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Reportamos un notable efecto fotovoltaico en cerámica YBa₂Cu₃O₆.96 (YBCO) entre 50 y 300 K, inducido por iluminación láser azul. Este efecto está directamente relacionado con la superconductividad del YBCO y la interfaz entre el electrodo metálico y el YBCO. Se observa una inversión de polaridad en la tensión de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc cuando el YBCO pasa del estado superconductor al resistivo. Demostramos que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz entre el superconductor y el metal normal, que proporciona la fuerza de separación para los pares electrón-hueco fotoinducidos. Este potencial de interfaz se dirige del YBCO al electrodo metálico cuando el YBCO es superconductor y cambia a la dirección opuesta cuando el YBCO deja de serlo. El origen del potencial puede asociarse fácilmente con el efecto de proximidad en la interfaz metal-superconductor cuando el YBCO es superconductor, y su valor se estima en ~10–8 mV a 50 K con una intensidad láser de 502 mW/cm². La combinación de un material tipo p, YBCO, en estado normal, con una pasta de Ag, material tipo n, forma una unión cuasi-pn, responsable del comportamiento fotovoltaico de la cerámica de YBCO a altas temperaturas. Nuestros hallazgos podrían abrir camino a nuevas aplicaciones de dispositivos fotónico-electrónicos y arrojar más luz sobre el efecto de proximidad en la interfaz superconductor-metal.
El voltaje fotoinducido en superconductores de alta temperatura se reportó a principios de la década de 1990 y se ha investigado extensamente desde entonces; sin embargo, su naturaleza y mecanismo permanecen sin resolver1,2,3,4,5. Las películas delgadas de YBa₂Cu₃O₄-δ (YBCO)₂,7,8, en particular, se estudian intensivamente en forma de celdas fotovoltaicas (PV) debido a su brecha de energía ajustable₂,9,10,11,12,13. Sin embargo, la alta resistencia del sustrato siempre conduce a una baja eficiencia de conversión del dispositivo y enmascara las propiedades fotovoltaicas primarias del YBCO₂. Aquí reportamos un notable efecto fotovoltaico inducido por iluminación de láser azul (λ = 450 nm) en cerámica de YBa₂Cu₃O₄ (YBCO) entre 50 y 300 K (Tc ~ 90 K). Demostramos que el efecto fotovoltaico está directamente relacionado con la superconductividad del YBCO y la naturaleza de la interfaz YBCO-electrodo metálico. Existe una inversión de polaridad para la tensión de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc cuando el YBCO experimenta una transición de la fase superconductora a un estado resistivo. Se propone que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz superconductor-metal normal, que proporciona la fuerza de separación para los pares electrón-hueco fotoinducidos. Este potencial de interfaz se dirige desde el YBCO al electrodo metálico cuando el YBCO es superconductor y cambia a la dirección opuesta cuando la muestra deja de serlo. El origen del potencial puede estar naturalmente asociado con el efecto de proximidad14,15,16,17 en la interfaz metal-superconductor cuando el YBCO es superconductor, y su valor se estima en ~10−8 mV a 50 K con una intensidad láser de 502 mW/cm². La combinación de un material tipo p, YBCO en estado normal, con una pasta de Ag de material tipo n forma, muy probablemente, una unión cuasi-pn, responsable del comportamiento fotovoltaico de la cerámica de YBCO a altas temperaturas. Nuestras observaciones arrojan más luz sobre el origen del efecto fotovoltaico en cerámicas superconductoras YBCO de alta temperatura y allanan el camino para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos como detectores de luz pasivos rápidos, etc.
Las figuras 1a-c muestran las características de la tensión de circuito abierto (IV) de la muestra cerámica de YBCO a 50 K. Sin luz, la tensión en la muestra permanece cero con la corriente variable, como es de esperar de un material superconductor. Se observa un efecto fotovoltaico evidente cuando el haz láser se dirige al cátodo (fig. 1a): las curvas IV paralelas al eje I se mueven hacia abajo al aumentar la intensidad del láser. Es evidente que existe una tensión fotoinducida negativa incluso sin corriente (a menudo denominada tensión de circuito abierto Voc). La pendiente cero de la curva IV indica que la muestra sigue siendo superconductora bajo la iluminación láser.
(a–c) y 300 K (e–g). Los valores de V(I) se obtuvieron haciendo un barrido de corriente de −10 mA a +10 mA en vacío. Solo se presenta una parte de los datos experimentales para mayor claridad. a, Características de corriente-voltaje de YBCO medidas con el punto láser posicionado en el cátodo (i). Todas las curvas IV son líneas rectas horizontales que indican que la muestra sigue siendo superconductora con la irradiación láser. La curva se mueve hacia abajo al aumentar la intensidad del láser, lo que indica que existe un potencial negativo (Voc) entre los dos cables de voltaje incluso con corriente cero. Las curvas IV permanecen sin cambios cuando el láser se dirige al centro de la muestra a 50 K (b) o 300 K (f). La línea horizontal se mueve hacia arriba a medida que se ilumina el ánodo (c). En d se muestra un modelo esquemático de la unión metal-superconductor a 50 K. Las características de corriente-voltaje del YBCO en estado normal a 300 K, medidas con un haz láser dirigido al cátodo y al ánodo, se muestran en e y g, respectivamente. A diferencia de los resultados a 50 K, la pendiente no nula de las líneas rectas indica que el YBCO se encuentra en estado normal; los valores de Voc varían con la intensidad de la luz en dirección opuesta, lo que indica un mecanismo de separación de cargas diferente. Una posible estructura de interfaz a 300 K se muestra en hj. La imagen real de la muestra con conductores.
El YBCO rico en oxígeno en estado superconductor puede absorber casi todo el espectro de la luz solar debido a su muy pequeña brecha de energía (Eg)9,10, creando así pares electrón-hueco (e–h). Para producir un voltaje de circuito abierto Voc mediante la absorción de fotones, es necesario separar espacialmente los pares eh fotogenerados antes de que ocurra la recombinación18. El Voc negativo, relativo al cátodo y al ánodo, como se indica en la Fig. 1i, sugiere que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz metal-superconductor, que barre los electrones hacia el ánodo y los huecos hacia el cátodo. Si este es el caso, también debería haber un potencial que apunte desde el superconductor al electrodo metálico en el ánodo. En consecuencia, se obtendría un Voc positivo si se ilumina el área de la muestra cercana al ánodo. Además, no debería haber voltajes fotoinducidos cuando el punto láser se dirige a áreas alejadas de los electrodos. Ciertamente, es el caso, como se puede ver en la Fig. 1b,c!.
Cuando el punto de luz se desplaza desde el electrodo catódico hasta el centro de la muestra (a unos 1,25 mm de las interfaces), no se observa variación en las curvas IV ni Voc al aumentar la intensidad del láser hasta el valor máximo disponible (Fig. 1b). Naturalmente, este resultado puede atribuirse a la vida útil limitada de los portadores fotoinducidos y a la ausencia de fuerza de separación en la muestra. Se pueden crear pares electrón-hueco siempre que se ilumina la muestra, pero la mayoría de los pares e-h se aniquilan y no se observa efecto fotovoltaico si el punto láser incide en zonas alejadas de cualquiera de los electrodos. Al desplazar el punto láser hacia los electrodos del ánodo, las curvas IV paralelas al eje I se mueven hacia arriba al aumentar la intensidad del láser (Fig. 1c). Existe un campo eléctrico integrado similar en la unión metal-superconductor en el ánodo. Sin embargo, esta vez el electrodo metálico se conecta al cable positivo del sistema de prueba. Los huecos producidos por el láser son empujados hacia el cable del ánodo, observando así un Voc positivo. Los resultados presentados aquí proporcionan evidencia sólida de que efectivamente existe un potencial de interfaz que apunta desde el superconductor al electrodo metálico.
El efecto fotovoltaico en cerámicas YBa2Cu3O6.96 a 300 K se muestra en las figuras 1e-g. Sin iluminación, la curva IV de la muestra es una línea recta que cruza el origen. Esta línea recta se mueve hacia arriba paralela a la original con el aumento de la intensidad del láser que irradia en los cables del cátodo (figura 1e). Hay dos casos límite de interés para un dispositivo fotovoltaico. La condición de cortocircuito ocurre cuando V = 0. La corriente en este caso se conoce como la corriente de cortocircuito (Isc). El segundo caso límite es la condición de circuito abierto (Voc) que ocurre cuando R→∞ o la corriente es cero. La figura 1e muestra claramente que Voc es positivo y aumenta con el aumento de la intensidad de la luz, en contraste con el resultado obtenido a 50 K; mientras que se observa que un Isc negativo aumenta en magnitud con la iluminación, un comportamiento típico de las células solares normales.
De forma similar, cuando el haz láser se dirige a zonas alejadas de los electrodos, la curva V(I) es independiente de la intensidad del láser y no se observa efecto fotovoltaico (Fig. 1f). Al igual que en la medición a 50 K, las curvas IV se mueven en dirección opuesta a medida que se irradia el electrodo anódico (Fig. 1g). Todos estos resultados, obtenidos para este sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K con láser irradiado en diferentes posiciones de la muestra, concuerdan con un potencial de interfaz opuesto al observado a 50 K.
La mayoría de los electrones se condensan en pares de Cooper en el superconductor YBCO por debajo de su temperatura de transición Tc. En el electrodo metálico, todos los electrones permanecen en forma singular. Existe un gran gradiente de densidad tanto para electrones singulares como para pares de Cooper en la proximidad de la interfaz metal-superconductor. Los electrones singulares con portadores mayoritarios en el material metálico se difunden hacia la región superconductora, mientras que los pares de Cooper con portadores mayoritarios en la región YBCO se difunden hacia la región metálica. A medida que los pares de Cooper con mayor carga y mayor movilidad que los electrones singulares se difunden desde el YBCO hacia la región metálica, los átomos con carga positiva se quedan atrás, lo que genera un campo eléctrico en la región de carga espacial. La dirección de este campo eléctrico se muestra en el diagrama esquemático (Fig. 1d). La iluminación fotónica incidente cerca de la región de carga espacial puede crear pares de electrones que se separan y se barren, generando una fotocorriente en dirección de polarización inversa. En cuanto los electrones salen del campo eléctrico incorporado, se condensan en pares y fluyen hacia el otro electrodo sin resistencia. En este caso, el Voc es opuesto a la polaridad preestablecida y muestra un valor negativo cuando el haz láser apunta al área alrededor del electrodo negativo. A partir del valor de Voc, se puede estimar el potencial a través de la interfaz: la distancia entre los dos conductores de tensión d es de ~5 × 10−3 m; el espesor de la interfaz metal-superconductor, di, debe ser del mismo orden de magnitud que la longitud de coherencia del superconductor YBCO (~1 nm)19,20; si se toma el valor de Voc = 0,03 mV, el potencial Vms en la interfaz metal-superconductor se evalúa como ~10−11 V a 50 K con una intensidad láser de 502 mW/cm², utilizando la ecuación.
Queremos enfatizar aquí que el voltaje fotoinducido no puede explicarse por el efecto fototérmico. Se ha establecido experimentalmente que el coeficiente de Seebeck del superconductor YBCO es Ss = 021. El coeficiente de Seebeck para cables de cobre está en el rango de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. La temperatura del cable de cobre en el punto láser puede elevarse en una pequeña cantidad de 0,06 K con la intensidad láser máxima disponible a 50 K. Esto podría producir un potencial termoeléctrico de 6,9 × 10−8 V que es tres órdenes de magnitud menor que el Voc obtenido en la Fig. 1 (a). Es evidente que el efecto termoeléctrico es demasiado pequeño para explicar los resultados experimentales. De hecho, la variación de temperatura debido a la irradiación láser desaparecería en menos de un minuto para que la contribución del efecto térmico puede ignorarse con seguridad.
Este efecto fotovoltaico del YBCO a temperatura ambiente revela que interviene un mecanismo de separación de cargas diferente. El YBCO superconductor en estado normal es un material de tipo p con huecos como portadores de carga22,23, mientras que la pasta de Ag metálica tiene características de un material de tipo n. De forma similar a las uniones pn, la difusión de electrones en la pasta de plata y los huecos en la cerámica de YBCO formarán un campo eléctrico interno que apunta a la cerámica de YBCO en la interfaz (Fig. 1h). Es este campo interno el que proporciona la fuerza de separación y conduce a un Voc positivo y un Isc negativo para el sistema de pasta de YBCO-Ag a temperatura ambiente, como se muestra en la Fig. 1e. Alternativamente, Ag-YBCO podría formar una unión Schottky de tipo p que también conduce a un potencial de interfaz con la misma polaridad que en el modelo presentado anteriormente24.
Para investigar el proceso de evolución detallado de las propiedades fotovoltaicas durante la transición superconductora de YBCO, se midieron las curvas IV de la muestra a 80 K con intensidades láser seleccionadas iluminando el electrodo del cátodo (Fig. 2). Sin irradiación láser, el voltaje a través de la muestra se mantiene en cero independientemente de la corriente, lo que indica el estado superconductor de la muestra a 80 K (Fig. 2a). Similar a los datos obtenidos a 50 K, las curvas IV paralelas al eje I se mueven hacia abajo con el aumento de la intensidad del láser hasta que se alcanza un valor crítico Pc. Por encima de esta intensidad láser crítica (Pc), el superconductor experimenta una transición de una fase superconductora a una fase resistiva; el voltaje comienza a aumentar con la corriente debido a la aparición de resistencia en el superconductor. Como resultado, la curva IV comienza a intersecar con el eje I y el eje V, lo que lleva a un Voc negativo y un Isc positivo al principio. Ahora la muestra parece estar en un estado especial en el que la polaridad de Voc e Isc es extremadamente sensible a la intensidad de la luz; Con un aumento muy pequeño de la intensidad de la luz, Isc se convierte de positivo a negativo y Voc de negativo a positivo, pasando el origen (la alta sensibilidad de las propiedades fotovoltaicas, en particular el valor de Isc, a la iluminación se aprecia con mayor claridad en la Fig. 2b). Con la intensidad láser más alta disponible, las curvas IV tienden a ser paralelas entre sí, lo que indica el estado normal de la muestra de YBCO.
El centro del punto láser se ubica alrededor de los electrodos catódicos (véase la Fig. 1i). a, Curvas IV de YBCO irradiado con diferentes intensidades láser. b (arriba), Dependencia de la intensidad láser con respecto a la tensión de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc. Los valores de Isc no se pueden obtener con baja intensidad luminosa (<110 mW/cm²) porque las curvas IV son paralelas al eje I cuando la muestra está en estado superconductor. b (abajo), Resistencia diferencial en función de la intensidad láser.
La dependencia de la intensidad del láser de Voc e Isc a 80 K se muestra en la Fig. 2b (arriba). Las propiedades fotovoltaicas se pueden discutir en tres regiones de intensidad de luz. La primera región está entre 0 y Pc, en la que YBCO es superconductor, Voc es negativo y disminuye (el valor absoluto aumenta) con la intensidad de la luz y alcanza un mínimo en Pc. La segunda región es de Pc a otra intensidad crítica P0, en la que Voc aumenta mientras que Isc disminuye con el aumento de la intensidad de la luz y ambos llegan a cero en P0. La tercera región está por encima de P0 hasta que se alcanza el estado normal de YBCO. Aunque tanto Voc como Isc varían con la intensidad de la luz de la misma manera que en la región 2, tienen polaridad opuesta por encima de la intensidad crítica P0. La importancia de P0 radica en que no hay efecto fotovoltaico y el mecanismo de separación de carga cambia cualitativamente en este punto en particular. La muestra de YBCO se vuelve no superconductora en este rango de intensidad de luz pero el estado normal aún está por alcanzar.
Claramente, las características fotovoltaicas del sistema están estrechamente relacionadas con la superconductividad del YBCO y su transición superconductora. La resistencia diferencial, dV/dI, del YBCO se muestra en la Fig. 2b (abajo) en función de la intensidad del láser. Como se mencionó anteriormente, el potencial eléctrico incorporado en la interfaz, debido a la difusión de pares de Cooper, se dirige del superconductor al metal. Similar a lo observado a 50 K, el efecto fotovoltaico se potencia al aumentar la intensidad del láser de 0 a Pc. Cuando la intensidad del láser alcanza un valor ligeramente superior a Pc, la curva IV comienza a inclinarse y la resistencia de la muestra comienza a aparecer, pero la polaridad del potencial de la interfaz aún no se modifica. El efecto de la excitación óptica sobre la superconductividad se ha investigado en la región visible o del infrarrojo cercano. Si bien el proceso básico consiste en romper los pares de Cooper y destruir la superconductividad25,26, en algunos casos la transición de superconductividad puede potenciarse27,28,29 e incluso inducir nuevas fases de superconductividad30. La ausencia de superconductividad en Pc puede atribuirse a la ruptura de pares fotoinducida. En el punto P0, el potencial a través de la interfaz se vuelve cero, lo que indica que la densidad de carga en ambos lados de la interfaz alcanza el mismo nivel bajo esta intensidad de iluminación. Un mayor aumento de la intensidad del láser provoca la destrucción de más pares de Cooper y el YBCO se transforma gradualmente de nuevo en un material de tipo p. En lugar de la difusión de pares de electrones y de Cooper, la característica de la interfaz está ahora determinada por la difusión de electrones y huecos, lo que provoca una inversión de polaridad del campo eléctrico en la interfaz y, en consecuencia, un Voc positivo (compárense las figuras 1d, h). A una intensidad láser muy alta, la resistencia diferencial del YBCO se satura a un valor correspondiente al estado normal, y tanto Voc como Isc tienden a variar linealmente con la intensidad del láser (figura 2b). Esta observación revela que la irradiación láser sobre el YBCO en estado normal ya no modifica su resistividad ni la característica de la interfaz superconductor-metal, sino que solo aumenta la concentración de pares electrón-hueco.
Para investigar el efecto de la temperatura en las propiedades fotovoltaicas, el sistema metal-superconductor se irradió en el cátodo con un láser azul de 502 mW/cm². Las curvas IV obtenidas a temperaturas seleccionadas entre 50 y 300 K se muestran en la Fig. 3a. La tensión de circuito abierto Voc, la corriente de cortocircuito Isc y la resistencia diferencial se pueden obtener a partir de estas curvas IV, que se muestran en la Fig. 3b. Sin iluminación, todas las curvas IV medidas a diferentes temperaturas pasan por el origen como se esperaba (recuadro de la Fig. 3a). Las características IV cambian drásticamente con el aumento de la temperatura cuando el sistema se ilumina con un haz láser relativamente potente (502 mW/cm²). A bajas temperaturas, las curvas IV son líneas rectas paralelas al eje I con valores negativos de Voc. Esta curva se mueve hacia arriba con el aumento de la temperatura y gradualmente se convierte en una línea con una pendiente distinta de cero a una temperatura crítica Tcp (Fig. 3a (arriba)). Parece que todas las curvas características IV giran alrededor de un punto en el tercer cuadrante. Voc aumenta de un valor negativo a uno positivo, mientras que Isc disminuye de un valor positivo a uno negativo. Por encima de la temperatura de transición superconductora original Tc de YBCO, la curva IV cambia de forma bastante diferente con la temperatura (parte inferior de la Fig. 3a). En primer lugar, el centro de rotación de las curvas IV se desplaza al primer cuadrante. En segundo lugar, Voc continúa disminuyendo e Isc aumentando con el aumento de la temperatura (parte superior de la Fig. 3b). En tercer lugar, la pendiente de las curvas IV aumenta linealmente con la temperatura, lo que resulta en un coeficiente de temperatura de resistencia positivo para YBCO (parte inferior de la Fig. 3b).
Dependencia de la temperatura de las características fotovoltaicas del sistema de pasta YBCO-Ag bajo iluminación láser de 502 mW/cm2.
El centro del punto láser se sitúa alrededor de los electrodos catódicos (véase la Fig. 1i). a, Curvas IV obtenidas de 50 a 90 K (arriba) y de 100 a 300 K (abajo) con incrementos de temperatura de 5 K y 20 K, respectivamente. El recuadro a muestra las características IV a varias temperaturas en la oscuridad. Todas las curvas cruzan el punto de origen. b, tensión de circuito abierto Voc y corriente de cortocircuito Isc (arriba) y la resistencia diferencial, dV/dI, de YBCO (abajo) en función de la temperatura. La temperatura de transición superconductora de resistencia cero Tcp no se proporciona porque está demasiado cerca de Tc0.
Se pueden reconocer tres temperaturas críticas de la Fig. 3b: Tcp, por encima de la cual el YBCO se vuelve no superconductor; Tc0, en la cual tanto Voc como Isc se vuelven cero y Tc, la temperatura de transición superconductora de inicio original del YBCO sin irradiación láser. Por debajo de Tcp ~ 55 K, el YBCO irradiado con láser está en estado superconductor con una concentración relativamente alta de pares de Cooper. El efecto de la irradiación láser es reducir la temperatura de transición superconductora de resistencia cero de 89 K a ~ 55 K (parte inferior de la Fig. 3b) al reducir la concentración de pares de Cooper además de producir voltaje y corriente fotovoltaicos. El aumento de temperatura también rompe los pares de Cooper, lo que lleva a un potencial más bajo en la interfaz. En consecuencia, el valor absoluto de Voc se volverá más pequeño, aunque se aplique la misma intensidad de iluminación láser. El potencial de la interfaz se volverá cada vez más pequeño con el aumento adicional de la temperatura y llega a cero en Tc0. No se produce efecto fotovoltaico en este punto específico debido a la ausencia de un campo interno que separe los pares electrón-hueco fotoinducidos. Por encima de esta temperatura crítica, se produce una inversión de polaridad del potencial, ya que la densidad de carga libre en la pasta de Ag es mayor que en el YBCO, que se transfiere gradualmente de nuevo a un material de tipo p. Cabe destacar que la inversión de polaridad de Voc e Isc ocurre inmediatamente después de la transición superconductora de resistencia cero, independientemente de la causa de la transición. Esta observación revela claramente, por primera vez, la correlación entre la superconductividad y los efectos fotovoltaicos asociados al potencial de la interfaz metal-superconductor. La naturaleza de este potencial a través de la interfaz superconductor-metal normal ha sido objeto de investigación durante las últimas décadas, pero aún quedan muchas preguntas por responder. La medición del efecto fotovoltaico podría ser un método eficaz para explorar los detalles (como su intensidad y polaridad) de este importante potencial y, por lo tanto, arrojar luz sobre el efecto de proximidad superconductor a alta temperatura.
Un mayor aumento de temperatura de Tc0 a Tc produce una menor concentración de pares de Cooper y un aumento del potencial de interfaz, lo que resulta en un Voc mayor. A Tc, la concentración de pares de Cooper se vuelve cero y el potencial de construcción en la interfaz alcanza un máximo, lo que resulta en un Voc máximo y un Isc mínimo. El rápido aumento de Voc e Isc (valor absoluto) en este rango de temperatura corresponde a la transición superconductora, que se amplía de ΔT ~ 3 K a ~34 K mediante la irradiación láser de intensidad 502 mW/cm² (Fig. 3b). En los estados normales por encima de Tc, la tensión de circuito abierto Voc disminuye con la temperatura (parte superior de la Fig. 3b), de forma similar al comportamiento lineal de Voc en células solares normales basadas en uniones pn31,32,33. Aunque la tasa de cambio de Voc con la temperatura (−dVoc/dT), que depende fuertemente de la intensidad del láser, es mucho menor que la de las células solares normales, el coeficiente de temperatura de Voc para la unión YBCO-Ag tiene el mismo orden de magnitud que el de las células solares. La corriente de fuga de una unión pn para un dispositivo de célula solar normal aumenta con el aumento de la temperatura, lo que lleva a una disminución de Voc a medida que aumenta la temperatura. Las curvas IV lineales observadas para este sistema Ag-superconductor, debido en primer lugar al potencial de interfaz muy pequeño y en segundo lugar a la conexión back-to-back de las dos heterojunciones, hacen que sea difícil determinar la corriente de fuga. Sin embargo, parece muy probable que la misma dependencia de la temperatura de la corriente de fuga sea responsable del comportamiento de Voc observado en nuestro experimento. Según la definición, Isc es la corriente necesaria para producir un voltaje negativo para compensar Voc para que el voltaje total sea cero. A medida que aumenta la temperatura, Voc se vuelve más pequeño para que se necesite menos corriente para producir el voltaje negativo. Además, la resistencia de YBCO aumenta linealmente con la temperatura por encima de Tc (parte inferior de la figura 3b), lo que también contribuye al menor valor absoluto de Isc a altas temperaturas.
Obsérvese que los resultados de las figuras 2 y 3 se obtuvieron mediante la irradiación láser en el área alrededor de los electrodos catódicos. Las mediciones también se repitieron con el punto láser colocado en el ánodo, observándose características de IV y propiedades fotovoltaicas similares, salvo que en este caso se invirtió la polaridad de Voc e Isc. Todos estos datos conducen a un mecanismo para el efecto fotovoltaico, estrechamente relacionado con la interfaz superconductor-metal.
En resumen, se midieron las características IV del sistema de pasta superconductora YBCO-Ag irradiada con láser en función de la temperatura y la intensidad del láser. Se observó un notable efecto fotovoltaico en el rango de temperatura de 50 a 300 K. Se encontró que las propiedades fotovoltaicas se correlacionan fuertemente con la superconductividad de la cerámica YBCO. Inmediatamente después de la transición fotoinducida de superconductor a no superconductor, se produce una inversión de polaridad de Voc e Isc. La dependencia de la temperatura de Voc e Isc, medida a una intensidad láser fija, también muestra una clara inversión de polaridad a una temperatura crítica por encima de la cual la muestra se vuelve resistiva. Al ubicar el punto láser en una parte diferente de la muestra, demostramos que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz, que proporciona la fuerza de separación para los pares electrón-hueco fotoinducidos. Este potencial de interfaz se dirige del YBCO al electrodo metálico cuando el YBCO es superconductor y cambia a la dirección opuesta cuando la muestra se vuelve no superconductora. El origen del potencial puede estar naturalmente asociado con el efecto de proximidad en la interfaz metal-superconductor cuando el YBCO es superconductor, y se estima en ~10−8 mV a 50 K con una intensidad láser de 502 mW/cm². El contacto de un material YBCO de tipo p en estado normal con una pasta de Ag de tipo n forma una unión cuasi-pn, responsable del comportamiento fotovoltaico de la cerámica de YBCO a altas temperaturas. Las observaciones anteriores arrojan luz sobre el efecto fotovoltaico en la cerámica superconductora de YBCO a alta temperatura y abren el camino a nuevas aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos, como detectores de luz pasivos rápidos y detectores de fotón único.
Los experimentos de efecto fotovoltaico se realizaron en una muestra de cerámica YBCO de 0,52 mm de espesor y 8,64 × 2,26 mm² de forma rectangular, iluminada con láser azul de onda continua (λ = 450 nm) con un tamaño de punto láser de 1,25 mm de radio. El uso de una muestra a granel en lugar de una película delgada nos permite estudiar las propiedades fotovoltaicas del superconductor sin tener que lidiar con la compleja influencia del sustrato6,7. Además, el material a granel podría ser propicio por su sencillo procedimiento de preparación y su coste relativamente bajo. Los hilos conductores de cobre se unen a la muestra de YBCO con pasta de plata formando cuatro electrodos circulares de aproximadamente 1 mm de diámetro. La distancia entre los dos electrodos de voltaje es de aproximadamente 5 mm. Las características IV de la muestra se midieron utilizando el magnetómetro de muestra de vibración (VersaLab, Quantum Design) con una ventana de cristal de cuarzo. Se empleó el método estándar de cuatro hilos para obtener las curvas IV. Las posiciones relativas de los electrodos y el punto láser se muestran en la Fig. 1i.
Cómo citar este artículo: Yang, F. et al. Origen del efecto fotovoltaico en cerámicas superconductoras YBa₂Cu₃O₆. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
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Este trabajo ha sido apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (subvención n.° 60571063) y los Proyectos de Investigación Fundamental de la Provincia de Henan, China (subvención n.° 122300410231).
FY redactó el texto del artículo y MYH preparó la muestra de cerámica YBCO. FY y MYH realizaron el experimento y analizaron los resultados. FGC dirigió el proyecto y la interpretación científica de los datos. Todos los autores revisaron el manuscrito.
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Hora de publicación: 22 de abril de 2020