper i destruir la superconductivitat25,26, en alguns casos es pot millorar la transició de superconductivitat27,28,29, i fins i tot es poden induir noves fases de superconductivitat30. L'absència de superconductivitat a Pc es pot atribuir a la ruptura de parells fotoinduïda. En el punt P0, el potencial a través de la interfície esdevé zero, cosa que indica que la densitat de càrrega a banda i banda de la interfície arriba al mateix nivell sota aquesta intensitat particular d'il·luminació de llum. Un augment addicional de la intensitat del làser fa que es destrueixin més parells de Cooper i el YBCO es transformi gradualment de nou en un material de tipus p. En lloc de la difusió d'electrons i parells de Cooper, la característica de la interfície ara està determinada per la difusió d'electrons i forats, cosa que condueix a una inversió de polaritat del camp elèctric a la interfície i, en conseqüència, a un Voc positiu (compareu les figures 1d i h). A una intensitat làser molt alta, la resistència diferencial del YBCO se satura a un valor corresponent a l'estat normal i tant Voc com Isc tendeixen a variar linealment amb la intensitat del làser (figures 2b). Aquesta observació revela que la irradiació làser sobre el YBCO en estat normal ja no canviarà la seva resistivitat ni la característica de la interfície superconductor-metall, sinó que només augmentarà la concentració dels parells electró-forat.

Per investigar l'efecte de la temperatura sobre les propietats fotovoltaiques, el sistema metall-superconductor es va irradiar al càtode amb un làser blau d'intensitat 502 mW/cm2. Les corbes IV obtingudes a temperatures seleccionades entre 50 i 300 K es donen a la figura 3a. La tensió de circuit obert Voc, el corrent de curtcircuit Isc i la resistència diferencial es poden obtenir a partir d'aquestes corbes IV i es mostren a la figura 3b. Sense il·luminació lluminosa, totes les corbes IV mesurades a diferents temperatures passen per l'origen tal com s'esperava (inserció de la figura 3a). Les característiques IV canvien dràsticament amb l'augment de la temperatura quan el sistema s'il·lumina amb un feix làser relativament fort (502 mW/cm2). A baixes temperatures, les corbes IV són línies rectes paral·leles a l'eix I amb valors negatius de Voc. Aquesta corba es mou cap amunt amb l'augment de la temperatura i es converteix gradualment en una línia amb un pendent diferent de zero a una temperatura crítica Tcp (figura 3a (superior)). Sembla que totes les corbes característiques IV giren al voltant d'un punt del tercer quadrant. Voc augmenta d'un valor negatiu a un de positiu mentre que Isc disminueix d'un valor positiu a un de negatiu. Per sobre de la temperatura de transició superconductora original Tc del YBCO, la corba IV canvia de manera força diferent amb la temperatura (part inferior de la figura 3a). En primer lloc, el centre de rotació de les corbes IV es mou cap al primer quadrant. En segon lloc, Voc continua disminuint i Isc augmentant amb l'augment de la temperatura (part superior de la figura 3b). En tercer lloc, el pendent de les corbes IV augmenta linealment amb la temperatura, donant lloc a un coeficient de temperatura de resistència positiu per al YBCO (part inferior de la figura 3b).

Dependència de la temperatura de les característiques fotovoltaiques per al sistema de pasta YBCO-Ag sota il·luminació làser de 502 mW/cm2.

El centre del punt làser es posiciona al voltant dels elèctrodes del càtode (vegeu la figura 1i). a, corbes IV obtingudes de 50 a 90 K (a dalt) i de 100 a 300 K (a baix) amb un increment de temperatura de 5 K i 20 K, respectivament. El requadre a mostra les característiques IV a diverses temperatures a la foscor. Totes les corbes creuen el punt d'origen. b, tensió de circuit obert Voc i corrent de curtcircuit Isc (a dalt) i la resistència diferencial, dV/dI, de YBCO (a baix) en funció de la temperatura. La temperatura de transició superconductora de resistència zero Tcp no es dóna perquè és massa propera a Tc0.

A la figura 3b es poden reconèixer tres temperatures crítiques: Tcp, per sobre de la qual el YBCO esdevé no superconductor; Tc0, a la qual tant Voc com Isc esdevenen zero, i Tc, la temperatura de transició superconductora d'inici original del YBCO sense irradiació làser. Per sota de Tcp ~ 55 K, el YBCO irradiat amb làser es troba en estat superconductor amb una concentració relativament alta de parells de Cooper. L'efecte de la irradiació làser és reduir la temperatura de transició superconductora de resistència zero de 89 K a ~55 K (part inferior de la figura 3b) reduint la concentració de parells de Cooper a més de produir voltatge i corrent fotovoltaics. L'augment de la temperatura també trenca els parells de Cooper, cosa que comporta un potencial més baix a la interfície. En conseqüència, el valor absolut de Voc es farà més petit, tot i que s'apliqui la mateixa intensitat d'il·luminació làser. El potencial de la interfície es farà cada cop més petit amb un augment addicional de la temperatura i arribarà a zero a Tc0. No hi ha cap efecte fotovoltaic en aquest punt especial perquè no hi ha cap camp intern per separar els parells electró-forat fotoinduïts. Per sobre d'aquesta temperatura crítica es produeix una inversió de polaritat del potencial, ja que la densitat de càrrega lliure a la pasta d'Ag és més gran que a la del YBCO, que es transfereix gradualment de nou a un material de tipus p. Aquí volem emfatitzar que la inversió de polaritat de Voc i Isc es produeix immediatament després de la transició superconductora de resistència zero, independentment de la causa de la transició. Aquesta observació revela clarament, per primera vegada, la correlació entre la superconductivitat i els efectes fotovoltaics associats amb el potencial de la interfície metall-superconductor. La naturalesa d'aquest potencial a través de la interfície superconductor-metall normal ha estat un focus de recerca durant les últimes dècades, però hi ha moltes preguntes que encara esperen resposta. La mesura de l'efecte fotovoltaic pot ser un mètode eficaç per explorar els detalls (com ara la seva força i polaritat, etc.) d'aquest important potencial i, per tant, il·luminar l'efecte de proximitat superconductor a alta temperatura.

Un augment addicional de la temperatura de Tc0 a Tc condueix a una concentració més petita de parells de Cooper i a un augment del potencial d'interfície i, en conseqüència, a un Voc més gran. A Tc, la concentració de parells de Cooper esdevé zero i el potencial acumulat a la interfície arriba a un màxim, donant lloc a un Voc màxim i un Isc mínim. L'augment ràpid de Voc i Isc (valor absolut) en aquest rang de temperatura correspon a la transició superconductora que s'eixampla de ΔT ~ 3 K a ~34 K mitjançant la irradiació làser d'una intensitat de 502 mW/cm2 (Fig. 3b). En els estats normals per sobre de Tc, la tensió de circuit obert Voc disminueix amb la temperatura (part superior de la Fig. 3b), de manera similar al comportament lineal de Voc per a cèl·lules solars normals basades en unions pn31,32,33. Tot i que la taxa de canvi de Voc amb la temperatura (−dVoc/dT), que depèn fortament de la intensitat del làser, és molt menor que la de les cèl·lules solars normals, el coeficient de temperatura de Voc per a la unió YBCO-Ag té el mateix ordre de magnitud que el de les cèl·lules solars. El corrent de fuita d'una unió pn per a un dispositiu de cèl·lula solar normal augmenta amb l'augment de la temperatura, cosa que porta a una disminució de Voc a mesura que augmenta la temperatura. Les corbes IV lineals observades per a aquest sistema Ag-superconductor, a causa, en primer lloc, del potencial d'interfície molt petit i, en segon lloc, de la connexió esquena-esquena de les dues heterojuncions, fan que sigui difícil determinar el corrent de fuita. No obstant això, sembla molt probable que la mateixa dependència de la temperatura del corrent de fuita sigui responsable del comportament Voc observat en el nostre experiment. Segons la definició, Isc és el corrent necessari per produir un voltatge negatiu per compensar Voc de manera que el voltatge total sigui zero. A mesura que augmenta la temperatura, Voc es fa més petit, de manera que es necessita menys corrent per produir el voltatge negatiu. A més, la resistència de YBCO augmenta linealment amb la temperatura per sobre de Tc (part inferior de la figura 3b), cosa que també contribueix al menor valor absolut d'Isc a altes temperatures.

Cal tenir en compte que els resultats que es donen a les figures 2 i 3 s'obtenen irradiant amb làser a la zona al voltant dels elèctrodes del càtode. També s'han repetit les mesures amb un punt làser posicionat a l'ànode i s'han observat característiques IV i propietats fotovoltaiques similars, excepte que en aquest cas s'ha invertit la polaritat de Voc i Isc. Totes aquestes dades condueixen a un mecanisme per a l'efecte fotovoltaic, que està estretament relacionat amb la interfície superconductor-metall.

En resum, les característiques IV del sistema de pasta YBCO-Ag superconductor irradiat amb làser s'han mesurat com a funcions de la temperatura i la intensitat del làser. S'ha observat un efecte fotovoltaic notable en el rang de temperatura de 50 a 300 K. S'ha constatat que les propietats fotovoltaiques es correlacionen fortament amb la superconductivitat de les ceràmiques YBCO. Immediatament després de la transició de superconductor a no superconductor induït per la foto, es produeix una inversió de polaritat de Voc i Isc. La dependència de la temperatura de Voc i Isc mesurada a intensitat làser fixa també mostra una clara inversió de polaritat a una temperatura crítica per sobre de la qual la mostra es torna resistiva. En localitzar el punt làser en una part diferent de la mostra, mostrem que existeix un potencial elèctric a través de la interfície, que proporciona la força de separació per als parells electró-forat fotoinduïts. Aquest potencial d'interfície es dirigeix ​​des de YBCO cap a l'elèctrode metàl·lic quan YBCO és superconductor i canvia a la direcció oposada quan la mostra es torna no superconductora. L'origen del potencial pot estar associat naturalment amb l'efecte de proximitat a la interfície metall-superconductor quan el YBCO és superconductor i s'estima que és de ~10−8 mV a 50 K amb una intensitat làser de 502 mW/cm2. El contacte d'un material YBCO de tipus p en estat normal amb un material de pasta d'Ag de tipus n forma una unió quasi-pn que és responsable del comportament fotovoltaic de les ceràmiques YBCO a altes temperatures. Les observacions anteriors il·luminen l'efecte fotovoltaic en ceràmiques YBCO superconductores d'alta temperatura i obren el camí a noves aplicacions en dispositius optoelectrònics com ara detectors passius de llum ràpids i detectors de fotó únic.

Els experiments d'efecte fotovoltaic es van dur a terme en una mostra ceràmica YBCO de 0,52 mm de gruix i 8,64 × 2,26 mm2 de forma rectangular i il·luminada per làser blau d'ona contínua (λ = 450 nm) amb una mida de punt làser d'1,25 mm de radi. L'ús de mostres a granel en lloc de pel·lícules primes ens permet estudiar les propietats fotovoltaiques del superconductor sense haver de tractar amb la complexa influència del substrat6,7. A més, el material a granel podria ser propici pel seu procediment de preparació senzill i el seu cost relativament baix. Els cables de coure estan cohesionats a la mostra YBCO amb pasta de plata formant quatre elèctrodes circulars d'aproximadament 1 mm de diàmetre. La distància entre els dos elèctrodes de voltatge és d'uns 5 mm. Les característiques IV de la mostra es van mesurar mitjançant el magnetòmetre de mostra de vibració (VersaLab, Quantum Design) amb una finestra de cristall de quars. Es va utilitzar el mètode estàndard de quatre cables per obtenir les corbes IV. Les posicions relatives dels elèctrodes i el punt làser es mostren a la figura 1i.

Com citar aquest article: Yang, F. et al. Origen de l'efecte fotovoltaic en ceràmiques superconductores de YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG i Testardi, LR. Voltatges induïts per làser amb prohibició de simetria en YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP i Dong, SY. Origen del senyal fotovoltaic anòmal en Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR i Wang, GW. Mesura de voltatges induïts per làser de Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Voltatges induïts per làser transitoris en pel·lícules a temperatura ambient de YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS i Zheng, JP. Resposta fotovoltaica anòmala en YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. i Hiroi, Z. Injecció fotogenerada de portadors de forats a YBa2Cu3O7−x en una heteroestructura d'òxid. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Estudi de fotoemissió de pel·lícules primes de YBa2Cu3Oy sota il·luminació lluminosa. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Efecte fotovoltaic de l'heterounió YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb recuita a diferents pressions parcials d'oxigen. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Estructura de dos buits en monocristalls de Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. i Mihailovic, D. Dinàmica de relaxació de quasipartícules en superconductors amb diferents estructures de gap: teoria i experiments sobre YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ i Shen, BG Propietats rectificadores de l'heterounió YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL i Tanner, DB. Absorció excitònica i superconductivitat en YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ i Stucky, G. Conductivitat fotoinduïda transitòria en monocristalls semiconductors de YBa2Cu3O6.3: recerca de l'estat metàl·lic fotoinduït i de la superconductivitat fotoinduïda. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Model de tunelització de l'efecte de proximitat superconductor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Efecte de proximitat superconductor estudiat a escala de longitud mesoscòpica. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. i Manske, D. Efecte de proximitat amb superconductors no centrossimètrics. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Fort efecte de proximitat superconductora en estructures híbrides Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS i Pearson, GL Una nova fotocèl·lula de unió pn de silici per convertir la radiació solar en energia elèctrica. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Efectes de les impureses sobre la longitud de coherència superconductora en monocristalls de YBa2Cu3O6.9 dopats amb Zn o Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. i Segawa, K. Magnetorresistència de monocristalls de YBa2Cu3Oy no maclats en una àmplia gamma de dopatge: dependència anòmala de la longitud de coherència respecte al dopatge de forats. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD i Cooper, JR. Sistemàtica en el poder termoelèctric d'òxids d'alta T. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Desplaçament del moment dependent de la densitat del portador del pic coherent i el mode fonònic LO en superconductors d'alta Tc de tipus p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Reducció de forats i acumulació d'electrons en pel·lícules primes de YBa2Cu3Oy mitjançant una tècnica electroquímica: evidència d'un estat metàl·lic de tipus n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT La física i la química de l'alçada de la barrera de Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. i Langenberg, DN. Efectes de la ruptura dinàmica de parells externs en pel·lícules superconductores. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Augment fotoinduït de la superconductivitat. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Fotoconductivitat persistent en pel·lícules de YBa2Cu3O6+x com a mètode de fotodopatge cap a fases metàl·liques i superconductores. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Dinàmica de xarxa no lineal com a base per a una superconductivitat millorada en YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Superconductivitat induïda per llum en un cuprat ordenat per franges. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK i Al-Nuaim, IA. La dependència funcional de la temperatura dels COV per a una cèl·lula solar en relació amb la seva eficiència: nou enfocament. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM i Anderson, WA Efectes de la temperatura en cèl·lules solars de silici amb barrera Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. i Tuladhar, SM Dependència de la temperatura per als paràmetres del dispositiu fotovoltaic de cèl·lules solars de polímer-ful·lerè en condicions de funcionament. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Aquest treball ha estat finançat per la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina (beca núm. 60571063) i els Projectes de Recerca Fonamental de la província de Henan, Xina (beca núm. 122300410231).

FY va escriure el text de l'article i MYH va preparar la mostra ceràmica YBCO. FY i MYH van realitzar l'experiment i van analitzar els resultats. FGC va liderar el projecte i la interpretació científica de les dades. Tots els autors van revisar el manuscrit.

Aquesta obra està subjecta a una llicència Creative Commons Attribution 4.0 International. Les imatges o altre material de tercers d'aquest article s'inclouen a la llicència Creative Commons de l'article, tret que s'indiqui el contrari a la línia de crèdits; si el material no està inclòs sota la llicència Creative Commons, els usuaris hauran d'obtenir permís del titular de la llicència per reproduir-lo. Per veure una còpia d'aquesta llicència, visiteu http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. i Chang, F. Origen de l'efecte fotovoltaic en ceràmiques superconductores de YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

En enviar un comentari, acceptes complir els nostres Termes i Directrius de la comunitat. Si trobes alguna cosa abusiva o que no compleix els nostres termes o directrius, marca-la com a inadequada.