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Segnalemu un effettu fotovoltaicu rimarchevule in a ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) trà 50 è 300 K induttu da l'illuminazione laser blu, chì hè direttamente ligata à a superconduttività di YBCO è à l'interfaccia YBCO-elettrodu metallicu. Ci hè una inversione di polarità per a tensione à circuitu apertu Voc è a corrente di cortu circuitu Isc quandu YBCO subisce una transizione da u statu superconduttore à u statu resistivu. Mostremu chì esiste un putenziale elettricu à traversu l'interfaccia superconduttore-metallu nurmale, chì furnisce a forza di separazione per e coppie elettrone-lacunu fotoindotti. Stu putenziale d'interfaccia si dirige da YBCO à l'elettrodu metallicu quandu YBCO hè superconduttore è passa in a direzzione opposta quandu YBCO diventa non superconduttore. L'origine di u putenziale pò esse facilmente assuciata à l'effettu di prossimità à l'interfaccia metallu-superconduttore quandu YBCO hè superconduttore è u so valore hè stimatu à ~10-8 mV à 50 K cù una intensità laser di 502 mW/cm2. A cumbinazione di un materiale di tipu p YBCO in statu nurmale cù un materiale di tipu n Ag-paste forma una giunzione quasi-pn chì hè rispunsevule di u cumpurtamentu fotovoltaicu di a ceramica YBCO à alte temperature. I nostri risultati puderanu apre a strada à nuove applicazioni di dispositivi fotono-elettronici è fà luce nantu à l'effettu di prossimità à l'interfaccia superconduttore-metallu.
A tensione fotoindotta in i superconduttori à alta temperatura hè stata signalata à l'iniziu di l'anni 1990 è hè stata ampiamente investigata dapoi, ma a so natura è u so mecanismu restanu incerti1,2,3,4,5. I filmi sottili YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, in particulare, sò studiati intensamente in forma di cellula fotovoltaica (PV) per via di u so gap energeticu regulabile9,10,11,12,13. Tuttavia, l'alta resistenza di u sustratu porta sempre à una bassa efficienza di cunversione di u dispusitivu è maschera e proprietà fotovoltaiche primarie di YBCO8. Quì riportemu un rimarchevule effettu fotovoltaicu induttu da l'illuminazione laser blu (λ = 450 nm) in ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) trà 50 è 300 K (Tc ~ 90 K). Mostremu chì l'effettu PV hè direttamente ligatu à a superconduttività di YBCO è à a natura di l'interfaccia YBCO-elettrodu metallicu. Ci hè un'inversione di polarità per a tensione à circuitu apertu Voc è a corrente di cortu circuitu Isc quandu YBCO subisce una transizione da a fase superconduttrice à un statu resistivo. Si propone chì esista un putenziale elettricu à traversu l'interfaccia superconduttore-metallu nurmale, chì furnisce a forza di separazione per e coppie elettrone-lacunu fotoindotti. Stu putenziale d'interfaccia si dirige da YBCO à l'elettrodu metallicu quandu YBCO hè superconduttore è cambia in a direzzione opposta quandu u campione diventa non superconduttore. L'origine di u putenziale pò esse naturalmente assuciata à l'effettu di prossimità14,15,16,17 à l'interfaccia metallu-superconduttore quandu YBCO hè superconduttore è u so valore hè stimatu à ~10−8 mV à 50 K cù una intensità laser di 502 mW/cm2. A cumminazione di un materiale di tipu p YBCO in statu nurmale cù un materiale di tipu n Ag-paste forma, assai prubabilmente, una giunzione quasi-pn chì hè rispunsevule di u cumpurtamentu PV di a ceramica YBCO à alte temperature. E nostre osservazioni facenu luce nantu à l'origine di l'effettu PV in a ceramica YBCO superconduttrice à alta temperatura è aprenu a strada à a so applicazione in dispositivi optoelettronici cum'è u rilevatore di luce passiva rapida, ecc.
A figura 1a-c mostra e caratteristiche IV di u campione ceramicu YBCO à 50 K. Senza illuminazione luminosa, a tensione à traversu u campione ferma à zeru cù a corrente chì cambia, cum'è si pò aspittà da un materiale superconduttore. Un effettu fotovoltaicu evidente appare quandu u fasciu laser hè direttu à u catodu (Fig. 1a): e curve IV parallele à l'asse I si movenu versu u bassu cù l'intensità laser crescente. Hè evidente chì ci hè una tensione fotoindotta negativa ancu senza alcuna corrente (spessu chjamata tensione à circuitu apertu Voc). A pendenza zero di a curva IV indica chì u campione hè sempre superconduttore sottu illuminazione laser.
(a-c) è 300 K (e-g). I valori di V(I) sò stati ottenuti spazzendu a corrente da -10 mA à +10 mA in u vacuum. Solu una parte di i dati sperimentali hè presentata per chiarezza. a, Caratteristiche corrente-tensione di YBCO misurate cù un puntu laser posizionatu à u catodu (i). Tutte e curve IV sò linee rette orizzontali chì indicanu chì u campione hè sempre superconduttore cù irradiazione laser. A curva si move in giù cù l'intensità laser crescente, indicendu chì esiste un putenziale negativu (Voc) trà i dui conduttori di tensione ancu cù corrente zero. E curve IV restanu invariate quandu u laser hè direttu à u centru di u campione à 50 K (b) o 300 K (f). A linea orizzontale si move in su quandu l'anodu hè illuminatu (c). Un mudellu schematicu di giunzione metallo-superconduttore à 50 K hè mostratu in d. E caratteristiche corrente-tensione di YBCO in statu nurmale à 300 K misurate cù un fasciu laser puntatu à u catodu è l'anodu sò date rispettivamente in e è g. In cuntrastu cù i risultati à 50 K, a pendenza diversa da nulla di e linee rette indica chì YBCO hè in statu nurmale; i valori di Voc varianu cù l'intensità di a luce in una direzzione opposta, ciò chì indica un mecanismu di separazione di carica differente. Una pussibile struttura d'interfaccia à 300 K hè rapprisentata in hj L'imagine vera di u campione cù i condotti.
YBCO riccu d'ossigenu in statu superconduttore pò assorbe quasi tuttu u spettru di a luce solare per via di u so picculu spaziu energeticu (Eg)9,10, creendu cusì coppie elettrone-lacuna (e-h). Per pruduce una tensione à circuitu apertu Voc per assorbimentu di fotoni, hè necessariu separà spazialmente e coppie eh fotogenerate prima chì si verifichi a ricombinazione18. U Voc negativu, relativu à u catodu è l'anodu cum'è indicatu in a Fig. 1i, suggerisce chì esiste un putenziale elettricu attraversu l'interfaccia metallu-superconduttore, chì spazza l'elettroni versu l'anodu è i lacune versu u catodu. Sè questu hè u casu, ci deve esse ancu un putenziale chì punta da u superconduttore à l'elettrodu metallicu à l'anodu. Di cunsiguenza, si otterrebbe un Voc pusitivu se l'area di u campione vicinu à l'anodu hè illuminata. Inoltre, ùn ci devenu esse tensioni fotoindotti quandu u puntu laser hè puntatu versu zone luntane da l'elettrodi. Hè certamente u casu cum'è si pò vede da a Fig. 1b,c!.
Quandu u puntu luminosu si move da l'elettrodu catodicu à u centru di u campione (circa 1,25 mm di distanza da l'interfacce), ùn si pò osservà alcuna variazione di e curve IV è nisun Voc cù l'aumentu di l'intensità laser à u valore massimu dispunibule (Fig. 1b). Naturalmente, questu risultatu pò esse attribuitu à a durata di vita limitata di i purtatori fotoindotti è à a mancanza di forza di separazione in u campione. E coppie elettrone-lacunu ponu esse create ogni volta chì u campione hè illuminatu, ma a maiò parte di e coppie e-h saranu annientate è ùn si osserva alcun effettu fotovoltaicu se u puntu laser cade nantu à zone luntane da qualsiasi di l'elettrodi. Spostendu u puntu laser à l'elettrodi di l'anodu, e curve IV parallele à l'asse I si movenu versu l'altu cù l'aumentu di l'intensità laser (Fig. 1c). Un campu elettricu integratu simile esiste in a giunzione metallu-superconduttore à l'anodu. Tuttavia, l'elettrodu metallicu si cunnetta à u conduttore pusitivu di u sistema di prova sta volta. I fori prudutti da u laser sò spinti versu u conduttore di l'anodu è cusì si osserva un Voc pusitivu. I risultati presentati quì furniscenu una forte prova chì esiste effettivamente un putenziale d'interfaccia chì punta da u superconduttore à l'elettrodu metallicu.
L'effettu fotovoltaicu in a ceramica YBa2Cu3O6.96 à 300 K hè mostratu in Fig. 1e-g. Senza illuminazione luminosa, a curva IV di u campione hè una linea retta chì attraversa l'origine. Sta linea retta si move in su parallela à quella originale cù una crescente intensità laser chì irradia à i conduttori catodici (Fig. 1e). Ci sò dui casi limitanti d'interessu per un dispositivu fotovoltaicu. A cundizione di cortu circuitu si verifica quandu V = 0. A corrente in questu casu hè chjamata corrente di cortu circuitu (Isc). U secondu casu limitante hè a cundizione di circuitu apertu (Voc) chì si verifica quandu R→∞ o a corrente hè zero. A Figura 1e mostra chjaramente chì Voc hè pusitivu è aumenta cù l'aumentu di l'intensità luminosa, in cuntrastu cù u risultatu ottenutu à 50 K; mentre chì un Isc negativu hè osservatu cresce in magnitudine cù l'illuminazione luminosa, un cumpurtamentu tipicu di e cellule solari nurmali.
Similmente, quandu u raghju laser hè puntatu versu zone luntane da l'elettrodi, a curva V(I) hè indipendente da l'intensità di u laser è ùn ci hè micca effettu fotovoltaicu (Fig. 1f). Simile à a misurazione à 50 K, e curve IV si movenu in a direzzione opposta mentre l'elettrodu anodicu hè irradiatu (Fig. 1g). Tutti questi risultati ottenuti per questu sistema di pasta YBCO-Ag à 300 K cù laser irradiatu in diverse pusizioni di u campione sò coerenti cù un putenziale d'interfaccia oppostu à quellu osservatu à 50 K.
A maiò parte di l'elettroni si condensanu in coppie di Cooper in YBCO superconduttore sottu à a so temperatura di transizione Tc. Mentre sò in l'elettrodu metallicu, tutti l'elettroni restanu in forma singulare. Ci hè un grande gradiente di densità sia per l'elettroni singulari sia per e coppie di Cooper in vicinanza di l'interfaccia metallu-superconduttore. L'elettroni singulari di trasportu di maggioranza in u materiale metallicu si diffonderanu in a regione superconduttore, mentre chì e coppie di Cooper di trasportu di maggioranza in a regione YBCO si diffonderanu in a regione metallica. Siccomu e coppie di Cooper chì portanu più cariche è anu una mobilità più grande di l'elettroni singulari si diffondenu da YBCO in a regione metallica, l'atomi carichi pusitivamente sò lasciati daretu, risultendu in un campu elettricu in a regione di carica spaziale. A direzzione di stu campu elettricu hè mostrata in u diagramma schematicu Fig. 1d. L'illuminazione di fotoni incidenti vicinu à a regione di carica spaziale pò creà coppie eh chì saranu separate è spazzate via producendu una fotocorrente in a direzzione di polarizazione inversa. Appena l'elettroni escenu da u campu elettricu integratu, sò condensati in coppie è scorrenu versu l'altru elettrodu senza resistenza. In questu casu, u Voc hè oppostu à a polarità predefinita è mostra un valore negativu quandu u raghju laser punta versu a zona intornu à l'elettrodu negativu. Da u valore di Voc, u putenziale à traversu l'interfaccia pò esse stimatu: a distanza trà i dui fili di tensione d hè ~5 × 10−3 m, u spessore di l'interfaccia metallu-superconduttore, di, deve esse di u listessu ordine di grandezza cum'è a lunghezza di cuerenza di u superconduttore YBCO (~1 nm)19,20, pigliate u valore di Voc = 0,03 mV, u putenziale Vms à l'interfaccia metallu-superconduttore hè valutatu à ~10−11 V à 50 K cù una intensità laser di 502 mW/cm2, aduprendu l'equazione,
Vulemu mette in risaltu quì chì a tensione fotoindotta ùn pò esse spiegata da l'effettu fototermicu. Hè statu stabilitu sperimentalmente chì u coefficientu Seebeck di u superconduttore YBCO hè Ss = 021. U coefficientu Seebeck per i fili di rame hè in l'intervallu di SCu = 0,34–1,15 μV/K3. A temperatura di u filu di rame à u puntu laser pò esse aumentata di una piccula quantità di 0,06 K cù una intensità laser massima dispunibule à 50 K. Questu puderia pruduce un putenziale termoelettricu di 6,9 × 10−8 V chì hè trè ordini di magnitudine più chjucu di u Voc ottenutu in a Fig 1 (a). Hè evidente chì l'effettu termoelettricu hè troppu chjucu per spiegà i risultati sperimentali. In fatti, a variazione di temperatura dovuta à l'irradiazione laser sparirebbe in menu di un minutu, cusì chì u cuntributu di l'effettu termicu pò esse ignoratu in modu sicuru.
Questu effettu fotovoltaicu di YBCO à temperatura ambiente rivela chì un mecanismu di separazione di carica differente hè implicatu quì. YBCO superconduttore in statu nurmale hè un materiale di tipu p cù buchi cum'è purtatori di carica22,23, mentre chì a pasta d'argentu metallica hà caratteristiche di un materiale di tipu n. Simile à e giunzioni pn, a diffusione di l'elettroni in a pasta d'argentu è i buchi in a ceramica YBCO formeranu un campu elettricu internu chì punta à a ceramica YBCO à l'interfaccia (Fig. 1h). Hè questu campu internu chì furnisce a forza di separazione è porta à un Voc pusitivu è un Isc negativu per u sistema di pasta YBCO-Ag à temperatura ambiente, cum'è mostratu in Fig. 1e. In alternativa, Ag-YBCO puderia furmà una giunzione Schottky di tipu p chì porta ancu à un putenziale d'interfaccia cù a stessa polarità cum'è in u mudellu presentatu sopra24.
Per investigà u prucessu di evoluzione dettagliatu di e proprietà fotovoltaiche durante a transizione superconduttrice di YBCO, e curve IV di u campione à 80 K sò state misurate cù intensità laser selezziunate chì illuminanu l'elettrodu catodicu (Fig. 2). Senza irradiazione laser, a tensione à traversu u campione si mantene à zeru indipendentemente da a corrente, indicendu u statu superconduttore di u campione à 80 K (Fig. 2a). Simile à i dati ottenuti à 50 K, e curve IV parallele à l'asse I si movenu in giù cù l'intensità laser crescente finu à chì si ghjunghje à un valore criticu Pc. Sopra à sta intensità laser critica (Pc), u superconduttore subisce una transizione da una fase superconduttrice à una fase resistiva; a tensione cumencia à aumentà cù a corrente per via di l'apparizione di resistenza in u superconduttore. Di cunsiguenza, a curva IV cumencia à intersecassi cù l'asse I è l'asse V purtendu à un Voc negativu è un Isc pusitivu à u principiu. Avà u campione pare esse in un statu speciale in u quale a polarità di Voc è Isc hè estremamente sensibile à l'intensità luminosa; Cù un aumentu assai chjucu di l'intensità luminosa, Isc hè cunvertitu da pusitivu à negativu è Voc da valore negativu à pusitivu, passendu l'origine (l'alta sensibilità di e proprietà fotovoltaiche, in particulare u valore di Isc, à l'illuminazione luminosa pò esse vista più chjaramente in a Fig. 2b). À a più alta intensità laser dispunibule, e curve IV anu l'intenzione di esse parallele trà di elle, ciò chì significa u statu nurmale di u campione YBCO.
U centru di u puntu laser hè pusizionatu intornu à l'elettrodi di u catodu (vede Fig. 1i). a, Curve IV di YBCO irradiatu cù diverse intensità laser. b (in cima), Dipendenza di l'intensità laser da a tensione à circuitu apertu Voc è a corrente di cortu circuitu Isc. I valori Isc ùn ponu esse ottenuti à bassa intensità luminosa (< 110 mW/cm2) perchè e curve IV sò parallele à l'asse I quandu u campione hè in statu superconduttore. b (in fondu), resistenza differenziale in funzione di l'intensità laser.
A dipendenza di l'intensità laser di Voc è Isc à 80 K hè mostrata in Fig. 2b (in cima). E proprietà fotovoltaiche ponu esse discusse in trè regioni d'intensità luminosa. A prima regione hè trà 0 è Pc, in a quale YBCO hè superconduttore, Voc hè negativu è diminuisce (u valore assolutu aumenta) cù l'intensità luminosa è righjunghjendu un minimu à Pc. A seconda regione hè da Pc à un'altra intensità critica P0, in a quale Voc aumenta mentre Isc diminuisce cù l'aumentu di l'intensità luminosa è tramindui righjunghjenu zeru à P0. A terza regione hè sopra à P0 finu à chì u statu nurmale di YBCO hè righjuntu. Ancu s'è Voc è Isc varianu cù l'intensità luminosa in u listessu modu cum'è in a regione 2, anu una polarità opposta sopra à l'intensità critica P0. L'impurtanza di P0 stà in u fattu chì ùn ci hè micca effettu fotovoltaicu è u mecanismu di separazione di carica cambia qualitativamente in questu puntu particulare. U campione YBCO diventa micca superconduttore in questu intervallu d'intensità luminosa, ma u statu nurmale ùn hè ancu statu righjuntu.
Chiaramente, e caratteristiche fotovoltaiche di u sistema sò strettamente ligate à a superconduttività di YBCO è à a so transizione superconduttrice. A resistenza differenziale, dV/dI, di YBCO hè mostrata in a Fig. 2b (in fondu) cum'è una funzione di l'intensità di u laser. Cum'è digià mintuvatu, u putenziale elettricu integratu in l'interfaccia per via di i punti di diffusione di e coppie di Cooper da u superconduttore à u metallu. Simile à quellu osservatu à 50 K, l'effettu fotovoltaicu hè rinfurzatu cù l'aumentu di l'intensità di u laser da 0 à Pc. Quandu l'intensità di u laser righjunghji un valore ligeramente sopra à Pc, a curva IV cumencia à inclinà si è a resistenza di u campione cumencia à cumparisce, ma a polarità di u putenziale di l'interfaccia ùn hè ancu cambiata. L'effettu di l'eccitazione ottica nantu à a superconduttività hè statu investigatu in a regione visibile o vicinu à l'infrarossu. Mentre u prucessu basicu hè di rompe e coppie di Cooper è di distrughje a superconduttività25,26, in certi casi a transizione di superconduttività pò esse rinfurzata27,28,29, ponu ancu esse indotte nuove fasi di superconduttività30. L'assenza di superconduttività à Pc pò esse attribuita à a rottura di e coppie fotoindutte. À u puntu P0, u putenziale à traversu l'interfaccia diventa zeru, ciò chì indica chì a densità di carica in i dui lati di l'interfaccia righjunghji u listessu livellu sottu à sta intensità particulare di l'illuminazione luminosa. Un ulteriore aumentu di l'intensità di u laser porta à a distruzzione di più coppie Cooper è YBCO hè gradualmente trasfurmatu torna in un materiale di tipu p. Invece di a diffusione di l'elettroni è di e coppie Cooper, a caratteristica di l'interfaccia hè avà determinata da a diffusione di l'elettroni è di i lacune chì porta à una inversione di polarità di u campu elettricu in l'interfaccia è dunque un Voc pusitivu (paragunate Fig.1d,h). À una intensità laser assai alta, a resistenza differenziale di YBCO si satura à un valore currispondente à u statu nurmale è sia Voc sia Isc tendenu à varià linearmente cù l'intensità laser (Fig. 2b). Questa osservazione rivela chì l'irradiazione laser nantu à YBCO in statu nurmale ùn cambierà più a so resistività è a caratteristica di l'interfaccia superconduttore-metallu, ma aumenterà solu a cuncentrazione di e coppie elettrone-lacunu.
Per investigà l'effettu di a temperatura nantu à e proprietà fotovoltaiche, u sistema metallu-superconduttore hè statu irradiatu à u catodu cù un laser blu d'intensità 502 mW/cm2. E curve IV ottenute à temperature selezziunate trà 50 è 300 K sò date in Fig. 3a. A tensione à circuitu apertu Voc, a corrente di cortu circuitu Isc è a resistenza differenziale ponu tandu esse ottenute da queste curve IV è sò mostrate in Fig. 3b. Senza illuminazione luminosa, tutte e curve IV misurate à diverse temperature passanu l'origine cum'è previstu (insertu di Fig. 3a). E caratteristiche IV cambianu drasticamente cù l'aumentu di a temperatura quandu u sistema hè illuminatu da un raghju laser relativamente forte (502 mW/cm2). À basse temperature, e curve IV sò linee rette parallele à l'asse I cù valori negativi di Voc. Questa curva si move versu l'altu cù l'aumentu di a temperatura è si trasforma gradualmente in una linea cù una pendenza diversa da zero à una temperatura critica Tcp (Fig. 3a (in cima)). Pare chì tutte e curve caratteristiche IV rotinu intornu à un puntu in u terzu quadrantu. Voc aumenta da un valore negativu à unu pusitivu mentre Isc diminuisce da un valore pusitivu à un valore negativu. Sopra à a temperatura di transizione superconduttrice originale Tc di YBCO, a curva IV cambia in modu abbastanza diversu cù a temperatura (in fondu di a Fig. 3a). Prima, u centru di rotazione di e curve IV si move versu u primu quadrantu. Siconda, Voc cuntinueghja à diminuisce è Isc aumenta cù l'aumentu di a temperatura (in cima di a Fig. 3b). Terzu, a pendenza di e curve IV aumenta linearmente cù a temperatura, risultendu in un cuefficiente di temperatura pusitivu di resistenza per YBCO (in fondu di a Fig. 3b).
Dipendenza da a temperatura di e caratteristiche fotovoltaiche per u sistema di pasta YBCO-Ag sottu illuminazione laser di 502 mW/cm2.
U centru di u puntu laser hè pusizionatu intornu à l'elettrodi di u catodu (vede Fig. 1i). a, curve IV ottenute da 50 à 90 K (in cima) è da 100 à 300 K (in fondu) cù un incrementu di temperatura di 5 K è 20 K, rispettivamente. L'insertu a mostra e caratteristiche IV à parechje temperature in u bughju. Tutte e curve attraversanu u puntu d'origine. b, tensione à circuitu apertu Voc è corrente di cortu circuitu Isc (in cima) è a resistenza differenziale, dV/dI, di YBCO (in fondu) in funzione di a temperatura. A temperatura di transizione superconduttrice à resistenza zero Tcp ùn hè micca data perchè hè troppu vicina à Tc0.
Trè temperature critiche ponu esse ricunnisciute da a Fig. 3b: Tcp, sopra à a quale YBCO diventa micca superconduttore; Tc0, à a quale sia Voc sia Isc diventanu zero è Tc, a temperatura di transizione superconduttrice d'iniziu originale di YBCO senza irradiazione laser. Sottu à Tcp ~ 55 K, l'YBCO irradiatu cù laser hè in statu superconduttore cù una cuncentrazione relativamente alta di coppie Cooper. L'effettu di l'irradiazione laser hè di riduce a temperatura di transizione superconduttrice di resistenza zero da 89 K à ~ 55 K (in fondu di a Fig. 3b) riducendu a cuncentrazione di coppie Cooper in più di pruduce tensione è corrente fotovoltaiche. L'aumentu di a temperatura rompe ancu e coppie Cooper, purtendu à un putenziale più bassu in l'interfaccia. Di cunsiguenza, u valore assolutu di Voc diventerà più chjucu, ancu s'è a stessa intensità di illuminazione laser hè applicata. U putenziale di l'interfaccia diventerà sempre più chjucu cù un ulteriore aumentu di a temperatura è ghjunghje à zero à Tc0. Ùn ci hè micca effettu fotovoltaicu in questu puntu particulare perchè ùn ci hè micca campu internu per separà e coppie elettrone-lacunu fotoindotti. Un'inversione di polarità di u putenziale si verifica sopra à sta temperatura critica postu chì a densità di carica libera in a pasta Ag hè più grande di quella in YBCO chì hè gradualmente trasferita torna à un materiale di tipu p. Quì vulemu mette in risaltu chì l'inversione di polarità di Voc è Isc si verifica subitu dopu à a transizione superconduttiva di resistenza zero, indipendentemente da a causa di a transizione. Questa osservazione rivela chjaramente, per a prima volta, a currelazione trà a superconduttività è l'effetti fotovoltaici assuciati à u putenziale di l'interfaccia metallu-superconduttore. A natura di questu putenziale attraversu l'interfaccia superconduttore-metallu nurmale hè stata un focus di ricerca per l'ultimi decennii, ma ci sò parechje dumande chì aspettanu sempre una risposta. A misurazione di l'effettu fotovoltaicu pò esse un metudu efficace per esplorà i dettagli (cum'è a so forza è a polarità ecc.) di questu putenziale impurtante è dunque fà luce nantu à l'effettu di prossimità superconduttiva à alta temperatura.
Un ulteriore aumentu di a temperatura da Tc0 à Tc porta à una cuncentrazione più chjuca di coppie di Cooper è un aumentu di u putenziale di l'interfaccia è dunque un Voc più grande. À Tc, a cuncentrazione di coppie di Cooper diventa zero è u putenziale di custruzzione à l'interfaccia righjunghje un massimu, risultendu in Voc massimu è Isc minimu. L'aumentu rapidu di Voc è Isc (valore assolutu) in questu intervallu di temperatura currisponde à a transizione superconduttrice chì hè allargata da ΔT ~ 3 K à ~ 34 K per irradiazione laser di intensità 502 mW/cm2 (Fig. 3b). In i stati nurmali sopra à Tc, a tensione à circuitu apertu Voc diminuisce cù a temperatura (in cima di a Fig. 3b), simile à u cumpurtamentu lineare di Voc per e cellule solari nurmali basate nantu à giunzioni pn31,32,33. Ancu s'è a velocità di cambiamentu di Voc cù a temperatura (−dVoc/dT), chì dipende assai da l'intensità di u laser, hè assai più chjuca chè quella di e cellule solare nurmali, u coefficientu di temperatura di Voc per a giunzione YBCO-Ag hà u listessu ordine di grandezza chè quellu di e cellule solare. A corrente di dispersione di una giunzione pn per un dispositivu di cella solare nurmale aumenta cù l'aumentu di a temperatura, purtendu à una diminuzione di Voc cù l'aumentu di a temperatura. E curve IV lineari osservate per questu sistema Ag-superconduttore, per via prima di u putenziale d'interfaccia assai chjucu è secondu di a cunnessione back-to-back di e duie eterogiunzioni, rendenu difficiule a determinazione di a corrente di dispersione. Tuttavia, pare assai prubabile chì a stessa dipendenza da a temperatura di a corrente di dispersione sia rispunsevule di u cumpurtamentu Voc osservatu in u nostru esperimentu. Sicondu a definizione, Isc hè a corrente necessaria per pruduce una tensione negativa per cumpensà Voc in modu chì a tensione tutale sia zero. Cù l'aumentu di a temperatura, Voc diventa più chjucu in modu chì hè necessaria menu corrente per pruduce a tensione negativa. Inoltre, a resistenza di YBCO aumenta linearmente cù a temperatura sopra à Tc (in fondu di a Fig. 3b), ciò chì cuntribuisce ancu à u valore assolutu più chjucu di Isc à alte temperature.
Nutate chì i risultati dati in e Fig. 2,3 sò ottenuti per irradiazione laser in l'area intornu à l'elettrodi di u catodu. E misurazioni sò state ancu ripetute cù un puntu laser posizionatu à l'anodu è sò state osservate caratteristiche IV è proprietà fotovoltaiche simili, eccettu chì a polarità di Voc è Isc hè stata invertita in questu casu. Tutti questi dati portanu à un mecanismu per l'effettu fotovoltaicu, chì hè strettamente ligatu à l'interfaccia superconduttore-metallu.
In riassuntu, e caratteristiche IV di u sistema di pasta YBCO-Ag superconduttrice irradiata da laser sò state misurate cum'è funzioni di a temperatura è di l'intensità di u laser. Un effettu fotovoltaicu rimarchevule hè statu osservatu in l'intervallu di temperatura da 50 à 300 K. Si hè trovu chì e proprietà fotovoltaiche sò fortemente correlate à a superconduttività di a ceramica YBCO. Un'inversione di polarità di Voc è Isc si verifica subitu dopu a transizione da superconduttrice à non superconduttrice fotoindutta. A dipendenza da a temperatura di Voc è Isc misurata à intensità laser fissa mostra ancu una distinta inversione di polarità à una temperatura critica sopra a quale u campione diventa resistivu. Localizendu u puntu laser in una parte diversa di u campione, mostremu chì esiste un putenziale elettricu attraversu l'interfaccia, chì furnisce a forza di separazione per e coppie elettrone-lacunu fotoindutte. Stu putenziale d'interfaccia si dirige da YBCO à l'elettrodu metallicu quandu YBCO hè superconduttrice è passa in a direzione opposta quandu u campione diventa non superconduttrice. L'origine di u putenziale pò esse naturalmente assuciata à l'effettu di prossimità à l'interfaccia metallu-superconduttore quandu YBCO hè superconduttore è hè stimatu à ~10−8 mV à 50 K cù una intensità laser di 502 mW/cm2. U cuntattu di un materiale di tipu p YBCO in statu nurmale cù un materiale di tipu n Ag-paste forma una giunzione quasi-pn chì hè rispunsevule di u cumpurtamentu fotovoltaicu di a ceramica YBCO à alte temperature. L'osservazioni sopra menzionate facenu luce nantu à l'effettu PV in a ceramica YBCO superconduttrice à alta temperatura è apre a strada à nuove applicazioni in dispositivi optoelettronici cum'è u rilevatore di luce passiva rapida è u rilevatore di fotoni singuli.
L'esperimenti di l'effettu fotovoltaicu sò stati realizati nantu à un campione ceramicu YBCO di 0,52 mm di spessore è 8,64 × 2,26 mm2 di forma rettangulare è illuminatu da un laser blu à onda cuntinua (λ = 450 nm) cù una dimensione di u spot laser di 1,25 mm di raghju. L'usu di un campione in massa invece di un film sottile ci permette di studià e proprietà fotovoltaiche di u superconduttore senza avè da trattà cù l'influenza cumplessa di u sustratu6,7. Inoltre, u materiale in massa puderia esse propiziu per a so semplice procedura di preparazione è u so costu relativamente bassu. I fili di rame sò cuerenti nantu à u campione YBCO cù pasta d'argentu chì formanu quattru elettrodi circulari di circa 1 mm di diametru. A distanza trà i dui elettrodi di tensione hè di circa 5 mm. E caratteristiche IV di u campione sò state misurate aduprendu u magnetometru di u campione à vibrazione (VersaLab, Quantum Design) cù una finestra di cristallu di quarzu. U metudu standard à quattru fili hè statu impiegatu per ottene e curve IV. E pusizioni relative di l'elettrodi è di u spot laser sò mostrate in a Fig. 1i.
Cumu citallu st'articulu: Yang, F. et al. Origine di l'effettu fotovoltaicu in a ceramica superconduttrice YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
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FY hà scrittu u testu di l'articulu è MYH hà preparatu u campione ceramicu YBCO. FY è MYH anu realizatu l'esperimentu è analizatu i risultati. FGC hà guidatu u prugettu è l'interpretazione scientifica di i dati. Tutti l'autori anu rivisu u manuscrittu.
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Yang, F., Han, M. & Chang, F. Origine di l'effettu fotovoltaicu in a ceramica superconduttrice YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
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Data di publicazione: 22 d'aprile di u 2020