از بازدید شما از nature.com متشکریم. شما از نسخه مرورگری با پشتیبانی محدود از CSS استفاده میکنید. برای داشتن بهترین تجربه، توصیه میکنیم از مرورگر بهروزتری استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). در عین حال، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایلها و جاوا اسکریپت نمایش میدهیم.
ما اثر فتوولتائیک قابل توجهی را در سرامیک YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بین 50 تا 300 کلوین القا شده توسط تابش لیزر آبی گزارش میکنیم که مستقیماً با ابررسانایی YBCO و فصل مشترک الکترود YBCO-فلز مرتبط است. هنگامی که YBCO از حالت ابررسانایی به حالت مقاومتی گذار میکند، یک معکوس شدن قطبیت برای ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc وجود دارد. ما نشان میدهیم که یک پتانسیل الکتریکی در فصل مشترک ابررسانا-فلز معمولی وجود دارد که نیروی جداسازی برای جفتهای الکترون-حفره القا شده توسط نور را فراهم میکند. این پتانسیل فصل مشترک هنگامی که YBCO ابررسانا است از YBCO به الکترود فلزی هدایت میشود و هنگامی که YBCO غیر ابررسانا میشود، به جهت مخالف تغییر میکند. منشأ پتانسیل ممکن است به راحتی با اثر مجاورت در فصل مشترک فلز-ابررسانا در هنگام ابررسانا بودن YBCO مرتبط باشد و مقدار آن در دمای 50 کلوین با شدت لیزر 502 میلیوات بر سانتیمتر مربع حدود 10 تا 8 میلیولت تخمین زده میشود. ترکیب ماده نوع p یعنی YBCO در حالت عادی با خمیر نقره از نوع n، یک اتصال شبه pn تشکیل میدهد که مسئول رفتار فتوولتائیک سرامیکهای YBCO در دماهای بالا است. یافتههای ما ممکن است راه را برای کاربردهای جدید دستگاههای فوتونی-الکترونیکی هموار کند و تأثیر مجاورت در فصل مشترک ابررسانا-فلز را بیشتر روشن کند.
ولتاژ القایی نوری در ابررساناهای دمای بالا در اوایل دهه 1990 گزارش شده و از آن زمان تاکنون به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است، اما ماهیت و مکانیسم آن همچنان نامشخص است1،2،3،4،5. به طور خاص، لایههای نازک YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6،7،8 به دلیل شکاف انرژی قابل تنظیم، به صورت سلول فتوولتائیک (PV) به شدت مورد مطالعه قرار گرفتهاند9،10،11،12،13. با این حال، مقاومت بالای زیرلایه همیشه منجر به راندمان تبدیل پایین دستگاه میشود و خواص اولیه PV YBCO8 را میپوشاند. در اینجا ما اثر فتوولتائیک قابل توجهی را که توسط تابش لیزر آبی (λ = 450 نانومتر) در سرامیک YBa2Cu3O6.96 (YBCO) بین 50 تا 300 کلوین (Tc ~ 90 کلوین) القا شده است، گزارش میکنیم. ما نشان میدهیم که اثر PV مستقیماً با ابررسانایی YBCO و ماهیت فصل مشترک الکترود فلزی YBCO مرتبط است. وقتی YBCO از فاز ابررسانا به حالت مقاومتی گذار میکند، یک معکوس شدن قطبیت برای ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc وجود دارد. پیشنهاد شده است که یک پتانسیل الکتریکی در سطح مشترک ابررسانا-فلز معمولی وجود دارد که نیروی جداسازی برای جفتهای الکترون-حفره القا شده توسط نور را فراهم میکند. این پتانسیل سطح مشترک وقتی YBCO ابررسانا است از YBCO به الکترود فلزی هدایت میشود و وقتی نمونه غیر ابررسانا میشود به جهت مخالف تغییر میکند. منشأ پتانسیل ممکن است به طور طبیعی با اثر مجاورت14،15،16،17 در سطح مشترک فلز-ابررسانا وقتی YBCO ابررسانا است مرتبط باشد و مقدار آن در دمای 50 کلوین با شدت لیزر 502 میلیوات بر سانتیمتر مربع حدود 10-8 میلیولت تخمین زده میشود. ترکیب یک ماده نوع p YBCO در حالت عادی با یک ماده نوع n-خمیر Ag، به احتمال زیاد، یک اتصال شبه pn تشکیل میدهد که مسئول رفتار PV سرامیکهای YBCO در دماهای بالا است. مشاهدات ما، منشأ اثر PV در سرامیکهای YBCO ابررسانای دمای بالا را بیشتر روشن میکند و راه را برای کاربرد آن در دستگاههای اپتوالکترونیکی مانند آشکارساز نور غیرفعال سریع و غیره هموار میسازد.
شکل 1a-c ویژگیهای IV نمونه سرامیکی YBCO را در دمای 50 کلوین نشان میدهد. بدون تابش نور، ولتاژ نمونه با تغییر جریان در صفر باقی میماند، همانطور که از یک ماده ابررسانا انتظار میرود. اثر فتوولتائیک آشکار زمانی ظاهر میشود که پرتو لیزر به کاتد هدایت شود (شکل 1a): منحنیهای IV موازی با محور I با افزایش شدت لیزر به سمت پایین حرکت میکنند. واضح است که حتی بدون هیچ جریانی، یک ولتاژ القایی نوری منفی وجود دارد (که اغلب ولتاژ مدار باز Voc نامیده میشود). شیب صفر منحنی IV نشان میدهد که نمونه تحت تابش لیزر هنوز ابررسانا است.
(a-c) و 300 کلوین (e-g). مقادیر V(I) با جابجایی جریان از 10- میلیآمپر تا 10+ میلیآمپر در خلاء بدست آمدند. فقط بخشی از دادههای تجربی برای وضوح بیشتر ارائه شده است. الف) ویژگیهای جریان-ولتاژ YBCO که با نقطه لیزر قرار گرفته در کاتد اندازهگیری شده است (i). تمام منحنیهای IV خطوط مستقیم افقی هستند که نشان میدهند نمونه هنوز با تابش لیزر ابررسانا است. منحنی با افزایش شدت لیزر به سمت پایین حرکت میکند، که نشان میدهد حتی با جریان صفر، پتانسیل منفی (Voc) بین دو هادی ولتاژ وجود دارد. منحنیهای IV هنگامی که لیزر به مرکز نمونه در اتر 50 کلوین (b) یا 300 کلوین (f) تابانده میشود، بدون تغییر باقی میمانند. خط افقی با روشن شدن آند به سمت بالا حرکت میکند (c). یک مدل شماتیک از اتصال فلز-ابررسانا در دمای 50 کلوین در شکل d نشان داده شده است. ویژگیهای جریان-ولتاژ حالت عادی YBCO در دمای 300 کلوین که با پرتو لیزر به سمت کاتد و آند اندازهگیری شدهاند، به ترتیب در e و g نشان داده شدهاند. برخلاف نتایج در دمای 50 کلوین، شیب غیر صفر خطوط مستقیم نشان میدهد که YBCO در حالت عادی است. مقادیر Voc با شدت نور در جهت مخالف تغییر میکنند که نشاندهنده مکانیسم جداسازی بار متفاوت است. یک ساختار رابط احتمالی در دمای 300 کلوین در hj نشان داده شده است. تصویر واقعی نمونه با سرب.
YBCO غنی از اکسیژن در حالت ابررسانایی میتواند به دلیل شکاف انرژی بسیار کوچک (Eg)9،10 تقریباً تمام طیف نور خورشید را جذب کند و در نتیجه جفتهای الکترون-حفره (e-h) ایجاد کند. برای تولید ولتاژ مدار باز Voc با جذب فوتونها، لازم است جفتهای eh تولید شده توسط نور قبل از وقوع بازترکیب از نظر فضایی جدا شوند18. Voc منفی، نسبت به کاتد و آند همانطور که در شکل 1i نشان داده شده است، نشان میدهد که یک پتانسیل الکتریکی در سطح مشترک فلز-ابررسانا وجود دارد که الکترونها را به سمت آند و حفرهها را به سمت کاتد هدایت میکند. در این صورت، باید یک پتانسیل از ابررسانا به الکترود فلزی در آند نیز وجود داشته باشد. در نتیجه، اگر ناحیه نمونه نزدیک آند روشن شود، یک Voc مثبت به دست میآید. علاوه بر این، هنگامی که نقطه لیزر به نواحی دور از الکترودها هدایت میشود، نباید هیچ ولتاژ القایی نوری وجود داشته باشد. همانطور که از شکل 1b،c! دیده میشود، قطعاً همینطور است.
وقتی لکه نور از الکترود کاتد به مرکز نمونه (حدود 1.25 میلیمتر از فصل مشترکها) حرکت میکند، با افزایش شدت لیزر تا حداکثر مقدار موجود، هیچ تغییری در منحنیهای IV و هیچ Voc مشاهده نمیشود (شکل 1b). طبیعتاً، این نتیجه را میتوان به طول عمر محدود حاملهای القایی نوری و عدم وجود نیروی جداسازی در نمونه نسبت داد. جفتهای الکترون-حفره میتوانند هر زمان که نمونه روشن میشود، ایجاد شوند، اما بیشتر جفتهای e-h از بین میروند و اگر لکه لیزر روی نواحی دور از هر یک از الکترودها قرار گیرد، هیچ اثر فتوولتائیکی مشاهده نمیشود. با حرکت لکه لیزر به الکترودهای آند، منحنیهای IV موازی با محور I با افزایش شدت لیزر به سمت بالا حرکت میکنند (شکل 1c). میدان الکتریکی داخلی مشابهی در محل اتصال فلز-ابررسانا در آند وجود دارد. با این حال، الکترود فلزی این بار به سرب مثبت سیستم آزمایش متصل میشود. سوراخهای تولید شده توسط لیزر به سرب آند رانده میشوند و بنابراین یک Voc مثبت مشاهده میشود. نتایج ارائه شده در اینجا شواهد محکمی ارائه میدهند که نشان میدهد در واقع یک پتانسیل سطح مشترک از ابررسانا به الکترود فلزی وجود دارد.
اثر فتوولتائیک در سرامیکهای YBa2Cu3O6.96 در دمای 300 کلوین در شکلهای 1e-g نشان داده شده است. بدون تابش نور، منحنی IV نمونه یک خط مستقیم است که از مبدا عبور میکند. این خط مستقیم با افزایش شدت لیزر تابیده شده در انتهای کاتد، به سمت بالا و موازی با منحنی اصلی حرکت میکند (شکل 1e). دو حالت محدودکننده برای یک دستگاه فتوولتائیک وجود دارد. حالت اتصال کوتاه زمانی رخ میدهد که V = 0 باشد. جریان در این حالت به عنوان جریان اتصال کوتاه (Isc) شناخته میشود. حالت محدودکننده دوم، حالت مدار باز (Voc) است که زمانی رخ میدهد که R→∞ یا جریان صفر باشد. شکل 1e به وضوح نشان میدهد که Voc مثبت است و با افزایش شدت نور افزایش مییابد، برخلاف نتیجه به دست آمده در دمای 50 کلوین؛ در حالی که مشاهده میشود Isc منفی با تابش نور، افزایش مییابد، که یک رفتار معمول در سلولهای خورشیدی معمولی است.
به طور مشابه، هنگامی که پرتو لیزر به نواحی دور از الکترودها تابانده میشود، منحنی V(I) مستقل از شدت لیزر است و هیچ اثر فتوولتائیکی ظاهر نمیشود (شکل 1f). مشابه اندازهگیری در دمای 50 کلوین، منحنیهای IV با تابش الکترود آند به جهت مخالف حرکت میکنند (شکل 1g). تمام این نتایج بهدستآمده برای این سیستم خمیر YBCO-Ag در دمای 300 کلوین با تابش لیزر در موقعیتهای مختلف نمونه، با پتانسیل سطح مشترک مخالف با پتانسیل مشاهدهشده در دمای 50 کلوین سازگار است.
بیشتر الکترونها در ابررسانای YBCO زیر دمای گذار Tc آن، در جفتهای کوپر متراکم میشوند. در حالی که در الکترود فلزی، تمام الکترونها به شکل منفرد باقی میمانند. گرادیان چگالی زیادی برای الکترونهای منفرد و جفتهای کوپر در مجاورت فصل مشترک فلز-ابررسانا وجود دارد. الکترونهای منفرد حامل اکثریت در ماده فلزی به ناحیه ابررسانا نفوذ میکنند، در حالی که جفتهای کوپر حامل اکثریت در ناحیه YBCO به ناحیه فلزی نفوذ میکنند. از آنجایی که جفتهای کوپر که بارهای بیشتری حمل میکنند و تحرک بیشتری نسبت به الکترونهای منفرد دارند، از YBCO به ناحیه فلزی نفوذ میکنند، اتمهای با بار مثبت باقی میمانند و در نتیجه یک میدان الکتریکی در ناحیه بار فضایی ایجاد میشود. جهت این میدان الکتریکی در نمودار شماتیک شکل 1d نشان داده شده است. تابش فوتون فرودی در نزدیکی ناحیه بار فضایی میتواند جفتهای eh ایجاد کند که از هم جدا شده و جاروب میشوند و یک جریان نوری در جهت بایاس معکوس ایجاد میکنند. به محض اینکه الکترونها از میدان الکتریکی داخلی خارج میشوند، به صورت جفت متراکم میشوند و بدون مقاومت به الکترود دیگر جریان مییابند. در این حالت، Voc مخالف قطبیت از پیش تعیین شده است و هنگامی که پرتو لیزر به ناحیه اطراف الکترود منفی اشاره میکند، مقدار منفی را نشان میدهد. از مقدار Voc، پتانسیل در سراسر فصل مشترک را میتوان تخمین زد: فاصله بین دو هادی ولتاژ d تقریباً 5 × 10−3 متر است، ضخامت فصل مشترک فلز-ابررسانا، di، باید همان مرتبه بزرگی طول همدوسی ابررسانای YBCO باشد (~1 نانومتر)19،20، مقدار Voc = 0.03 میلی ولت را در نظر بگیرید، پتانسیل Vms در فصل مشترک فلز-ابررسانا تقریباً 10−11 ولت در دمای 50 کلوین با شدت لیزر 502 میلی وات بر سانتی متر مربع با استفاده از معادله زیر ارزیابی میشود:
در اینجا میخواهیم تأکید کنیم که ولتاژ القایی نوری را نمیتوان با اثر نوری-حرارتی توضیح داد. به صورت تجربی ثابت شده است که ضریب سیبک ابررسانای YBCO برابر با Ss = 021 است. ضریب سیبک برای سیمهای مسی در محدوده SCu = 0.34-1.15 μV/K3 است. دمای سیم مسی در نقطه لیزر میتواند به مقدار کمی 0.06 کلوین افزایش یابد و حداکثر شدت لیزر در 50 کلوین موجود است. این میتواند پتانسیل ترموالکتریکی 6.9 × 10−8 ولت تولید کند که سه مرتبه کوچکتر از Voc بدست آمده در شکل 1 (a) است. بدیهی است که اثر ترموالکتریک برای توضیح نتایج تجربی بسیار کوچک است. در واقع، تغییر دما ناشی از تابش لیزر در کمتر از یک دقیقه ناپدید میشود، به طوری که میتوان سهم اثر حرارتی را با خیال راحت نادیده گرفت.
این اثر فتوولتائیک YBCO در دمای اتاق نشان میدهد که مکانیسم جداسازی بار متفاوتی در اینجا دخیل است. YBCO ابررسانا در حالت عادی یک ماده نوع p با حفرههایی به عنوان حامل بار است22،23، در حالی که خمیر نقره فلزی ویژگیهای یک ماده نوع n را دارد. مشابه اتصالات pn، انتشار الکترونها در خمیر نقره و حفرهها در سرامیک YBCO یک میدان الکتریکی داخلی را تشکیل میدهد که به سرامیک YBCO در سطح مشترک اشاره دارد (شکل 1h). این میدان داخلی است که نیروی جداسازی را فراهم میکند و منجر به Voc مثبت و Isc منفی برای سیستم خمیر YBCO-Ag در دمای اتاق میشود، همانطور که در شکل 1e نشان داده شده است. از طرف دیگر، Ag-YBCO میتواند یک اتصال شاتکی نوع p تشکیل دهد که منجر به پتانسیل سطح مشترک با قطبیت مشابه مدل ارائه شده در بالا24 نیز میشود.
برای بررسی فرآیند تکامل دقیق خواص فتوولتائیک در طول گذار ابررسانایی YBCO، منحنیهای IV نمونه در دمای 80 کلوین با شدتهای لیزر انتخابی که به الکترود کاتد تابانده میشوند، اندازهگیری شدند (شکل 2). بدون تابش لیزر، ولتاژ نمونه صرف نظر از جریان در صفر باقی میماند که نشاندهنده حالت ابررسانایی نمونه در دمای 80 کلوین است (شکل 2a). مشابه دادههای بهدستآمده در دمای 50 کلوین، منحنیهای IV موازی با محور I با افزایش شدت لیزر به سمت پایین حرکت میکنند تا زمانی که به مقدار بحرانی Pc برسند. بالاتر از این شدت لیزر بحرانی (Pc)، ابررسانا از فاز ابررسانایی به فاز مقاومتی گذار میکند. ولتاژ به دلیل ظهور مقاومت در ابررسانا، با جریان شروع به افزایش میکند. در نتیجه، منحنی IV شروع به تقاطع با محور I و محور V میکند که منجر به Voc منفی و Isc مثبت در ابتدا میشود. اکنون به نظر میرسد نمونه در حالت خاصی قرار دارد که در آن قطبیت Voc و Isc به شدت نور بسیار حساس است. با افزایش بسیار کم شدت نور، Isc از مقدار مثبت به منفی و Voc از مقدار منفی به مثبت تبدیل میشود و از مبدا عبور میکند (حساسیت بالای خواص فتوولتائیک، به ویژه مقدار Isc، به تابش نور را میتوان به وضوح در شکل 2b مشاهده کرد). در بالاترین شدت لیزر موجود، منحنیهای IV تمایل دارند با یکدیگر موازی باشند که نشاندهنده حالت عادی نمونه YBCO است.
مرکز نقطه لیزر در اطراف الکترودهای کاتد قرار گرفته است (شکل 1i را ببینید). الف) منحنیهای IV مربوط به YBCO تحت تابش با شدتهای مختلف لیزر. ب) (بالا)، وابستگی شدت لیزر به ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc. مقادیر Isc را نمیتوان در شدت نور کم (<110 mW/cm2) بدست آورد زیرا منحنیهای IV وقتی نمونه در حالت ابررسانایی است، موازی با محور I هستند. ب) (پایین)، مقاومت تفاضلی به عنوان تابعی از شدت لیزر.
وابستگی شدت لیزر Voc و Isc در دمای 80 کلوین در شکل 2b (بالا) نشان داده شده است. خواص فتوولتائیک را میتوان در سه ناحیه از شدت نور مورد بحث قرار داد. ناحیه اول بین 0 و Pc است که در آن YBCO ابررسانا است، Voc منفی است و با شدت نور کاهش مییابد (مقدار مطلق افزایش مییابد) و در Pc به حداقل میرسد. ناحیه دوم از Pc تا شدت بحرانی دیگر P0 است که در آن Voc افزایش مییابد در حالی که Isc با افزایش شدت نور کاهش مییابد و هر دو در P0 به صفر میرسند. ناحیه سوم بالاتر از P0 است تا زمانی که حالت عادی YBCO حاصل شود. اگرچه Voc و Isc هر دو با شدت نور به همان روشی که در ناحیه 2 تغییر میکنند، تغییر میکنند، اما بالاتر از شدت بحرانی P0 قطبیت مخالف دارند. اهمیت P0 در این است که هیچ اثر فتوولتائیکی وجود ندارد و مکانیسم جداسازی بار در این نقطه خاص به صورت کیفی تغییر میکند. نمونه YBCO در این محدوده از شدت نور غیر ابررسانا میشود اما هنوز به حالت عادی نرسیده است.
واضح است که ویژگیهای فتوولتائیک سیستم ارتباط نزدیکی با ابررسانایی YBCO و گذار ابررسانایی آن دارد. مقاومت تفاضلی، dV/dI، YBCO در شکل 2b (پایین) به عنوان تابعی از شدت لیزر نشان داده شده است. همانطور که قبلاً ذکر شد، پتانسیل الکتریکی ایجاد شده در فصل مشترک به دلیل نقاط انتشار جفت کوپر از ابررسانا به فلز. مشابه آنچه در دمای 50 کلوین مشاهده شد، اثر فتوولتائیک با افزایش شدت لیزر از 0 به Pc افزایش مییابد. هنگامی که شدت لیزر به مقداری کمی بالاتر از Pc میرسد، منحنی IV شروع به کج شدن میکند و مقاومت نمونه شروع به ظاهر شدن میکند، اما قطبیت پتانسیل فصل مشترک هنوز تغییر نکرده است. تأثیر تحریک نوری بر ابررسانایی در ناحیه مرئی یا نزدیک به مادون قرمز بررسی شده است. در حالی که فرآیند اساسی شکستن جفتهای کوپر و از بین بردن ابررسانایی است25،26، در برخی موارد گذار ابررسانایی میتواند افزایش یابد27،28،29، حتی میتوان فازهای جدیدی از ابررسانایی را القا کرد30. عدم وجود ابررسانایی در Pc را میتوان به شکست جفت القایی نوری نسبت داد. در نقطه P0، پتانسیل در سطح مشترک صفر میشود که نشان میدهد چگالی بار در هر دو طرف سطح مشترک تحت این شدت خاص از تابش نور به یک سطح میرسد. افزایش بیشتر شدت لیزر منجر به نابودی بیشتر جفتهای کوپر میشود و YBCO به تدریج به ماده نوع p تبدیل میشود. به جای انتشار الکترون و جفت کوپر، ویژگی سطح مشترک اکنون توسط انتشار الکترون و حفره تعیین میشود که منجر به وارونگی قطبیت میدان الکتریکی در سطح مشترک و در نتیجه Voc مثبت میشود (شکل 1d و h را مقایسه کنید). در شدت لیزر بسیار بالا، مقاومت تفاضلی YBCO به مقداری مطابق با حالت عادی اشباع میشود و Voc و Isc هر دو تمایل دارند به صورت خطی با شدت لیزر تغییر کنند (شکل 2b). این مشاهده نشان میدهد که تابش لیزر در حالت عادی YBCO دیگر مقاومت ویژه آن و ویژگی سطح مشترک ابررسانا-فلز را تغییر نمیدهد، بلکه فقط غلظت جفتهای الکترون-حفره را افزایش میدهد.
برای بررسی تأثیر دما بر خواص فتوولتائیک، سیستم فلز-ابررسانا در کاتد با لیزر آبی با شدت ۵۰۲ میلیوات بر سانتیمتر مربع تحت تابش قرار گرفت. منحنیهای IV بهدستآمده در دماهای انتخابشده بین ۵۰ تا ۳۰۰ کلوین در شکل ۳a نشان داده شدهاند. سپس میتوان ولتاژ مدار باز Voc، جریان اتصال کوتاه Isc و مقاومت تفاضلی را از این منحنیهای IV بهدست آورد و در شکل ۳b نشان داده شدهاند. بدون تابش نور، تمام منحنیهای IV اندازهگیریشده در دماهای مختلف، همانطور که انتظار میرود از مبدا عبور میکنند (شکل داخل شکل ۳a). ویژگیهای IV با افزایش دما، هنگامی که سیستم توسط یک پرتو لیزر نسبتاً قوی (۵۰۲ میلیوات بر سانتیمتر مربع) روشن میشود، بهطور چشمگیری تغییر میکنند. در دماهای پایین، منحنیهای IV خطوط مستقیمی موازی با محور I با مقادیر منفی Voc هستند. این منحنی با افزایش دما به سمت بالا حرکت میکند و به تدریج در دمای بحرانی Tcp به خطی با شیب غیر صفر تبدیل میشود (شکل ۳a (بالا)). به نظر میرسد که تمام منحنیهای مشخصه IV حول یک نقطه در ربع سوم میچرخند. Voc از مقدار منفی به مثبت افزایش مییابد در حالی که Isc از مقدار مثبت به منفی کاهش مییابد. بالاتر از دمای گذار ابررسانایی اولیه Tc مربوط به YBCO، منحنی IV با دما تغییرات نسبتاً متفاوتی دارد (پایین شکل 3a). اولاً، مرکز چرخش منحنیهای IV به ربع اول منتقل میشود. ثانیاً، Voc با افزایش دما کاهش و Isc افزایش مییابد (بالای شکل 3b). ثالثاً، شیب منحنیهای IV به صورت خطی با دما افزایش مییابد که منجر به ضریب مقاومت دمایی مثبت برای YBCO میشود (پایین شکل 3b).
وابستگی دمایی ویژگیهای فتوولتائیک برای سیستم خمیر YBCO-Ag تحت تابش لیزر 502 میلیوات بر سانتیمتر مربع.
مرکز نقطه لیزر در اطراف الکترودهای کاتد قرار گرفته است (شکل 1i را ببینید). الف) منحنیهای IV که از 50 تا 90 کلوین (بالا) و از 100 تا 300 کلوین (پایین) با افزایش دمایی به ترتیب 5 کلوین و 20 کلوین به دست آمدهاند. شکل a ویژگیهای IV را در چندین دما در تاریکی نشان میدهد. همه منحنیها از نقطه مبدا عبور میکنند. ب) ولتاژ مدار باز Voc و جریان اتصال کوتاه Isc (بالا) و مقاومت تفاضلی، dV/dI، YBCO (پایین) به عنوان تابعی از دما. دمای گذار ابررسانایی با مقاومت صفر Tcp داده نشده است زیرا خیلی نزدیک به Tc0 است.
سه دمای بحرانی را میتوان از شکل 3b تشخیص داد: Tcp، که بالاتر از آن YBCO غیر ابررسانا میشود؛ Tc0، که در آن هم Voc و هم Isc صفر میشوند و Tc، دمای گذار ابررسانایی اولیه YBCO بدون تابش لیزر. در دمای پایینتر از Tcp ~ 55 کلوین، YBCO تابششده با لیزر در حالت ابررسانایی با غلظت نسبتاً بالای جفتهای کوپر قرار دارد. اثر تابش لیزر، کاهش دمای گذار ابررسانایی با مقاومت صفر از 89 کلوین به ~ 55 کلوین (پایین شکل 3b) با کاهش غلظت جفت کوپر علاوه بر تولید ولتاژ و جریان فتوولتائیک است. افزایش دما همچنین جفتهای کوپر را تجزیه میکند که منجر به پتانسیل پایینتر در فصل مشترک میشود. در نتیجه، مقدار مطلق Voc کوچکتر خواهد شد، اگرچه همان شدت تابش لیزر اعمال میشود. پتانسیل فصل مشترک با افزایش بیشتر دما کوچکتر و کوچکتر میشود و در Tc0 به صفر میرسد. در این نقطه خاص هیچ اثر فتوولتائیکی وجود ندارد زیرا هیچ میدان داخلی برای جدا کردن جفتهای الکترون-حفره القا شده توسط نور وجود ندارد. در دمای بالاتر از این دمای بحرانی، قطبیت پتانسیل معکوس میشود، زیرا چگالی بار آزاد در خمیر نقره بیشتر از چگالی بار آزاد در YBCO است که به تدریج به ماده نوع p منتقل میشود. در اینجا میخواهیم تأکید کنیم که قطبیت معکوس Voc و Isc بلافاصله پس از گذار ابررسانایی با مقاومت صفر، صرف نظر از علت گذار، رخ میدهد. این مشاهده برای اولین بار به وضوح همبستگی بین ابررسانایی و اثرات فتوولتائیک مرتبط با پتانسیل فصل مشترک فلز-ابررسانا را آشکار میکند. ماهیت این پتانسیل در فصل مشترک ابررسانا-فلز معمولی در چند دهه گذشته مورد توجه تحقیقات بوده است، اما هنوز سوالات زیادی وجود دارد که باید به آنها پاسخ داده شود. اندازهگیری اثر فتوولتائیک میتواند روشی مؤثر برای بررسی جزئیات (مانند قدرت و قطبیت آن و غیره) این پتانسیل مهم باشد و از این رو، اثر مجاورت ابررسانایی دمای بالا را روشن کند.
افزایش بیشتر دما از Tc0 تا Tc منجر به غلظت کمتر جفتهای کوپر و افزایش پتانسیل سطح مشترک و در نتیجه Voc بزرگتر میشود. در Tc غلظت جفت کوپر صفر میشود و پتانسیل ایجاد شده در سطح مشترک به حداکثر میرسد و در نتیجه حداکثر Voc و حداقل Isc ایجاد میشود. افزایش سریع Voc و Isc (مقدار مطلق) در این محدوده دمایی مربوط به گذار ابررسانایی است که از ΔT ~ 3 K تا ~ 34 K با تابش لیزر با شدت 502 میلیوات بر سانتیمتر مربع گسترش مییابد (شکل 3b). در حالتهای عادی بالاتر از Tc، ولتاژ مدار باز Voc با دما کاهش مییابد (بالای شکل 3b)، مشابه رفتار خطی Voc برای سلولهای خورشیدی معمولی مبتنی بر اتصالات pn31،32،33. اگرچه نرخ تغییر Voc با دما (−dVoc/dT)، که به شدت به شدت لیزر بستگی دارد، بسیار کمتر از سلولهای خورشیدی معمولی است، ضریب دمایی Voc برای اتصال YBCO-Ag همان مرتبه بزرگی سلولهای خورشیدی را دارد. جریان نشتی یک اتصال pn برای یک دستگاه سلول خورشیدی معمولی با افزایش دما افزایش مییابد و منجر به کاهش Voc با افزایش دما میشود. منحنیهای خطی IV مشاهده شده برای این سیستم Ag-ابررسانا، به دلیل اولاً پتانسیل رابط بسیار کوچک و ثانیاً اتصال پشت به پشت دو پیوند ناهمگون، تعیین جریان نشتی را دشوار میکند. با این وجود، به احتمال زیاد همین وابستگی دمایی جریان نشتی مسئول رفتار Voc مشاهده شده در آزمایش ما است. طبق تعریف، Isc جریان مورد نیاز برای تولید ولتاژ منفی برای جبران Voc است به طوری که ولتاژ کل صفر باشد. با افزایش دما، Voc کوچکتر میشود به طوری که جریان کمتری برای تولید ولتاژ منفی مورد نیاز است. علاوه بر این، مقاومت YBCO با افزایش دما بالاتر از Tc (پایین شکل 3b) به صورت خطی افزایش مییابد، که این امر نیز به کوچکتر شدن مقدار مطلق Isc در دماهای بالا کمک میکند.
توجه داشته باشید که نتایج ارائه شده در شکلهای ۲ و ۳ با تابش لیزر در ناحیه اطراف الکترودهای کاتد به دست آمدهاند. اندازهگیریها همچنین با نقطه لیزر قرار گرفته در آند تکرار شدهاند و ویژگیهای IV و خواص فتوولتائیک مشابهی مشاهده شده است، با این تفاوت که قطبیت Voc و Isc در این مورد معکوس شده است. همه این دادهها منجر به مکانیسمی برای اثر فتوولتائیک میشوند که ارتباط نزدیکی با فصل مشترک ابررسانا-فلز دارد.
به طور خلاصه، ویژگیهای IV سیستم خمیر YBCO-Ag ابررسانای تابششده با لیزر به عنوان تابعی از دما و شدت لیزر اندازهگیری شدهاند. اثر فتوولتائیک قابل توجه در محدوده دمایی 50 تا 300 کلوین مشاهده شده است. مشخص شده است که خواص فتوولتائیک به شدت با ابررسانایی سرامیکهای YBCO مرتبط است. وارونگی قطبیت Voc و Isc بلافاصله پس از گذار از ابررسانایی القایی نوری به غیر ابررسانایی رخ میدهد. وابستگی دمایی Voc و Isc اندازهگیری شده در شدت لیزر ثابت، وارونگی قطبیت مشخصی را در دمای بحرانی بالاتر از آن که نمونه مقاوم میشود، نشان میدهد. با قرار دادن نقطه لیزر در قسمتهای مختلف نمونه، نشان میدهیم که یک پتانسیل الکتریکی در سطح مشترک وجود دارد که نیروی جداسازی برای جفتهای الکترون-حفره القایی نوری را فراهم میکند. این پتانسیل سطح مشترک هنگامی که YBCO ابررسانا است از YBCO به الکترود فلزی هدایت میشود و هنگامی که نمونه غیر ابررسانا میشود به جهت مخالف تغییر میکند. منشأ پتانسیل ممکن است به طور طبیعی با اثر مجاورت در فصل مشترک فلز-ابررسانا در هنگام ابررسانایی YBCO مرتبط باشد و تخمین زده میشود که در دمای 50 کلوین با شدت لیزر 502 میلیوات بر سانتیمتر مربع، حدود 10-8 میلیولت باشد. تماس یک ماده نوع p از YBCO در حالت عادی با یک ماده نوع n از Ag-pn، یک اتصال شبه pn تشکیل میدهد که مسئول رفتار فتوولتائیک سرامیکهای YBCO در دماهای بالا است. مشاهدات فوق، اثر PV را در سرامیکهای YBCO ابررسانای دمای بالا روشن میکند و راه را برای کاربردهای جدید در دستگاههای اپتوالکترونیکی مانند آشکارساز نور غیرفعال سریع و آشکارساز تک فوتون هموار میکند.
آزمایشهای اثر فتوولتائیک بر روی یک نمونه سرامیکی YBCO با ضخامت 0.52 میلیمتر و به شکل مستطیلی 8.64 × 2.26 میلیمتر مربع انجام شد و توسط لیزر آبی موج پیوسته (λ = 450 نانومتر) با شعاع نقطه لیزر 1.25 میلیمتر روشن شد. استفاده از نمونه حجیم به جای نمونه لایه نازک، ما را قادر میسازد تا خواص فتوولتائیک ابررسانا را بدون نیاز به مقابله با تأثیر پیچیده زیرلایه مطالعه کنیم6،7. علاوه بر این، ماده حجیم میتواند به دلیل روش آمادهسازی ساده و هزینه نسبتاً پایین آن، مفید باشد. سیمهای سربی مسی روی نمونه YBCO با خمیر نقره که چهار الکترود دایرهای با قطر حدود 1 میلیمتر تشکیل میدهند، همدوس شدهاند. فاصله بین دو الکترود ولتاژ حدود 5 میلیمتر است. ویژگیهای IV نمونه با استفاده از مغناطیسسنج نمونه ارتعاشی (VersaLab، Quantum Design) با یک پنجره کریستال کوارتز اندازهگیری شد. از روش استاندارد چهار سیمی برای بدست آوردن منحنیهای IV استفاده شد. موقعیتهای نسبی الکترودها و نقطه لیزر در شکل 1i نشان داده شده است.
نحوه استناد به این مقاله: Yang, F. et al. Origin of photovoltaic effect in superconducting YBa2Cu3O6.96 ceramics. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
چانگ، سی ال، کلاینهامز، ای.، مولتون، دبلیو جی و تستاردی، ال آر. ولتاژهای القایی لیزری ممنوع از نظر تقارن در YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
کووک، اچ اس، ژنگ، جی پی و دونگ، اس وای. منشأ سیگنال فتوولتائیک غیرعادی در Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
وانگ، الپی، لین، جیال، فنگ، کیوآر و وانگ، جیدبلیو. اندازهگیری ولتاژهای القایی لیزری ابررسانای Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
تیت، کیال، و همکاران. ولتاژهای القایی گذرای لیزری در لایههای نازک YBa2Cu3O7-x در دمای اتاق. مجله فیزیک کاربردی. 67، 4375–4376 (1990).
کووک، اچ اس و ژنگ، جی پی. پاسخ فتوولتائیک غیرعادی در YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
مورائوکا، ی.، موراماتسو، ت.، یامورا، ج. و هیروی، ز. تزریق حامل حفره تولید شده توسط نور به YBa2Cu3O7−x در یک ساختار ناهمگن اکسیدی. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
آساکورا، دی. و همکاران. مطالعه گسیل نوری لایههای نازک YBa2Cu3Oy تحت تابش نور. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
یانگ، ف. و همکاران. اثر فتوولتائیک پیوند ناهمگون YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb آنیل شده در فشارهای جزئی اکسیژن مختلف. Mater. Lett. 130، 51–53 (2014).
امینوف، بی.ای و همکاران. ساختار دو شکافی در تک بلورهای Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. مجله سوپرکندیشن. 7، 361–365 (1994).
کابانوف، وی. وی.، دمسار، جی.، پودوبنیک، بی. و میهایلوویچ، دی. دینامیک آسایش شبهذرات در ابررساناها با ساختارهای شکاف متفاوت: نظریه و آزمایشها روی YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
سان، جی آر، شیونگ، سی ام، ژانگ، وای زد و شن، بی جی. خواص یکسوسازی پیوند ناهمگون YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
کاماراس، ک.، پورتر، سیدی، داس، امجی، هر، اسال و تانر، دیبی، جذب اکسایتونی و ابررسانایی در YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
یو، جی.، هیگر، ای.جی و استاکی، جی. رسانایی القایی نوری گذرا در تک بلورهای نیمهرسانای YBa2Cu3O6.3: جستجوی حالت فلزی القایی نوری و ابررسانایی القایی نوری. Solid State Commun. 72، 345–349 (1989).
مکمیلان، دبلیو. ال. مدل تونلزنی اثر مجاورت ابررسانایی. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
گورون، س. و همکاران. اثر مجاورت ابررسانایی در مقیاس طول مزوسکوپی بررسی شد. Phys. Rev. Lett. 77، 3025–3028 (1996).
آنونزیاتا، جی. و مانسکه، دی. اثر مجاورت با ابررساناهای غیرمتقارن. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
کو، افام و همکاران. اثر مجاورتی قوی ابررسانایی در ساختارهای هیبریدی Pb-Bi2Te3. مجله علمی، شماره ۲، ۳۳۹ (۲۰۱۲).
چاپین، دیام، فولر، سیاس و پیرسون، جیال. یک فوتوسل پیوندی سیلیکونی جدید برای تبدیل تابش خورشیدی به توان الکتریکی. مجله فیزیک کاربردی، شماره ۲۵، صفحات ۶۷۶-۶۷۷ (۱۹۵۴).
تومیموتو، ک. اثرات ناخالصی بر طول همدوسی ابررسانایی در تک بلورهای YBa2Cu3O6.9 آلاییده شده با روی یا نیکل. Phys. Rev. B 60، 114–117 (1999).
آندو، ی. و سگاوا، ک. مقاومت مغناطیسی تک بلورهای YBa2Cu3Oy بدون دوقلویی در طیف وسیعی از آلایش: وابستگی غیرعادی طول همدوسی به آلایش حفره. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
اوبرتلی، اسدی و کوپر، جیآر، سیستماتیک در توان ترموالکتریک اکسیدهای با دمای بالا. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
سوگای، اس. و همکاران. تغییر تکانه وابسته به چگالی حامل در پیک همدوس و مد فونون LO در ابررساناهای دمای بالای نوع p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
نوجیما، تی. و همکاران. کاهش حفره و تجمع الکترون در لایههای نازک YBa2Cu3Oy با استفاده از یک تکنیک الکتروشیمیایی: شواهدی برای حالت فلزی نوع n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
تونگ، آر. تی. فیزیک و شیمی ارتفاع سد شاتکی. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
سای-هالاس، جی.ای.، چی، سی.سی.، دننشتاین، ای. و لانگنبرگ، دی.ان. اثرات شکست جفت خارجی دینامیکی در لایههای ابررسانا. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
نیوا، جی. و همکاران. افزایش ابررسانایی القا شده توسط نور. Appl. Phys. Lett. 60، 2159–2161 (1992).
کودینوف، وی. آی. و همکاران. فوتورسانایی پایدار در لایههای نازک YBa2Cu3O6+x به عنوان روشی برای فوتوآلایش به سمت فازهای فلزی و ابررسانا. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
مانکوفسکی، آر. و همکاران. دینامیک شبکه غیرخطی به عنوان مبنایی برای ابررسانایی افزایش یافته در YBa2Cu3O6.5. Nature 516، 71–74 (2014).
فاوستی، دی. و همکاران. ابررسانایی القایی نوری در یک کوپرات با نظم نواری. مجله Science 331، 189–191 (2011).
العدوی، ام کی و النعیم، آی ای. وابستگی تابعی دمایی VOC برای یک سلول خورشیدی در رابطه با کارایی آن، رویکرد جدید. نمکزدایی 209، 91-96 (2007).
ورنون، اس. ام. و اندرسون، و. ای. اثرات دما در سلولهای خورشیدی سیلیکونی با مانع شاتکی. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
کاتز، ای.ای.، فیمن، دی. و تولادهار، اس.ام. وابستگی دمایی پارامترهای دستگاه فتوولتائیک سلولهای خورشیدی پلیمر-فولرن تحت شرایط عملیاتی. مجله فیزیک کاربردی، شماره ۹۰، صفحات ۵۳۴۳–۵۳۵۰ (۲۰۰۲).
این کار توسط بنیاد ملی علوم طبیعی چین (شماره کمک هزینه ۶۰۵۷۱۰۶۳)، پروژههای تحقیقاتی بنیادی استان هنان، چین (شماره کمک هزینه ۱۲۲۳۰۰۴۱۰۲۳۱) پشتیبانی شده است.
FY متن مقاله را نوشت و MYH نمونه سرامیکی YBCO را آماده کرد. FY و MYH آزمایش را انجام دادند و نتایج را تجزیه و تحلیل کردند. FGC پروژه و تفسیر علمی دادهها را رهبری کرد. همه نویسندگان نسخه خطی را بررسی کردند.
این اثر تحت مجوز بینالمللی Creative Commons Attribution 4.0 منتشر شده است. تصاویر یا سایر مطالب شخص ثالث در این مقاله، در مجوز Creative Commons مقاله گنجانده شدهاند، مگر اینکه در قسمت منبع خلاف آن ذکر شده باشد؛ اگر مطلب تحت مجوز Creative Commons نباشد، کاربران برای تکثیر مطلب باید از دارنده مجوز اجازه بگیرند. برای مشاهده نسخهای از این مجوز، به آدرس http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ مراجعه کنید.
یانگ، اف.، هان، ام. و چانگ، اف. منشأ اثر فتوولتائیک در سرامیکهای ابررسانای YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5، 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
با ارسال نظر، شما موافقت میکنید که از شرایط و ضوابط و دستورالعملهای انجمن ما پیروی کنید. اگر موردی توهینآمیز یافتید یا با شرایط یا دستورالعملهای ما مطابقت نداشت، لطفاً آن را به عنوان نامناسب علامتگذاری کنید.
زمان ارسال: ۲۲ آوریل ۲۰۲۰