Oprindelsen af ​​den fotovoltaiske effekt i superledende YBa2Cu3O6.96 keramik

Tak, fordi du besøger nature.com. Du bruger en browserversion med begrænset understøttelse af CSS. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en nyere browser (eller slår kompatibilitetstilstand fra i Internet Explorer). I mellemtiden viser vi webstedet uden stilarter og JavaScript for at sikre fortsat understøttelse.

Vi rapporterer en bemærkelsesværdig fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellem 50 og 300 K induceret af blå laserbelysning, hvilket er direkte relateret til YBCO's superledningsevne og YBCO-metallisk elektrode-grænsefladen. Der er en polaritetsomvending for tomgangsspændingen Voc og kortslutningsstrømmen Isc, når YBCO gennemgår en overgang fra superledende til resistiv tilstand. Vi viser, at der eksisterer et elektrisk potentiale på tværs af superleder-normalmetal-grænsefladen, som giver separationskraften for de fotoinducerede elektron-hul-par. Dette grænsefladepotentiale går fra YBCO til metalelektroden, når YBCO er superledende, og skifter til den modsatte retning, når YBCO bliver ikke-superledende. Potentialets oprindelse kan let forbindes med nærhedseffekten ved metal-superleder-grænsefladen, når YBCO er superledende, og dens værdi estimeres til at være ~10-8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombinationen af ​​et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner en kvasi-pn-forbindelse, som er ansvarlig for den fotovoltaiske opførsel af YBCO-keramik ved høje temperaturer. Vores resultater kan bane vejen for nye anvendelser af foton-elektroniske enheder og kaste yderligere lys over nærhedseffekten ved superleder-metal-grænsefladen.

Fotoinduceret spænding i højtemperatur-superledere er blevet rapporteret i begyndelsen af ​​1990'erne og er blevet grundigt undersøgt lige siden, men dens natur og mekanisme forbliver uafklarede1,2,3,4,5. Især YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tyndfilm6,7,8 er intensivt undersøgt i form af fotovoltaiske (PV) celler på grund af dens justerbare energigab9,10,11,12,13. Imidlertid fører substratets høje modstand altid til en lav konverteringseffektivitet af enheden og maskerer de primære PV-egenskaber ved YBCO8. Her rapporterer vi en bemærkelsesværdig fotovoltaisk effekt induceret af blå laser (λ = 450 nm) belysning i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellem 50 og 300 K (Tc ~ 90 K). Vi viser, at PV-effekten er direkte relateret til YBCOs superledningsevne og naturen af ​​YBCO-metallisk elektrode-grænsefladen. Der er en polaritetsomvending for åben kredsløbsspændingen Voc og kortslutningsstrømmen Isc, når YBCO gennemgår en overgang fra superledende fase til en resistiv tilstand. Det foreslås, at der eksisterer et elektrisk potentiale over superleder-normalmetal-grænsefladen, som tilvejebringer separationskraften for de fotoinducerede elektron-hul-par. Dette grænsefladepotentiale ledes fra YBCO til metalelektroden, når YBCO er superledende, og skifter til den modsatte retning, når prøven bliver ikke-superledende. Potentialets oprindelse kan naturligt være forbundet med nærhedseffekten14,15,16,17 ved metal-superleder-grænsefladen, når YBCO er superledende, og dens værdi estimeres til at være ~10−8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombinationen af ​​et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner sandsynligvis en kvasi-pn-forbindelse, som er ansvarlig for YBCO-keramikkens PV-adfærd ved høje temperaturer. Vores observationer kaster yderligere lys over oprindelsen af ​​PV-effekten i højtemperatur superledende YBCO-keramik og baner vejen for dens anvendelse i optoelektroniske enheder såsom hurtige passive lysdetektorer osv.

Figur 1a-c viser IV-karakteristikaene for den keramiske YBCO-prøve ved 50 K. Uden lysbelysning forbliver spændingen over prøven på nul med ændret strøm, som man kan forvente af et superledende materiale. En tydelig fotovoltaisk effekt opstår, når laserstrålen rettes mod katoden (fig. 1a): IV-kurverne parallelt med I-aksen bevæger sig nedad med stigende laserintensitet. Det er tydeligt, at der er en negativ fotoinduceret spænding, selv uden strøm (ofte kaldet åben kredsløbsspænding Voc). Nulhældningen af ​​IV-kurven indikerer, at prøven stadig er superledende under laserbelysning.

(a-c) og 300 K (e-g). Værdier for V(I) blev opnået ved at bevæge strømmen fra -10 mA til +10 mA i vakuum. Kun en del af de eksperimentelle data præsenteres for klarhedens skyld. a, Strøm-spændingskarakteristika for YBCO målt med laserpunkt placeret ved katoden (i). Alle IV-kurverne er vandrette, rette linjer, der indikerer, at prøven stadig er superledende med laserbestråling. Kurven bevæger sig nedad med stigende laserintensitet, hvilket indikerer, at der er et negativt potentiale (Voc) mellem de to spændingsledere, selv med nul strøm. IV-kurverne forbliver uændrede, når laseren rettes mod midten af ​​prøven ved enten 50 K (b) eller 300 K (f). Den vandrette linje bevæger sig opad, når anoden belyses (c). En skematisk model af metal-superlederforbindelsen ved 50 K er vist i d. Strøm-spændingskarakteristika for YBCO i normal tilstand ved 300 K målt med laserstråle rettet mod katoden og anoden er givet i henholdsvis e og g. I modsætning til resultaterne ved 50 K indikerer den ikke-nulhældning af de rette linjer, at YBCO er i normal tilstand; værdierne for Voc varierer med lysintensiteten i en modsat retning, hvilket indikerer en anden ladningsseparationsmekanisme. En mulig grænsefladestruktur ved 300 K er vist i hj. Det virkelige billede af prøven med ledninger.

Iltrig YBCO i superledende tilstand kan absorbere næsten hele sollysspektret på grund af dens meget lille energigab (Eg)9,10 og derved skabe elektron-hul-par (e-h). For at producere en åben kredsløbsspænding Voc ved absorption af fotoner er det nødvendigt at rumligt adskille fotogenererede eh-par, før rekombination finder sted18. Den negative Voc i forhold til katoden og anoden, som vist i figur 1i, antyder, at der eksisterer et elektrisk potentiale på tværs af metal-superleder-grænsefladen, som fejer elektronerne til anoden og hullerne til katoden. Hvis dette er tilfældet, bør der også være et potentiale, der peger fra superlederen til metalelektroden ved anoden. Følgelig ville en positiv Voc opnås, hvis prøveområdet nær anoden er belyst. Desuden bør der ikke være nogen fotoinducerede spændinger, når laserpunktet peger mod områder langt fra elektroderne. Det er bestemt tilfældet, som det kan ses i figur 1b,c!.

Når lyspletten bevæger sig fra katodeelektroden til midten af ​​prøven (ca. 1,25 mm fra grænsefladerne), kan der ikke observeres nogen variation i IV-kurver og ingen Voc med stigende laserintensitet til den maksimalt tilgængelige værdi (fig. 1b). Dette resultat kan naturligvis tilskrives den begrænsede levetid for fotoinducerede bærere og manglen på separationskraft i prøven. Elektron-hul-par kan dannes, når prøven belyses, men de fleste e-h-par vil blive annihileret, og der observeres ingen fotovoltaisk effekt, hvis laserpletten falder på områder langt væk fra nogen af ​​elektroderne. Når laserpletten flyttes til anodeelektroderne, bevæger IV-kurverne parallelt med I-aksen sig opad med stigende laserintensitet (fig. 1c). Et lignende indbygget elektrisk felt findes i metal-superlederforbindelsen ved anoden. Imidlertid forbindes den metalliske elektrode denne gang til testsystemets positive ledning. Hullerne produceret af laseren skubbes til anodeledningen, og således observeres en positiv Voc. Resultaterne præsenteret her giver stærke beviser for, at der faktisk eksisterer et grænsefladepotentiale, der peger fra superlederen til metalelektroden.

Den fotovoltaiske effekt i YBa2Cu3O6.96 keramik ved 300 K er vist i figur 1e-g. Uden lysbelysning er prøvens IV-kurve en ret linje, der krydser origo. Denne rette linje bevæger sig opad parallelt med den oprindelige linje med stigende laserintensitet, der bestråler katodeledningerne (figur 1e). Der er to grænsetilfælde af interesse for en fotovoltaisk enhed. Kortslutningstilstanden opstår, når V = 0. Strømmen i dette tilfælde kaldes kortslutningsstrømmen (Isc). Det andet grænsetilfælde er åbent kredsløb (Voc), som opstår, når R→∞ eller strømmen er nul. Figur 1e viser tydeligt, at Voc er positiv og stiger med stigende lysintensitet i modsætning til resultatet opnået ved 50 K; mens en negativ Isc observeres at stige i størrelse med lysbelysning, en typisk opførsel for normale solceller.

På samme måde, når laserstrålen rettes mod områder langt væk fra elektroderne, er V(I)-kurven uafhængig af laserintensiteten, og der opstår ingen fotovoltaisk effekt (fig. 1f). I lighed med målingen ved 50 K bevæger IV-kurverne sig i den modsatte retning, når anodeelektroden bestråles (fig. 1g). Alle disse resultater opnået for dette YBCO-Ag-pastasystem ved 300 K med laser bestrålet på forskellige positioner af prøven er i overensstemmelse med et grænsefladepotentiale modsat det, der observeres ved 50 K.

De fleste elektroner kondenserer i Cooper-par i superledende YBCO under dens overgangstemperatur Tc. I metalelektroden forbliver alle elektronerne i singulær form. Der er en stor tæthedsgradient for både singulære elektroner og Cooper-par i nærheden af ​​metal-superleder-grænsefladen. Majoritetsbærer-singularelektroner i metallisk materiale vil diffundere ind i superlederområdet, hvorimod majoritetsbærer-Cooper-par i YBCO-området vil diffundere ind i metalområdet. Da Cooper-par, der bærer flere ladninger og har en større mobilitet end singulære elektroner, diffunderer fra YBCO ind i metallområdet, efterlades positivt ladede atomer, hvilket resulterer i et elektrisk felt i rumladningsområdet. Retningen af ​​dette elektriske felt er vist i skematisk diagram figur 1d. Indfaldende fotonbelysning nær rumladningsområdet kan skabe eh-par, der vil blive adskilt og fejet ud, hvilket producerer en fotostrøm i den omvendte retning. Så snart elektronerne forlader det indbyggede elektriske felt, kondenseres de i par og strømmer til den anden elektrode uden modstand. I dette tilfælde er Voc modsat den forudindstillede polaritet og viser en negativ værdi, når laserstrålen peger mod området omkring den negative elektrode. Ud fra værdien af ​​Voc kan potentialet over grænsefladen estimeres: afstanden mellem de to spændingsledere d er ~5 × 10−3 m, tykkelsen af ​​metal-superleder-grænsefladen, di, bør være af samme størrelsesorden som kohærenslængden af ​​YBCO-superlederen (~1 nm)19,20, tag værdien af ​​Voc = 0,03 mV, potentialet Vms ved metal-superleder-grænsefladen evalueres til at være ~10−11 V ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2 ved hjælp af ligning,

Vi ønsker her at understrege, at den fotoinducerede spænding ikke kan forklares ved den fototermiske effekt. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at Seebeck-koefficienten for superlederen YBCO er Ss = 021. Seebeck-koefficienten for kobberledninger ligger i området SCu = 0,34-1,15 μV/K3. Temperaturen af ​​kobberledningen ved laserpunktet kan øges med en lille mængde på 0,06 K med en maksimal laserintensitet tilgængelig ved 50 K. Dette kan producere et termoelektrisk potentiale på 6,9 × 10−8 V, hvilket er tre størrelsesordener mindre end den Voc, der er opnået i figur 1 (a). Det er tydeligt, at den termoelektriske effekt er for lille til at forklare de eksperimentelle resultater. Faktisk ville temperaturvariationen på grund af laserbestråling forsvinde på mindre end et minut, så bidraget fra den termiske effekt kan ignoreres sikkert.

Denne fotovoltaiske effekt af YBCO ved stuetemperatur afslører, at en anden ladningsseparationsmekanisme er involveret her. Superledende YBCO er i normal tilstand et p-type materiale med huller som ladningsbærer22,23, mens metallisk Ag-pasta har karakteristika for et n-type materiale. I lighed med pn-forbindelser vil diffusionen af ​​elektroner i sølvpastaen og huller i YBCO-keramik danne et internt elektrisk felt, der peger mod YBCO-keramikken ved grænsefladen (fig. 1h). Det er dette interne felt, der leverer separationskraften og fører til en positiv Voc og negativ Isc for YBCO-Ag-pastasystemet ved stuetemperatur, som vist i fig. 1e. Alternativt kunne Ag-YBCO danne en p-type Schottky-forbindelse, som også fører til et grænsefladepotentiale med samme polaritet som i den ovenfor præsenterede model24.

For at undersøge den detaljerede udviklingsproces af de fotovoltaiske egenskaber under superledende overgang af YBCO, blev IV-kurver af prøven ved 80 K målt med udvalgte laserintensiteter, der belyses ved katodeelektroden (fig. 2). Uden laserbestråling forbliver spændingen over prøven på nul uanset strøm, hvilket indikerer prøvens superledende tilstand ved 80 K (fig. 2a). I lighed med dataene opnået ved 50 K bevæger IV-kurver parallelt med I-aksen sig nedad med stigende laserintensitet, indtil en kritisk værdi Pc nås. Over denne kritiske laserintensitet (Pc) gennemgår superlederen en overgang fra en superledende fase til en resistiv fase; spændingen begynder at stige med strøm på grund af forekomsten af ​​modstand i superlederen. Som et resultat begynder IV-kurven at skære I-aksen og V-aksen, hvilket fører til en negativ Voc og en positiv Isc i starten. Nu synes prøven at være i en særlig tilstand, hvor polariteten af ​​Voc og Isc er ekstremt følsom over for lysintensitet; Med en meget lille stigning i lysintensiteten konverteres Isc fra positiv til negativ, og Voc fra negativ til positiv værdi, og passerer origo (den høje følsomhed af fotovoltaiske egenskaber, især værdien af ​​Isc, over for lysbelysning kan ses tydeligere i figur 2b). Ved den højeste tilgængelige laserintensitet har IV-kurverne til hensigt at være parallelle med hinanden, hvilket angiver YBCO-prøvens normale tilstand.

Laserpunktets centrum er placeret omkring katodeelektroderne (se fig. 1i). a, IV-kurver af YBCO bestrålet med forskellige laserintensiteter. b (øverst), Laserintensitetsafhængighed af åben kredsløbsspænding Voc og kortslutningsstrøm Isc. Isc-værdierne kan ikke opnås ved lav lysintensitet (< 110 mW/cm2), fordi IV-kurverne er parallelle med I-aksen, når prøven er i superledende tilstand. b (nederst), differentiel modstand som funktion af laserintensitet.

Laserintensitetsafhængigheden af ​​Voc og Isc ved 80 K er vist i figur 2b (øverst). De fotovoltaiske egenskaber kan diskuteres i tre områder med lysintensitet. Det første område er mellem 0 og Pc, hvor YBCO er superledende, Voc er negativ og falder (absolutværdien stiger) med lysintensiteten og når et minimum ved Pc. Det andet område er fra Pc til en anden kritisk intensitet P0, hvor Voc stiger, mens Isc falder med stigende lysintensitet, og begge når nul ved P0. Det tredje område er over P0, indtil den normale tilstand af YBCO nås. Selvom både Voc og Isc varierer med lysintensiteten på samme måde som i område 2, har de modsat polaritet over den kritiske intensitet P0. Betydningen af ​​P0 ligger i, at der ikke er nogen fotovoltaisk effekt, og ladningsseparationsmekanismen ændrer sig kvalitativt på dette specifikke punkt. YBCO-prøven bliver ikke-superledende i dette lysintensitetsområde, men den normale tilstand er endnu ikke nået.

Systemets fotovoltaiske egenskaber er tydeligvis tæt forbundet med YBCOs superledningsevne og dens superledende overgang. Differensmodstanden, dV/dI, af YBCO er vist i figur 2b (nederst) som en funktion af laserintensiteten. Som tidligere nævnt er det indbyggede elektriske potentiale i grænsefladen på grund af Cooper-par-diffusionspunkter fra superlederen til metal. I lighed med det observerede ved 50 K forstærkes den fotovoltaiske effekt med stigende laserintensitet fra 0 til Pc. Når laserintensiteten når en værdi lidt over Pc, begynder IV-kurven at vippe, og prøvens modstand begynder at vise sig, men polariteten af ​​grænsefladepotentialet er endnu ikke ændret. Effekten af ​​optisk excitation på superledningen er blevet undersøgt i det synlige eller nær-IR-område. Mens den grundlæggende proces er at opløse Cooper-parrene og ødelægge superledningen25,26, kan superledningsovergangen i nogle tilfælde forstærkes27,28,29, og nye faser af superledning kan endda induceres30. Fraværet af superledning ved Pc kan tilskrives det fotoinducerede parbrud. Ved punktet P0 bliver potentialet over grænsefladen nul, hvilket indikerer, at ladningstætheden i begge sider af grænsefladen når samme niveau under denne specifikke lysintensitet. Yderligere stigning i laserintensiteten resulterer i, at flere Cooper-par ødelægges, og YBCO gradvist transformeres tilbage til et p-type materiale. I stedet for elektron- og Cooper-pardiffusion bestemmes grænsefladen nu af elektron- og huldiffusion, hvilket fører til en polaritetsomvending af det elektriske felt i grænsefladen og følgelig en positiv Voc (sammenlign figur 1d, h). Ved meget høj laserintensitet mættes YBCO's differentielle modstand til en værdi svarende til normaltilstanden, og både Voc og Isc har tendens til at variere lineært med laserintensiteten (figur 2b). Denne observation afslører, at laserbestråling på YBCO i normaltilstand ikke længere vil ændre dens modstand og superleder-metal-grænsefladen, men kun øge koncentrationen af ​​elektron-hul-par.

For at undersøge temperaturens effekt på de fotovoltaiske egenskaber blev metal-superledersystemet bestrålet ved katoden med en blå laser med en intensitet på 502 mW/cm2. IV-kurver opnået ved udvalgte temperaturer mellem 50 og 300 K er vist i figur 3a. Tomgangsspændingen Voc, kortslutningsstrømmen Isc og differentialmodstanden kan derefter udledes af disse IV-kurver og er vist i figur 3b. Uden lysbelysning passerer alle IV-kurver målt ved forskellige temperaturer origo som forventet (indsæt i figur 3a). IV-karakteristikkerne ændrer sig drastisk med stigende temperatur, når systemet belyses af en relativt stærk laserstråle (502 mW/cm2). Ved lave temperaturer er IV-kurverne rette linjer parallelle med I-aksen med negative værdier af Voc. Denne kurve bevæger sig opad med stigende temperatur og bliver gradvist til en linje med en hældning forskellig fra nul ved en kritisk temperatur Tcp (figur 3a (øverst)). Det ser ud til, at alle IV-karakteristikkurverne roterer omkring et punkt i den tredje kvadrant. Voc stiger fra en negativ værdi til en positiv, mens Isc falder fra en positiv til en negativ værdi. Over den oprindelige superledende overgangstemperatur Tc for YBCO ændrer IV-kurven sig ret forskelligt med temperaturen (nederst i figur 3a). For det første bevæger rotationscentret for IV-kurverne sig til den første kvadrant. For det andet bliver Voc ved med at falde, og Isc stiger med stigende temperatur (øverst i figur 3b). For det tredje øges hældningen af ​​IV-kurverne lineært med temperaturen, hvilket resulterer i en positiv temperaturmodstandskoefficient for YBCO (nederst i figur 3b).

Temperaturafhængighed af fotovoltaiske egenskaber for YBCO-Ag-pastasystem under 502 mW/cm2 laserbelysning.

Laserpunktets centrum er placeret omkring katodeelektroderne (se fig. 1i). a, IV-kurver opnået fra 50 til 90 K (øverst) og fra 100 til 300 K (nederst) med en temperaturstigning på henholdsvis 5 K og 20 K. Indsæt a viser IV-karakteristika ved flere temperaturer i mørke. Alle kurverne krydser udgangspunktet. b, åben kredsløbsspænding Voc og kortslutningsstrøm Isc (øverst) og differensmodstanden, dV/dI, for YBCO (nederst) som funktion af temperaturen. Overgangstemperaturen Tcp for den superledende modstand ved nul modstand er ikke angivet, fordi den er for tæt på Tc0.

Tre kritiske temperaturer kan ses i figur 3b: Tcp, over hvilken YBCO bliver ikke-superledende; Tc0, hvor både Voc og Isc bliver nul, og Tc er den oprindelige superledende overgangstemperatur for YBCO uden laserbestråling. Under Tcp ~ 55 K er den laserbestrålede YBCO i en superledende tilstand med en relativt høj koncentration af Cooper-par. Effekten af ​​laserbestråling er at reducere overgangstemperaturen for den superledende modstand nul fra 89 K til ~55 K (nederst i figur 3b) ved at reducere Cooper-parkoncentrationen ud over at producere fotovoltaisk spænding og strøm. Stigende temperatur nedbryder også Cooper-parrene, hvilket fører til et lavere potentiale i grænsefladen. Følgelig vil den absolutte værdi af Voc blive mindre, selvom den samme intensitet af laserbelysning anvendes. Grænsefladepotentialet vil blive mindre og mindre med yderligere stigning i temperaturen og når nul ved Tc0. Der er ingen fotovoltaisk effekt på dette særlige punkt, fordi der ikke er noget indre felt til at adskille de fotoinducerede elektron-hul-par. En polaritetsomvending af potentialet sker over denne kritiske temperatur, da den frie ladningstæthed i Ag-pasta er større end i YBCO, som gradvist overføres tilbage til et p-type materiale. Her ønsker vi at understrege, at polaritetsomvendingen af ​​Voc og Isc sker umiddelbart efter den superledende overgang med nul modstand, uanset årsagen til overgangen. Denne observation afslører tydeligt, for første gang, korrelationen mellem superledning og de fotovoltaiske effekter forbundet med metal-superleder-grænsefladepotentialet. Arten af ​​dette potentiale på tværs af superleder-normalmetal-grænsefladen har været et forskningsfokus i de sidste årtier, men der er mange spørgsmål, der stadig venter på at blive besvaret. Måling af den fotovoltaiske effekt kan vise sig at være en effektiv metode til at udforske detaljerne (såsom dens styrke og polaritet osv.) af dette vigtige potentiale og dermed kaste lys over den superledende nærhedseffekt ved høje temperaturer.

En yderligere stigning i temperaturen fra Tc0 til Tc fører til en mindre koncentration af Cooper-par og en forøgelse af grænsefladepotentialet og dermed større Voc. Ved Tc bliver Cooper-parkoncentrationen nul, og det indbyggede potentiale ved grænsefladen når et maksimum, hvilket resulterer i maksimal Voc og minimal Isc. Den hurtige stigning i Voc og Isc (absolut værdi) i dette temperaturområde svarer til den superledende overgang, som udvides fra ΔT ~ 3 K til ~ 34 K ved laserbestråling med en intensitet på 502 mW/cm2 (fig. 3b). I de normale tilstande over Tc falder åben kredsløbsspændingen Voc med temperaturen (øverst i fig. 3b), hvilket ligner den lineære opførsel af Voc for normale solceller baseret på pn-overgange31,32,33. Selvom ændringshastigheden af ​​Voc med temperaturen (-dVoc/dT), som afhænger stærkt af laserintensiteten, er meget mindre end for normale solceller, har temperaturkoefficienten for Voc for YBCO-Ag-overgangen samme størrelsesorden som for solcellerne. Lækstrømmen i en pn-overgang for en normal solcelleenhed stiger med stigende temperatur, hvilket fører til et fald i Voc, når temperaturen stiger. De lineære IV-kurver, der observeres for dette Ag-superledersystem, på grund af for det første det meget lille grænsefladepotentiale og for det andet back-to-back-forbindelsen mellem de to heteroovergange, gør det vanskeligt at bestemme lækstrømmen. Ikke desto mindre virker det meget sandsynligt, at den samme temperaturafhængighed af lækstrømmen er ansvarlig for Voc-adfærden observeret i vores eksperiment. Ifølge definitionen er Isc den strøm, der er nødvendig for at producere en negativ spænding for at kompensere for Voc, så den samlede spænding er nul. Når temperaturen stiger, bliver Voc mindre, så der er behov for mindre strøm til at producere den negative spænding. Desuden stiger modstanden af ​​YBCO lineært med temperaturen over Tc (nederst i figur 3b), hvilket også bidrager til den mindre absolutte værdi af Isc ved høje temperaturer.

Bemærk, at resultaterne vist i figur 2 og 3 er opnået ved laserbestråling af området omkring katodeelektroderne. Målinger er også blevet gentaget med laserpunktet placeret ved anoden, og lignende IV-karakteristika og fotovoltaiske egenskaber er blevet observeret, bortset fra at polariteten af ​​Voc og Isc er blevet omvendt i dette tilfælde. Alle disse data fører til en mekanisme for den fotovoltaiske effekt, som er tæt forbundet med superleder-metal-grænsefladen.

Kort sagt er IV-karakteristikaene for laserbestrålet superledende YBCO-Ag-pastasystem blevet målt som funktioner af temperatur og laserintensitet. En bemærkelsesværdig fotovoltaisk effekt er blevet observeret i temperaturområdet fra 50 til 300 K. Det er konstateret, at de fotovoltaiske egenskaber korrelerer stærkt med superledningen af ​​YBCO-keramik. En polaritetsomvending af Voc og Isc forekommer umiddelbart efter den fotoinducerede overgang fra superledende til ikke-superledende. Temperaturafhængigheden af ​​Voc og Isc målt ved fast laserintensitet viser også en tydelig polaritetsomvending ved en kritisk temperatur, over hvilken prøven bliver resistiv. Ved at placere laserpunktet på en anden del af prøven viser vi, at der eksisterer et elektrisk potentiale på tværs af grænsefladen, som tilvejebringer separationskraften for de fotoinducerede elektron-hul-par. Dette grænsefladepotentiale leder fra YBCO til metalelektroden, når YBCO er superledende, og skifter til den modsatte retning, når prøven bliver ikke-superledende. Potentialets oprindelse kan naturligt være forbundet med nærhedseffekten ved metal-superleder-grænsefladen, når YBCO er superledende, og estimeres til at være ~10−8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kontakt mellem et p-type materiale YBCO i normal tilstand og et n-type materiale Ag-pasta danner en kvasi-pn-forbindelse, som er ansvarlig for den fotovoltaiske opførsel af YBCO-keramik ved høje temperaturer. Ovenstående observationer kaster lys over PV-effekten i højtemperatur superledende YBCO-keramik og baner vejen for nye anvendelser inden for optoelektroniske enheder såsom hurtig passiv lysdetektor og enkeltfotondetektor.

De fotovoltaiske effekteksperimenter blev udført på en YBCO keramisk prøve med en tykkelse på 0,52 mm og en rektangulær form på 8,64 × 2,26 mm2, belyst med en kontinuerlig bølgeblå laser (λ = 450 nm) med en laserpletstørrelse på 1,25 mm i radius. Brugen af ​​bulkprøver i stedet for tyndfilmsprøver gør det muligt for os at studere superlederens fotovoltaiske egenskaber uden at skulle håndtere substratets komplekse indflydelse6,7. Desuden kan bulkmaterialet være befordrende på grund af dets enkle fremstillingsprocedure og relativt lave omkostninger. Kobberledningerne er kohærent på YBCO-prøven med sølvpasta, hvilket danner fire cirkulære elektroder med en diameter på ca. 1 mm. Afstanden mellem de to spændingselektroder er ca. 5 mm. IV-karakteristika for prøven blev målt ved hjælp af et vibrationsprøvemagnetometer (VersaLab, Quantum Design) med et kvartskrystalvindue. Standard firetrådsmetode blev anvendt til at opnå IV-kurverne. De relative positioner af elektroder og laserplet er vist i figur 1i.

Sådan citerer du denne artikel: Yang, F. et al. Oprindelsen af ​​den fotovoltaiske effekt i superledende YBa2Cu3O6.96 keramik. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetri-forbudte laserinducerede spændinger i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oprindelsen af ​​det anomale fotovoltaiske signal i Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Måling af laserinducerede spændinger af superledende Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Transiente laserinducerede spændinger i stuetemperaturfilm af YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Anomal fotovoltaisk respons i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenereret hulbærerinjektion til YBa2Cu3O7−x i en oxidheterostruktur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Fotoemissionsstudie af YBa2Cu3Oy tyndfilm under lysbelysning. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Fotovoltaisk effekt af YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction udglødet ved forskellige iltpartialtryk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Two-Gap-struktur i Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkeltkrystaller. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kvasipartikelrelaksationsdynamik i superledere med forskellige gabstrukturer: Teori og eksperimenter på YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG. Ensretterende egenskaber af YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunctionen. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB. Excitonisk absorption og superledning i YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transient fotoinduceret ledningsevne i halvledende enkeltkrystaller af YBa2Cu3O6.3: søgning efter fotoinduceret metallisk tilstand og efter fotoinduceret superledning. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Tunneling-model af den superledende nærhedseffekt. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Superledende nærhedseffekt undersøgt på en mesoskopisk længdeskala. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Nærhedseffekt med ikke-centrosymmetriske superledere. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Stærk superledende nærhedseffekt i Pb-Bi2Te3 hybridstrukturer. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL. En ny silicium pn-junction fotocelle til omdannelse af solstråling til elektrisk energi. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Urenhedernes virkning på den superledende kohærenslængde i Zn- eller Ni-dopede YBa2Cu3O6.9 enkeltkrystaller. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistens af ikke-tvillingede YBa2Cu3Oy-enkeltkrystaller i et bredt dopingområde: anomal huldopingsafhængighed af kohærenslængden. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Systematik i den termoelektriske effekt af oxider med høj Tg. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Bærebølgedensitetsafhængig momentumforskydning af den kohærente top og LO-fonontilstanden i p-type høj-Tc superledere. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Hulreduktion og elektronakkumulering i YBa2Cu3Oy tyndfilm ved hjælp af en elektrokemisk teknik: Bevis for en n-type metallisk tilstand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT. Fysik og kemi for Schottky-barrierehøjden. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekter af dynamisk ekstern parbrydning i superledende film. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Fotoinduceret forstærkning af superledningsevne. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Vedvarende fotokonduktivitet i YBa2Cu3O6+x-film som en metode til fotodoping mod metalliske og superledende faser. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Ikke-lineær gitterdynamik som basis for forbedret superledning i YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Lysinduceret superledning i et stribet cuprat. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Den temperaturfunktionelle afhængighed af VOC for en solcelle i forhold til dens effektivitet (ny tilgang). Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Temperatureffekter i Schottky-barriere siliciumsolceller. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturafhængighed for de fotovoltaiske enhedsparametre i polymer-fulleren solceller under driftsforhold. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Dette arbejde er blevet støttet af National Natural Science Foundation of China (tilskudsnr. 60571063) og Fundamental Research Projects i Henan-provinsen, Kina (tilskudsnr. 122300410231).

FY skrev teksten til artiklen, og MYH forberedte YBCO-keramikprøven. FY og MYH udførte eksperimentet og analyserede resultaterne. FGC ledede projektet og den videnskabelige fortolkning af dataene. Alle forfattere gennemgik manuskriptet.

Dette værk er licenseret under en Creative Commons Attribution 4.0 International License. Billederne eller andet tredjepartsmateriale i denne artikel er inkluderet i artiklens Creative Commons-licens, medmindre andet er angivet i kreditlinjen. Hvis materialet ikke er inkluderet under Creative Commons-licensen, skal brugerne indhente tilladelse fra licenshaveren til at reproducere materialet. For at se en kopi af denne licens, besøg http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oprindelsen af ​​den fotovoltaiske effekt i superledende YBa2Cu3O6.96 keramik. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Ved at indsende en kommentar accepterer du at overholde vores vilkår og retningslinjer for fællesskabet. Hvis du finder noget krænkende eller noget, der ikke overholder vores vilkår eller retningslinjer, bedes du markere det som upassende.