Eskerrik asko nature.com webgunea bisitatzeagatik. CSSrako laguntza mugatua duen arakatzailearen bertsio bat erabiltzen ari zara. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratuago bat erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desaktibatzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScriptik gabe erakusten ari gara.
YBa2Cu3O6.96 (YBCO) zeramikan 50 eta 300 K artean laser urdinaren argiztapenak eragindako efektu fotovoltaiko nabarmena salatzen dugu, YBCOren supereroankortasunarekin eta YBCO-elektrodo metalikoaren interfazearekin zuzenean lotuta dagoena. Polaritate alderantzikapena dago zirkuitu irekiko tentsio Voc-ean eta zirkuitulaburreko korronte Isc-ean YBCOk supereroankortasun egoeratik erresistentzia egoerara igarotzen denean. Erakusten dugu supereroale-metal normal interfazean potentzial elektriko bat dagoela, eta horrek fotoinduzitutako elektroi-zulo bikoteen bereizketa indarra ematen duela. Interfaze potentzial hau YBCOtik metal elektrodora zuzentzen da YBCO supereroalea denean eta kontrako norabidean aldatzen da YBCO supereroale ez denean. Potentzialaren jatorria metal-supereroale interfazean dagoen hurbiltasun efektuarekin lotu daiteke erraz YBCO supereroalea denean eta bere balioa ~10–8 mV dela kalkulatzen da 50 K-tan 502 mW/cm2-ko laser intentsitatearekin. Egoera normalean dagoen p motako YBCO material baten eta n motako Ag-pasta material baten konbinazioak kuasi-pn lotura bat sortzen du, eta hau da, tenperatura altuetan YBCO zeramiken portaera fotovoltaikoaren arduraduna. Gure aurkikuntzek gailu fotoi-elektronikoen aplikazio berrietarako bidea ireki dezakete eta supereroale-metal interfazearen hurbiltasun-efektua argitu dezakete.
Tenperatura altuko supereroaleetan fotoinduzitutako tentsioaren berri eman zen 1990eko hamarkadaren hasieran eta ordutik sakonki ikertu da, baina bere izaera eta mekanismoa oraindik ez dira argitu1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) film meheak6,7,8, bereziki, sakonki aztertzen dira zelula fotovoltaiko (PV) moduan, energia-tarte erregulagarria duelako9,10,11,12,13. Hala ere, substratuaren erresistentzia handiak beti eragiten du gailuaren bihurketa-eraginkortasun baxua eta YBCO8-ren PV propietate nagusiak maskaratzen ditu. Hemen, laser urdinaren (λ = 450 nm) argiztapenak YBa2Cu3O6.96 (YBCO) zeramikan 50 eta 300 K artean (Tc ~ 90 K) eragindako efektu fotovoltaiko nabarmena erakusten dugu. Erakusten dugu PV efektua zuzenean lotuta dagoela YBCO-ren supereroankortasunarekin eta YBCO-elektrodo metalikoaren interfazearen izaerarekin. YBCOk supereroale fasetik erresistentzia egoera batera igarotzen denean, zirkuitu irekiko tentsio Voc eta zirkuitulaburreko korronte Isc polaritate alderantzikatzea gertatzen da. Proposatzen da supereroale-metal normal interfazean potentzial elektriko bat dagoela, fotoinduzitutako elektroi-zulo bikoteen bereizketa indarra ematen duena. Interfaze potentzial hau YBCOtik metal elektrodora zuzentzen da YBCO supereroalea denean, eta kontrako noranzkoan aldatzen da lagina supereroale ez denean. Potentzialaren jatorria naturalki lotuta egon daiteke hurbiltasun efektuarekin14,15,16,17 metal-supereroale interfazean, YBCO supereroalea denean, eta bere balioa ~10−8 mV dela kalkulatzen da 50 K-tan, 502 mW/cm2-ko laser intentsitatearekin. Egoera normalean dagoen p motako YBCO material baten eta n motako Ag-pasta material baten konbinazioak, ziurrenik, kuasi-pn lotura bat sortzen du, eta hori da YBCO zeramiken PV portaeraren erantzule tenperatura altuetan. Gure behaketek argi gehiago ematen dute tenperatura altuko YBCO zeramika supereroaleetan PV efektuaren jatorria eta bidea irekitzen dute gailu optoelektronikoetan aplikatzeko, hala nola argi-detektagailu pasibo azkarrak eta abar.
1a-c irudiek YBCO zeramikazko laginaren IV ezaugarriak erakusten dituzte 50 K-tan. Argi-argiztapenik gabe, laginaren tentsioa zero izaten jarraitzen du korrontea aldatuz gero, material supereroale batetik espero daitekeen bezala. Efektu fotovoltaiko agerikoa agertzen da laser izpia katodora zuzentzen denean (1a irudia): I ardatzarekiko paraleloak diren IV kurbak beherantz mugitzen dira laser intentsitatea handitu ahala. Argi dago fotoinduzitutako tentsio negatibo bat dagoela korronterik gabe ere (askotan zirkuitu irekiko tentsioa Voc deitzen zaio). IV kurbaren zero maldak adierazten du lagina oraindik supereroalea dela laser argiztapenaren pean.
(a–c) eta 300 K (e–g). V(I) balioak lortu ziren korrontea -10 mA-tik +10 mA-ra hutsean mugituz. Datu esperimentalen zati bat bakarrik aurkezten da argitasunaren mesedetan. a, YBCOren korronte-tentsio ezaugarriak katodoan kokatutako laser puntuarekin neurtuta (i). IV kurba guztiak lerro zuzen horizontalak dira, lagina oraindik supereroalea dela adierazten dutenak laser erradiazioaren bidez. Kurba behera mugitzen da laser intentsitatea handitzen den heinean, eta horrek adierazten du potentzial negatibo bat (Voc) dagoela bi tentsio eroaleen artean, zero korrontearekin ere. IV kurbak aldatu gabe mantentzen dira laserra laginaren erdialdera zuzentzen denean 50 K-tan (b) edo 300 K-tan (f). Lerro horizontala gora mugitzen da anodoa argitzen den heinean (c). Metal-supereroale junturaren eredu eskematikoa 50 K-tan ageri da d-n. YBCOren egoera normaleko korronte-tentsio ezaugarriak 300 K-tan, laser izpia katodora eta anodora zuzenduta neurtuta, e eta g-n ematen dira, hurrenez hurren. 50 K-tan lortutako emaitzekin alderatuta, lerro zuzenen malda ez-nuluak adierazten du YBCO egoera normalean dagoela; Voc-ren balioak argi-intentsitatearekin aldatzen dira kontrako noranzkoan, karga-bereizketa mekanismo desberdina adieraziz. 300 K-tan interfazearen egitura posible bat hj-n irudikatuta dago. Laginaren benetako irudia berunez osatuta dago.
Oxigenoz aberatsa den YBCO supereroale egoeran dagoenak eguzki-argiaren ia espektro osoa xurgatu dezake bere energia-tarte txikia (Eg)9,10 dela eta, horrela elektroi-zulo bikoteak (e–h) sortuz. Fotoien xurgapenaren bidez zirkuitu irekiko Voc tentsio bat sortzeko, beharrezkoa da foto-sortutako eh bikoteak espazialki bereiztea birkonbinazioa gertatu aurretik18. Voc negatiboak, katodoarekiko eta anodoarekiko, 1i irudian adierazten den bezala, iradokitzen du metal-supereroale interfazearen zehar potentzial elektriko bat dagoela, elektroiak anodora eta zuloak katodora eramaten dituena. Hala bada, supereroaletik anodoko metal elektrodora zuzendutako potentzial bat ere egon beharko litzateke. Ondorioz, Voc positiboa lortuko litzateke anodotik gertu dagoen lagin-eremua argiztatuta badago. Gainera, ez litzateke foto-induzitutako tentsiorik egon behar laser-puntua elektrodoetatik urrun dauden eremuetara zuzenduta dagoenean. Zalantzarik gabe, hala da, 1b,c! irudietan ikus daitekeen bezala.
Argi-puntua katodoko elektrodotik laginaren erdigunera mugitzen denean (interfazeetatik 1,25 mm ingurura), ez da IV kurben aldaketarik eta ez da Voc-rik ikusten laser intentsitatea balio maximoraino handitzen denean (1b irudia). Jakina, emaitza hau fotoinduzitutako eramaileen bizitza mugatuari eta laginaren bereizketa-indar faltari egotz dakioke. Elektroi-zulo bikoteak sor daitezke lagina argiztatzen den bakoitzean, baina e-h bikote gehienak deuseztatuko dira eta ez da efektu fotovoltaikorik ikusten laser puntua elektrodoetatik urrun dauden eremuetan erortzen bada. Laser puntua anodoko elektrodoetara eramanez, I ardatzarekiko paraleloak diren IV kurbak gorantz mugitzen dira laser intentsitatea handitzen den heinean (1c irudia). Antzeko eremu elektriko integratua dago anodoko metal-supereroale loturan. Hala ere, elektrodo metalikoa proba-sistemaren kable positibora konektatzen da oraingoan. Laserrak sortutako zuloak anodoko kablera bultzatzen dira eta, beraz, Voc positiboa ikusten da. Hemen aurkeztutako emaitzek ebidentzia sendoak ematen dituzte supereroaletik metalezko elektrodoraino doan interfaze-potentzial bat badagoela.
YBa2Cu3O6.96 zeramikan 300 K-tan gertatzen den efektu fotovoltaikoa 1e-g irudian ageri da. Argi-argiztapenik gabe, laginaren IV kurba jatorria zeharkatzen duen lerro zuzen bat da. Lerro zuzen hau gorantz mugitzen da jatorrizkoarekiko paraleloan, laser intentsitatea handituz katodoaren eroaleetan irradiatzen den heinean (1e irudia). Bi kasu mugatzaile interesgarri daude gailu fotovoltaiko batentzat. Zirkuitulaburreko egoera V = 0 denean gertatzen da. Kasu honetan, korrontea zirkuitulaburreko korrontea (Isc) deitzen da. Bigarren kasu mugatzailea zirkuitu irekiko egoera (Voc) da, R→∞ edo korrontea zero denean gertatzen dena. 1e irudiak argi erakusten du Voc positiboa dela eta argi-intentsitatea handitu ahala handitzen dela, 50 K-tan lortutako emaitzarekin alderatuta; Isc negatiboa, berriz, magnitudean handitzen dela ikusten da argi-argiztapenarekin, eguzki-zelula normalen portaera tipikoa.
Era berean, laser izpia elektrodoetatik urrun dauden eremuetara zuzentzen denean, V(I) kurba laser intentsitatearekiko independentea da eta ez da efektu fotovoltaikorik agertzen (1f irudia). 50 K-tan egindako neurketaren antzera, IV kurbak kontrako noranzkoan mugitzen dira anodo elektrodoa irradiatzen den heinean (1g irudia). YBCO-Ag pasta sistema honetarako 300 K-tan lortutako emaitza hauek guztiak, laginaren posizio desberdinetan laserra irradiatuta, 50 K-tan behatutakoaren aurkako interfaze potentzial batekin bat datoz.
Elektroi gehienak Cooper bikoteetan kondentsatzen dira YBCO supereroalean, bere trantsizio-tenperatura Tc-ren azpitik. Metalezko elektrodoan dauden bitartean, elektroi guztiak forma singularrean geratzen dira. Dentsitate-gradiente handia dago bai elektroi singularrentzat bai Cooper bikoteentzat metal-supereroale interfazearen inguruan. Material metalikoko gehiengo-eramaile diren elektroi singularrak supereroale eskualdean barreiatuko dira, eta YBCO eskualdeko gehiengo-eramaile diren Cooper bikoteak, berriz, metal eskualdean barreiatuko dira. Cooper bikoteek karga gehiago daramatzatenez eta mugikortasun handiagoa dutenez elektroi singularrak baino YBCOtik eskualde metalikora barreiatzen direnez, atomo positiboki kargatuak atzean geratzen dira, eta horrek eremu elektriko bat sortzen du espazio-karga eskualdean. Eremu elektriko honen norabidea 1d irudiko eskema-diagraman erakusten da. Espazio-karga eskualdearen ondoan dagoen fotoi intzidentearen argiztapenak bikoteak sor ditzake, eta hauek banandu eta kanporatu egingo dira, alderantzizko polarizazio-norabidean fotokorronte bat sortuz. Elektroiak sortutako eremu elektrikotik ateratzen direnean, bikoteetan kondentsatzen dira eta beste elektrodora isurtzen dira erresistentziarik gabe. Kasu honetan, Voc aurrez ezarritako polaritatearen aurkakoa da eta balio negatiboa erakusten du laser izpiak elektrodo negatiboaren inguruko eremura seinalatzen duenean. Voc-ren baliotik, interfazearen potentziala kalkula daiteke: bi tentsio-eroaleen arteko distantzia d ~5 × 10−3 m da, metal-supereroale interfazearen lodiera, di, YBCO supereroalearen koherentzia-luzeraren magnitude-ordena berekoa izan behar da (~1 nm)19,20, hartu Voc = 0,03 mV balioa, metal-supereroale interfazean Vms potentziala ~10−11 V dela ebaluatzen da 50 K-tan 502 mW/cm2-ko laser intentsitatearekin, ekuazioa erabiliz,
Hemen azpimarratu nahi dugu fotoinduzitutako tentsioa ezin dela efektu fototermikoaren bidez azaldu. Esperimentalki frogatu da YBCO supereroalearen Seebeck koefizientea Ss = 021 dela. Kobrezko berun-harietarako Seebeck koefizientea SCu = 0,34–1,15 μV/K3 tartean dago. Laser-puntuko kobrezko hariaren tenperatura 0,06 K-tan igo daiteke, laser-intentsitate maximoa 50 K-tan dagoelarik. Horrek 6,9 × 10−8 V-ko potentzial termoelektrikoa sor dezake, 1 (a) irudian lortutako Voc baino hiru magnitude-ordena txikiagoa dena. Argi dago efektu termoelektrikoa txikiegia dela emaitza esperimentalak azaltzeko. Izan ere, laser-irradiazioak eragindako tenperatura-aldaketa minutu bat baino gutxiagoan desagertuko litzateke, beraz, efektu termikoaren ekarpena segurtasunez alde batera utzi daiteke.
YBCOren efektu fotovoltaiko honek giro-tenperaturan agerian uzten du karga-banaketa mekanismo desberdin bat dagoela hemen inplikatuta. Egoera normalean dagoen YBCO supereroalea p motako materiala da, zuloak karga-eramaile gisa dituena22,23, eta Ag-pasta metalikoak n motako material baten ezaugarriak ditu. pn junturatan bezala, zilarrezko pastako elektroien difusioak eta YBCO zeramikako zuloek barne-eremu elektriko bat sortuko dute, interfazearen YBCO zeramikara zuzenduta (1h irudia). Barne-eremu horrek ematen du bereizketa-indarra eta Voc positiboa eta Isc negatiboa eragiten ditu YBCO-Ag pasta sistemarentzat giro-tenperaturan, 1e irudian erakusten den bezala. Bestela, Ag-YBCOk p motako Schottky juntura bat osa dezake, eta horrek ere goian aurkeztutako ereduan bezalako polaritate berdina duen interfaze-potentzial bat sortzen du24.
YBCOren supereroankortasun-trantsizioan zehar propietate fotovoltaikoen bilakaera-prozesu zehatza ikertzeko, 80 K-tan laginaren IV kurbak neurtu ziren hautatutako laser intentsitateekin katodoaren elektrodoan argiztatuz (2. irudia). Laser irradiaziorik gabe, laginaren tentsioa zero mantentzen da korrontea edozein dela ere, eta horrek laginaren supereroankortasun-egoera adierazten du 80 K-tan (2a irudia). 50 K-tan lortutako datuen antzera, I ardatzarekiko paraleloak diren IV kurbak beherantz mugitzen dira laser intentsitatea handitu ahala, Pc balio kritiko batera iritsi arte. Laser intentsitate kritiko honen (Pc) gainetik, supereroaleak fase supereroale batetik fase erresistente batera igarotzen da; tentsioa korrontearekin handitzen hasten da supereroalean erresistentzia agertzen delako. Ondorioz, IV kurba I ardatzarekin eta V ardatzarekin gurutzatzen hasten da, hasieran Voc negatibo bat eta Isc positibo bat sortuz. Orain, lagina egoera berezi batean dagoela dirudi, non Voc eta Isc-ren polaritatea oso sentikorra den argi-intentsitatearekiko; Argi-intentsitatearen igoera oso txikiarekin, Isc balio positibotik negatibora bihurtzen da eta Voc balio negatibotik positibora, jatorria igaroz (propietate fotovoltaikoen sentikortasun handia, batez ere Isc-ren balioa, argi-argiztapenarekiko argiago ikus daiteke 2b irudian). Eskuragarri dagoen laser intentsitate handienean, IV kurbak elkarren paraleloak izan nahi dute, YBCO laginaren egoera normala adieraziz.
Laser puntuaren erdigunea katodo elektrodoen inguruan kokatzen da (ikus 1i irudia). a, YBCOren IV kurbak laser intentsitate desberdinekin irradiatuta. b (goian), Voc zirkuitu irekiko tentsioaren eta Isc zirkuitulaburreko korrontearen laser intentsitatearen menpekotasuna. Isc balioak ezin dira lortu argi intentsitate baxuan (< 110 mW/cm2), IV kurbak I ardatzarekiko paraleloak direlako lagina supereroale egoeran dagoenean. b (behean), erresistentzia diferentziala laser intentsitatearen arabera.
Voc eta Isc-ren laser intentsitatearekiko menpekotasuna 80 K-tan 2b irudian (goian) erakusten da. Propietate fotovoltaikoak hiru argi intentsitate eskualdetan azter daitezke. Lehenengo eskualdea 0 eta Pc artean dago, non YBCO supereroalea den, Voc negatiboa den eta gutxitzen den (balio absolutua handitzen da) argi intentsitatearekin eta Pc-n minimo batera iristen den. Bigarren eskualdea Pc-tik beste P0 intentsitate kritiko batera doa, non Voc handitzen den Isc gutxitzen den argi intentsitatea handitzen den heinean eta biak zerora iristen dira P0-n. Hirugarren eskualdea P0-ren gainetik dago, YBCO-ren egoera normala lortu arte. Bai Voc bai Isc argi intentsitatearekin aldatzen diren arren 2. eskualdean bezala, polaritate kontrakoa dute P0 intentsitate kritikoaren gainetik. P0-ren garrantzia da ez dagoela efektu fotovoltaikorik eta karga bereizteko mekanismoa kualitatiboki aldatzen dela puntu honetan. YBCO lagina ez-supereroale bihurtzen da argi intentsitate tarte honetan, baina egoera normala oraindik ez da lortu.
Argi dago sistemaren ezaugarri fotovoltaikoak YBCOren supereroankortasunarekin eta bere supereroankortasun-trantsizioarekin estuki lotuta daudela. YBCOren erresistentzia diferentziala, dV/dI, 2b irudian (behean) ageri da, laser intentsitatearen funtzio gisa. Aurretik aipatu bezala, interfazean sortzen den potentzial elektrikoa Cooper bikoteen difusio-puntuengatik supereroaletik metalerakoa da. 50 K-tan behatutakoaren antzera, efektu fotovoltaikoa areagotu egiten da laser intentsitatea 0tik Pc-ra handitzen den heinean. Laser intentsitatea Pc-tik gorako balio batera iristen denean, IV kurba okertzen hasten da eta laginaren erresistentzia agertzen hasten da, baina interfazearen potentzialaren polaritatea oraindik ez da aldatzen. Kitzikapen optikoaren eragina supereroankortasunean ikusgai edo infragorri hurbileko eskualdean ikertu da. Oinarrizko prozesua Cooper bikoteak haustea eta supereroankortasuna suntsitzea den arren25,26, kasu batzuetan supereroankortasun-trantsizioa areagotu daiteke27,28,29, supereroankortasun-fase berriak ere induzi daitezke30. Pc-n supereroankortasunik eza fotoinduzitutako bikote-hausturari egotz dakioke. P0 puntuan, interfazearen potentziala zero bihurtzen da, eta horrek adierazten du interfazearen bi aldeetako karga-dentsitatea maila berera iristen dela argi-intentsitate horren pean. Laser intentsitatea gehiago handitzeak Cooper bikote gehiago suntsitzea dakar eta YBCO pixkanaka p motako material bihurtzen da berriro. Elektroi eta Cooper bikoteen difusioaren ordez, interfazearen ezaugarria elektroi eta zuloen difusioak zehazten du orain, eta horrek interfazeko eremu elektrikoaren polaritate-alderantzikatzea dakar eta, ondorioz, Voc positiboa (konparatu 1d eta 1h irudiak). Laser intentsitate oso altuan, YBCOren erresistentzia diferentziala egoera normalari dagokion balio batera saturatzen da eta bai Voc bai Isc laser intentsitatearekin linealki aldatzen dira (2b irudia). Behaketa honek agerian uzten du egoera normaleko YBCOren laser irradiazioak ez duela bere erresistentzia eta supereroale-metal interfazearen ezaugarria aldatuko, baizik eta elektroi-zulo bikoteen kontzentrazioa handituko duela soilik.
Tenperaturak propietate fotovoltaikoetan duen eragina ikertzeko, metal-supereroale sistema katodoan irradiatu zen 502 mW/cm2 intentsitateko laser urdin batekin. 50 eta 300 K arteko tenperatura hautatuetan lortutako IV kurbak 3a irudian ageri dira. Zirkuitu irekiko tentsioa Voc, zirkuitulaburreko korrontea Isc eta erresistentzia diferentziala IV kurba hauetatik lor daitezke eta 3b irudian ageri dira. Argi-argiztapenik gabe, tenperatura desberdinetan neurtutako IV kurba guztiek jatorria gainditzen dute espero bezala (3a irudiko txertatua). IV ezaugarriak izugarri aldatzen dira tenperatura handitzen den heinean, sistema laser izpi nahiko indartsu batek (502 mW/cm2) argiztatzen duenean. Tenperatura baxuetan, IV kurbak I ardatzarekiko paraleloak diren lerro zuzenak dira, Voc-ren balio negatiboekin. Kurba hau gorantz mugitzen da tenperatura handitzen den heinean eta pixkanaka malda ez-nulua duen lerro bihurtzen da Tcp tenperatura kritikoan (3a irudia (goian)). Badirudi IV ezaugarri-kurba guztiak hirugarren koadranteko puntu baten inguruan biratzen direla. Voc balio negatibo batetik positibo batera igotzen da, Isc balio positibotik negatibo batera jaisten den bitartean. YBCOren jatorrizko supereroaletasun trantsizio-tenperaturaren Tc-tik gora, IV kurba nahiko modu ezberdinean aldatzen da tenperaturarekin (3a irudiaren behealdea). Lehenik eta behin, IV kurben errotazio-zentroa lehen koadrantera mugitzen da. Bigarrenik, Voc jaisten jarraitzen du eta Isc handitzen da tenperatura handitzen den heinean (3b irudiaren goialdea). Hirugarrenik, IV kurben malda linealki handitzen da tenperaturarekin, eta horrek erresistentziaren tenperatura-koefiziente positiboa ematen dio YBCOri (3b irudiaren behealdea).
YBCO-Ag pasta sistemaren ezaugarri fotovoltaikoen tenperaturarekiko menpekotasuna 502 mW/cm2 laser argiztapenaren pean.
Laser puntuaren erdigunea katodoaren elektrodoen inguruan kokatzen da (ikus 1i irudia). a, 50 eta 90 K-tik (goian) eta 100 eta 300 K-tik (behean) lortutako IV kurbak, 5 K eta 20 K-ko tenperatura-gehikuntzarekin, hurrenez hurren. a txertatuak IV ezaugarriak erakusten ditu hainbat tenperaturatan iluntasunean. Kurba guztiek jatorrizko puntua zeharkatzen dute. b, zirkuitu irekiko tentsioa Voc eta zirkuitulaburreko korrontea Isc (goian) eta YBCO-ren erresistentzia diferentziala, dV/dI (behean) tenperaturaren arabera. Zero erresistentziako supereroaletasun trantsizio-tenperatura Tcp ez da ematen, Tc0-tik oso gertu dagoelako.
Hiru tenperatura kritiko bereiz daitezke 3b irudian: Tcp, zeinaren gainetik YBCO ez-supereroale bihurtzen den; Tc0, zeinetan Voc eta Isc zero bihurtzen diren eta Tc, YBCOren hasierako supereroaletasun trantsizio-tenperatura laser irradiaziorik gabe. Tcp ~ 55 K-ren azpitik, laser irradiatutako YBCO supereroale egoeran dago Cooper bikoteen kontzentrazio nahiko altuarekin. Laser irradiazioaren efektua zero erresistentziako supereroaletasun trantsizio-tenperatura 89 K-tik ~55 K-ra murriztea da (3b irudiaren behealdea), Cooper bikoteen kontzentrazioa murriztuz, tentsio eta korronte fotovoltaikoa sortzeaz gain. Tenperatura handitzeak Cooper bikoteak ere hausten ditu, interfazean potentzial txikiagoa eraginez. Ondorioz, Voc-en balio absolutua txikiagoa izango da, nahiz eta laser argiztapenaren intentsitate bera aplikatu. Interfazearen potentziala gero eta txikiagoa izango da tenperatura gehiago igotzen den heinean eta zerora iristen da Tc0-n. Ez dago efektu fotovoltaikorik puntu berezi honetan, ez baitago barne-eremurik fotoinduzitutako elektroi-zulo bikoteak bereizteko. Tenperatura kritiko honen gainetik potentzialaren polaritate alderantzikatzea gertatzen da, Ag pastaren karga askearen dentsitatea YBCOrena baino handiagoa baita, eta hau pixkanaka p motako material batera itzultzen da. Hemen azpimarratu nahi dugu Voc eta Isc-ren polaritate alderantzikatzea zero erresistentziako supereroaletasun trantsizioaren ondoren gertatzen dela, trantsizioaren kausa edozein dela ere. Behaketa honek argi eta garbi erakusten du, lehen aldiz, supereroankortasunaren eta metal-supereroale interfazearen potentzialarekin lotutako efektu fotovoltaikoen arteko korrelazioa. Potentzial honen izaera supereroale-metal normal interfazean ikerketa-ardatza izan da azken hamarkadetan, baina oraindik galdera asko daude erantzun zain. Efektu fotovoltaikoaren neurketa metodo eraginkorra izan daiteke potentzial garrantzitsu honen xehetasunak (hala nola, indarra eta polaritatea, etab.) aztertzeko eta, beraz, tenperatura altuko supereroaletasun hurbiltasun efektua argitzeko.
Tenperatura Tc0-tik Tc-ra gehiago igotzeak Cooper bikoteen kontzentrazio txikiagoa eta interfazearen potentzialaren hobekuntza dakar, eta ondorioz Voc handiagoa. Tc-n, Cooper bikoteen kontzentrazioa zero bihurtzen da eta interfazean sortzen den potentziala maximora iristen da, Voc maximoa eta Isc minimoa lortuz. Tenperatura-tarte honetan Voc eta Isc-ren (balio absolutua) igoera azkarra supereroaletasun-trantsizioari dagokio, ΔT ~ 3 K-tik ~34 K-ra zabaltzen dena 502 mW/cm2-ko intentsitateko laser erradiazioaren bidez (3b irudia). Tc-tik gorako egoera normaletan, zirkuitu irekiko Voc tentsioa tenperaturarekin gutxitzen da (3b irudiaren goialdea), pn junturetan oinarritutako eguzki-zelula normaletarako Voc-en portaera linealaren antzekoa31,32,33. Voc-ren tenperaturarekiko aldaketa-tasa (−dVoc/dT), laser intentsitatearen araberakoa dena, eguzki-zelula normalena baino askoz txikiagoa den arren, YBCO-Ag junturaren Voc-ren tenperatura-koefizientea eguzki-zelulena bezalakoa da. Eguzki-zelula normal baten pn junturaren ihes-korrontea handitzen da tenperatura handitzen den heinean, eta horrek Voc-ren jaitsiera eragiten du tenperatura handitzen den heinean. Ag-supereroale sistema honetarako behatutako IV kurba linealek, lehenik interfazearen potentzial oso txikia dela eta, bigarrenik, bi heterojunturen bizkarrez bizkar konexioa dela eta, zaildu egiten dute ihes-korrontea zehaztea. Hala ere, oso litekeena da ihes-korrontearen tenperaturarekiko menpekotasun bera izatea gure esperimentuan behatutako Voc portaeraren erantzule. Definizioaren arabera, Isc tentsio negatibo bat sortzeko behar den korrontea da, Voc konpentsatzeko, tentsio osoa zero izan dadin. Tenperatura handitzen den heinean, Voc txikiagoa bihurtzen da, beraz, korronte gutxiago behar da tentsio negatiboa sortzeko. Gainera, YBCOren erresistentzia linealki handitzen da Tc-tik gorako tenperaturarekin (3b irudiaren behealdea), eta horrek ere eragiten du Isc-ren balio absolutu txikiagoa tenperatura altuetan.
Kontuan izan 2. eta 3. irudietan emandako emaitzak katodoko elektrodoen inguruko eremuan laser bidezko irradiazio bidez lortu direla. Neurketak anodoan kokatutako laser puntuarekin ere errepikatu dira eta antzeko IV ezaugarriak eta propietate fotovoltaikoak ikusi dira, baina kasu honetan Voc eta Isc-ren polaritatea alderantzikatu egin da. Datu horiek guztiek efektu fotovoltaikoaren mekanismo batera eramaten dute, eta hori supereroale-metal interfazearekin estuki lotuta dago.
Laburbilduz, laser bidez irradiatutako YBCO-Ag pasta sistema supereroalearen IV ezaugarriak tenperaturaren eta laser intentsitatearen funtzio gisa neurtu dira. Efektu fotovoltaiko nabarmena ikusi da 50 eta 300 K arteko tenperatura-tartean. Ikusi da propietate fotovoltaikoak YBCO zeramiken supereroankortasunarekin korrelazionatzen direla. Voc eta Isc-ren polaritate-alderantzikatzea gertatzen da fotoinduzitutako supereroaletasunetik ez-supereroaletasunera igaro ondoren. Laser intentsitate finkoan neurtutako Voc eta Isc-ren tenperaturarekiko menpekotasunak polaritate-alderantzikapen nabarmena ere erakusten du tenperatura kritiko batean, eta tenperatura horren gainetik lagina erresistente bihurtzen da. Laser puntua laginaren beste atal batean kokatuz, erakusten dugu interfazearen zehar potentzial elektriko bat dagoela, eta horrek fotoinduzitutako elektroi-zulo bikoteen bereizketa-indarra ematen du. Interfaze-potentzial hau YBCOtik metalezko elektrodora zuzentzen da YBCO supereroalea denean, eta kontrako noranzkoan aldatzen da lagina ez-supereroale bihurtzen denean. Potentzialaren jatorria naturalki metal-supereroale interfazearen hurbiltasun-efektuarekin lotuta egon daiteke YBCO supereroalea denean, eta ~10−8 mV dela kalkulatzen da 50 K-tan, 502 mW/cm2-ko laser intentsitatearekin. Egoera normalean dagoen p motako YBCO material baten eta n motako Ag-pasta material baten arteko kontaktuak kuasi-pn lotura bat sortzen du, eta hori da YBCO zeramikek tenperatura altuetan duten portaera fotovoltaikoaren erantzule. Goiko behaketek tenperatura altuko YBCO zeramika supereroaleetan dagoen PV efektua argitzen dute eta bidea zabaltzen dute gailu optoelektronikoetan aplikazio berrietarako, hala nola argi-detektagailu pasibo azkarra eta fotoi bakarreko detektagailua.
Efektu fotovoltaikoko esperimentuak 0,52 mm-ko lodiera eta 8,64 × 2,26 mm2 forma angeluzuzeneko YBCO zeramikazko lagin batean egin ziren, eta uhin urdineko laser jarraitu batek (λ = 450 nm) argiztatu zuen, 1,25 mm-ko erradioko laser orbanaren tamainarekin. Lagin mehearen ordez, lagin masiboa erabiltzeak supereroalearen propietate fotovoltaikoak aztertzeko aukera ematen digu substratuaren eragin konplexuari aurre egin beharrik gabe6,7. Gainera, material masiboak prestatzeko prozedura sinplea eta kostu nahiko baxua izan ditzake. Kobrezko hariak YBCO laginari zilarrezko orearekin lotzen zaizkio, 1 mm-ko diametroko lau elektrodo zirkular osatuz. Bi tentsio elektrodoen arteko distantzia 5 mm ingurukoa da. Laginaren IV ezaugarriak bibrazio laginaren magnetometroa (VersaLab, Quantum Design) erabiliz neurtu ziren, kuartzo kristal leiho batekin. Lau hariko metodo estandarra erabili zen IV kurbak lortzeko. Elektrodoen eta laser orbanaren posizio erlatiboak 1i irudian ageri dira.
Artikulu hau nola aipatu: Yang, F. et al. Efektu fotovoltaikoaren jatorria YBa2Cu3O6.96 zeramika supereroaleetan. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG eta Testardi, LR Simetria debekatuta dauden laserrez eragindako tentsioak YBa2Cu3O7-n. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP eta Dong, SY Y-Ba-Cu-O-n dagoen seinale fotovoltaiko anomaloaren jatorria. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR eta Wang, GW Bi-Sr-Ca-Cu-O supereroaleen laserrez eragindako tentsioen neurketa. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Laser bidez eragindako tentsio iragankorrak YBa2Cu3O7-x-ren giro-tenperaturako filmen artean. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS eta Zheng, JP. Erantzun fotovoltaiko anomaloa YBa2Cu3O7-n. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. eta Hiroi, Z. Fotosortutako zulo-eramaileen injekzioa YBa2Cu3O7−x-ri oxido heteroegitura batean. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. YBa2Cu3Oy film meheen fotoigorpen-azterketa argi-argipean. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojuntura oxigeno-presio partzial desberdinetan errearen efektu fotovoltaikoa. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Bi hutsuneko egitura Yb(Y)Ba2Cu3O7-x kristal bakarrean. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. eta Mihailovic, D. Kuasipartikula erlaxazio dinamika hutsune-egitura desberdinak dituzten supereroaleetan: YBa2Cu3O7-δ-ri buruzko teoria eta esperimentuak. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ eta Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunturaren zuzenketa-propietateak. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL eta Tanner, DB Xurgapen exzitonikoa eta supereroankortasuna YBa2Cu3O7-δ-n. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ eta Stucky, G. YBa2Cu3O6.3-ren kristal erdieroaleetan fotoinduzitutako eroankortasun iragankorra: fotoinduzitutako egoera metalikoaren eta fotoinduzitutako supereroankortasunaren bilaketa. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Supereroaleen hurbiltasun efektuaren tunel eredua. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Supereroaleen hurbiltasun-efektua mesoskopia-luzera-eskalan aztertuta. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. eta Manske, D. Hurbiltasun efektua supereroale ez-zentrosimetrikoekin. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Supereroaletasun handiko hurbiltasun-efektua Pb-Bi2Te3 egitura hibridoetan. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS eta Pearson, GL Eguzki-erradiazioa energia elektriko bihurtzeko siliziozko pn juntura fotozelula berri bat. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn edo Niz dopatutako YBa2Cu3O6.9 kristal bakarreko supereroaleen koherentzia-luzeran ezpurutasunen efektuak. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. eta Segawa, K. YBa2Cu3Oy kristal bakarreko kiribildu gabekoen magnetorresistentzia dopaje-tarte zabal batean: koherentzia-luzeraren zulo-dopajearekiko menpekotasun anomaloa. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD eta Cooper, JR. Sistematika T altuko oxidoen potentzia termoelektrikoaren inguruan. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. P motako Tc handiko supereroaleetan gailur koherentearen eta LO fonoi moduaren eramaile-dentsitatearen araberako momentu-aldaketa. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Zuloen murrizketa eta elektroien metaketa YBa2Cu3Oy film meheetan teknika elektrokimiko bat erabiliz: n motako egoera metaliko baten frogak. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Schottky hesiaren altueraren fisika eta kimika. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. eta Langenberg, DN Kanpoko bikote-haustura dinamikoaren efektuak supereroaleen filmetan. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Supereroankortasunaren fotoinduzitutako hobekuntza. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Fotoeroankortasun iraunkorra YBa2Cu3O6+x filmen fase metaliko eta supereroaleetarako fotodopatzeko metodo gisa. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Sare-dinamika ez-lineala YBa2Cu3O6.5-en supereroankortasuna hobetzeko oinarri gisa. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Argiak eragindako supereroankortasuna marra-ordenatutako kuprato batean. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK eta Al-Nuaim, IA Eguzki-zelula baten KOLen tenperaturarekiko menpekotasun funtzionala bere eraginkortasunarekin erlazionatuta: ikuspegi berria. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM eta Anderson, WA Tenperaturaren efektuak Schottky-hesiko siliziozko eguzki-zeluletan. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. eta Tuladhar, SM Polimero-fulerenozko eguzki-zelulen gailu fotovoltaikoen parametroen tenperaturarekiko menpekotasuna funtzionamendu-baldintzetan. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Lan hau Txinako Zientzia Naturalen Fundazio Nazionalak (60571063 diru-laguntza zk.) eta Henan probintziako (Txina) Oinarrizko Ikerketa Proiektuek (122300410231 diru-laguntza zk.) babestu dute.
FY-k idatzi zuen artikuluaren testua eta MYH-k prestatu zuen YBCO zeramikazko lagina. FY-k eta MYH-k egin zuten esperimentua eta emaitzak aztertu zituzten. FGC-k zuzendu zuen proiektua eta datuen interpretazio zientifikoa. Egile guztiek berrikusi zuten eskuizkribua.
Lan hau Creative Commons Attribution 4.0 International lizentziapean dago lizentziatuta. Artikulu honetako irudiak edo hirugarrenen materiala artikuluaren Creative Commons lizentziapean sartzen dira, kreditu-lerroan bestelakorik adierazten ez bada behintzat; materiala Creative Commons lizentziapean sartzen ez bada, erabiltzaileek lizentziaren titularraren baimena beharko dute materiala erreproduzitzeko. Lizentzia honen kopia bat ikusteko, bisitatu http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. eta Chang, F. Efektu fotovoltaikoaren jatorria YBa2Cu3O6.96 zeramika supereroaleetan. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Iruzkin bat bidaliz gero, gure Baldintzak eta Komunitatearen Gidalerroak betetzea onartzen duzu. Zerbait abusuzkoa edo gure baldintzak edo gidalerroak betetzen ez dituena aurkitzen baduzu, mesedez, markatu desegokitzat.
Argitaratze data: 2020ko apirilaren 22a