Orixe do efecto fotovoltaico en cerámicas supercondutoras de YBa2Cu3O6.96

Grazas por visitar nature.com. Estás a usar unha versión do navegador con compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses un navegador máis actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a compatibilidade continua, mostramos o sitio sen estilos nin JavaScript.

Informamos dun notable efecto fotovoltaico na cerámica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K inducido por iluminación láser azul, que está directamente relacionado coa supercondutividade do YBCO e a interface YBCO-electrodo metálico. Hai unha inversión de polaridade para a tensión de circuíto aberto Voc e a corrente de curtocircuíto Isc cando o YBCO sofre unha transición do estado supercondutor ao resistivo. Demostramos que existe un potencial eléctrico a través da interface supercondutor-metal normal, que proporciona a forza de separación para os pares electrón-burato fotoinducidos. Este potencial de interface diríxese do YBCO ao eléctrodo metálico cando o YBCO é supercondutor e cambia na dirección oposta cando o YBCO deixa de ser supercondutor. A orixe do potencial pode asociarse facilmente co efecto de proximidade na interface metal-supercondutor cando o YBCO é supercondutor e o seu valor estímase en ~10–8 mV a 50 K cunha intensidade láser de 502 mW/cm2. A combinación dun material de tipo p YBCO en estado normal cun material de pasta de Ag de tipo n forma unha cuasi-unión pn que é responsable do comportamento fotovoltaico das cerámicas YBCO a altas temperaturas. Os nosos achados poden abrir o camiño a novas aplicacións de dispositivos fotónicos-electrónicos e arroxar máis luz sobre o efecto de proximidade na interface supercondutor-metal.

A tensión fotoinducida en supercondutores de alta temperatura foi descrita a principios da década de 1990 e investigada exhaustivamente desde entón, pero a súa natureza e mecanismo seguen sen estar claros1,2,3,4,5. As películas delgadas de YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, en particular, estúdanse intensamente en forma de célula fotovoltaica (PV) debido á súa fenda de enerxía axustable9,10,11,12,13. Non obstante, a alta resistencia do substrato sempre leva a unha baixa eficiencia de conversión do dispositivo e enmascara as propiedades fotovoltaicas primarias do YBCO8. Aquí informamos dun notable efecto fotovoltaico inducido pola iluminación con láser azul (λ = 450 nm) en cerámica de YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K (Tc ~ 90 K). Demostramos que o efecto fotovoltaico está directamente relacionado coa supercondutividade do YBCO e a natureza da interface YBCO-electrodo metálico. Existe unha inversión de polaridade para a tensión de circuíto aberto Voc e a corrente de curtocircuíto Isc cando o YBCO sofre unha transición da fase supercondutora a un estado resistivo. Proponse que existe un potencial eléctrico a través da interface supercondutor-metal normal, que proporciona a forza de separación para os pares electrón-burato fotoinducidos. Este potencial de interface diríxese do YBCO ao eléctrodo metálico cando o YBCO é supercondutor e cambia na dirección oposta cando a mostra deixa de ser supercondutora. A orixe do potencial pode estar asociada naturalmente co efecto de proximidade14,15,16,17 na interface metal-supercondutor cando o YBCO é supercondutor e estímase que o seu valor é de ~10−8 mV a 50 K cunha intensidade láser de 502 mW/cm2. A combinación dun material de tipo p YBCO en estado normal cun material de pasta de Ag de tipo n forma, moi probablemente, unha unión cuasi-pn que é responsable do comportamento fotovoltaico das cerámicas de YBCO a altas temperaturas. As nosas observacións arroxan máis luz sobre a orixe do efecto fotovoltaico nas cerámicas YBCO supercondutoras de alta temperatura e allanan o camiño para a súa aplicación en dispositivos optoelectrónicos como detectores de luz pasivos rápidos, etc.

A figura 1a–c mostra as características IV da mostra cerámica de YBCO a 50 K. Sen iluminación luminosa, a tensión na mostra permanece en cero coa corrente cambiante, como se pode esperar dun material supercondutor. Aparece un efecto fotovoltaico obvio cando o raio láser se dirixe ao cátodo (Fig. 1a): as curvas IV paralelas ao eixe I móvense cara abaixo ao aumentar a intensidade do láser. É evidente que existe unha tensión fotoinducida negativa mesmo sen corrente (a miúdo chamada tensión de circuíto aberto Voc). A pendente cero da curva IV indica que a mostra segue sendo supercondutora baixo iluminación láser.

(a–c) e 300 K (e–g). Os valores de V(I) obtivéronse varrindo a corrente de −10 mA a +10 mA no baleiro. Só se presenta unha parte dos datos experimentais para maior claridade. a, Características corrente-tensión do YBCO medidas cun punto láser colocado no cátodo (i). Todas as curvas IV son liñas rectas horizontais que indican que a mostra aínda é supercondutora con irradiación láser. A curva móvese cara abaixo ao aumentar a intensidade do láser, o que indica que existe un potencial negativo (Voc) entre os dous condutores de tensión mesmo con corrente cero. As curvas IV permanecen sen cambios cando o láser se dirixe ao centro da mostra a 50 K (b) ou 300 K (f). A liña horizontal móvese cara arriba a medida que se ilumina o ánodo (c). En d móstrase un modelo esquemático da unión metal-supercondutor a 50 K. As características corrente-tensión do YBCO en estado normal a 300 K medidas cun feixe láser apuntando ao cátodo e ao ánodo danse en e e g respectivamente. En contraste cos resultados a 50 K, a pendente distinta de cero das liñas rectas indica que o YBCO está en estado normal; os valores de Voc varían coa intensidade da luz en dirección oposta, o que indica un mecanismo de separación de carga diferente. Unha posible estrutura de interface a 300 K represéntase en hj. A imaxe real da mostra con cables.

O YBCO rico en osíxeno en estado supercondutor pode absorber case todo o espectro da luz solar debido á súa pequena fenda de enerxía (Eg)9,10, creando así pares electrón-burato (e-h). Para producir unha tensión de circuíto aberto Voc por absorción de fotóns, é necesario separar espacialmente os pares eh fotoxerados antes de que se produza a recombinación18. O Voc negativo, en relación co cátodo e o ánodo, como se indica na figura 1i, suxire que existe un potencial eléctrico a través da interface metal-supercondutor, que varre os electróns cara ao ánodo e os buratos cara ao cátodo. Se este é o caso, tamén debería haber un potencial que apunte desde o supercondutor ao eléctrodo metálico no ánodo. En consecuencia, obteríase un Voc positivo se a área da mostra preto do ánodo estivese iluminada. Ademais, non debería haber tensións fotoinducidas cando o punto láser apunte a áreas lonxe dos eléctrodos. Certamente é o caso, como se pode ver na figura 1b,c!.

Cando o punto de luz se move desde o eléctrodo do cátodo ao centro da mostra (a uns 1,25 mm de distancia das interfaces), non se pode observar ningunha variación das curvas IV nin Voc ao aumentar a intensidade do láser ata o valor máximo dispoñible (Fig. 1b). Naturalmente, este resultado pódese atribuír á vida útil limitada dos portadores fotoinducidos e á falta de forza de separación na mostra. Pódense crear pares electrón-burato sempre que se ilumine a mostra, pero a maioría dos pares e-h aniquilaranse e non se observa ningún efecto fotovoltaico se o punto láser cae sobre zonas afastadas de calquera dos eléctrodos. Ao mover o punto láser aos eléctrodos do ánodo, as curvas IV paralelas ao eixe I móvense cara arriba ao aumentar a intensidade do láser (Fig. 1c). Existe un campo eléctrico incorporado similar na unión metal-supercondutor no ánodo. Non obstante, esta vez o eléctrodo metálico conéctase ao cable positivo do sistema de proba. Os buratos producidos polo láser son empuxados cara ao cable do ánodo e, polo tanto, obsérvase un Voc positivo. Os resultados presentados aquí proporcionan unha forte evidencia de que existe realmente un potencial de interface que apunta desde o supercondutor ao eléctrodo metálico.

O efecto fotovoltaico en cerámicas de YBa2Cu3O6.96 a 300 K móstrase na figura 1e–g. Sen iluminación luminosa, a curva IV da mostra é unha liña recta que cruza a orixe. Esta liña recta móvese cara arriba paralela á orixinal cunha intensidade láser crecente que irradia nos condutores do cátodo (figura 1e). Hai dous casos límite de interese para un dispositivo fotovoltaico. A condición de curtocircuíto ocorre cando V = 0. A corrente neste caso denomínase corrente de curtocircuíto (Isc). O segundo caso límite é a condición de circuíto aberto (Voc), que ocorre cando R→∞ ou a corrente é cero. A figura 1e mostra claramente que Voc é positivo e aumenta ao aumentar a intensidade da luz, en contraste co resultado obtido a 50 K; mentres que se observa que un Isc negativo aumenta en magnitude coa iluminación luminosa, un comportamento típico das células solares normais.

Do mesmo xeito, cando o feixe láser apunta a zonas afastadas dos eléctrodos, a curva V(I) é independente da intensidade do láser e non aparece ningún efecto fotovoltaico (Fig. 1f). De xeito similar á medición a 50 K, as curvas IV móvense na dirección oposta a medida que se irradia o eléctrodo do ánodo (Fig. 1g). Todos estes resultados obtidos para este sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K con láser irradiado en diferentes posicións da mostra son consistentes cun potencial de interface oposto ao observado a 50 K.

A maioría dos electróns condénsanse en pares de Cooper no YBCO supercondutor por debaixo da súa temperatura de transición Tc. Mentres están no eléctrodo metálico, todos os electróns permanecen en forma singular. Existe un gran gradiente de densidade tanto para os electróns singulares como para os pares de Cooper nas proximidades da interface metal-supercondutor. Os electróns singulares portadores maioritarios no material metálico difundiránse cara á rexión supercondutora, mentres que os pares de Cooper portadores maioritarios na rexión YBCO difundiránse cara á rexión metálica. Como os pares de Cooper que levan máis cargas e teñen unha maior mobilidade que os electróns singulares difunden desde o YBCO cara á rexión metálica, os átomos cargados positivamente quedan atrás, o que resulta nun campo eléctrico na rexión de carga espacial. A dirección deste campo eléctrico móstrase no diagrama esquemático da figura 1d. A iluminación de fotóns incidentes preto da rexión de carga espacial pode crear pares eh que se separarán e varrerán producindo unha fotocorrente na dirección de polarización inversa. En canto os electróns saen do campo eléctrico incorporado, condénsanse en pares e flúen cara ao outro eléctrodo sen resistencia. Neste caso, o Voc é oposto á polaridade preestablecida e mostra un valor negativo cando o raio láser apunta á área arredor do eléctrodo negativo. A partir do valor de Voc, pódese estimar o potencial a través da interface: a distancia entre os dous condutores de tensión d é ~5 × 10−3 m, o grosor da interface metal-supercondutor, di, debe ser da mesma orde de magnitude que a lonxitude de coherencia do supercondutor YBCO (~1 nm)19,20, tómase o valor de Voc = 0,03 mV, o potencial Vms na interface metal-supercondutor avalíase como ~10−11 V a 50 K cunha intensidade láser de 502 mW/cm2, usando a ecuación,

Queremos salientar aquí que a voltaxe fotoinducida non se pode explicar polo efecto fototérmico. Experimentalmente, estableceuse que o coeficiente de Seebeck do supercondutor YBCO é Ss = 021. O coeficiente de Seebeck para os fíos de cobre está no rango de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. A temperatura do fío de cobre no punto láser pode aumentarse unha pequena cantidade de 0,06 K cunha intensidade máxima do láser dispoñible de 50 K. Isto podería producir un potencial termoeléctrico de 6,9 ​​× 10−8 V, que é tres ordes de magnitude menor que o Voc obtido na figura 1 (a). É evidente que o efecto termoeléctrico é demasiado pequeno para explicar os resultados experimentais. De feito, a variación de temperatura debida á irradiación láser desaparecería en menos dun minuto, polo que a contribución do efecto térmico pode ignorarse con seguridade.

Este efecto fotovoltaico do YBCO a temperatura ambiente revela que aquí está implicado un mecanismo de separación de carga diferente. O YBCO supercondutor en estado normal é un material de tipo p con buratos como portadores de carga22,23, mentres que a pasta de Ag metálica ten características dun material de tipo n. De xeito similar ás unións pn, a difusión de electróns na pasta de prata e os buratos na cerámica de YBCO formará un campo eléctrico interno que apunta á cerámica de YBCO na interface (Fig. 1h). É este campo interno o que proporciona a forza de separación e leva a un Voc positivo e un Isc negativo para o sistema de pasta YBCO-Ag a temperatura ambiente, como se mostra na Fig. 1e. Alternativamente, o Ag-YBCO podería formar unha unión Schottky de tipo p que tamén leva a un potencial de interface coa mesma polaridade que no modelo presentado anteriormente24.

Para investigar o proceso de evolución detallado das propiedades fotovoltaicas durante a transición supercondutora do YBCO, medíronse as curvas IV da mostra a 80 K con intensidades láser seleccionadas iluminando o eléctrodo do cátodo (Fig. 2). Sen irradiación láser, a tensión a través da mostra mantense en cero independentemente da corrente, o que indica o estado supercondutor da mostra a 80 K (Fig. 2a). De xeito similar aos datos obtidos a 50 K, as curvas IV paralelas ao eixe I móvense cara abaixo ao aumentar a intensidade do láser ata que se alcanza un valor crítico Pc. Por riba desta intensidade láser crítica (Pc), o supercondutor sofre unha transición dunha fase supercondutora a unha fase resistiva; a tensión comeza a aumentar coa corrente debido á aparición de resistencia no supercondutor. Como resultado, a curva IV comeza a intersecarse co eixe I e o eixe V, o que leva a un Voc negativo e un Isc positivo ao principio. Agora a mostra parece estar nun estado especial no que a polaridade de Voc e Isc é extremadamente sensible á intensidade da luz; Cun aumento moi pequeno na intensidade da luz, Isc convértese de valor positivo a negativo e Voc de valor negativo a positivo, pasando a orixe (a alta sensibilidade das propiedades fotovoltaicas, en particular o valor de Isc, á iluminación da luz pódese ver máis claramente na figura 2b). Coa maior intensidade láser dispoñible, as curvas IV pretenden ser paralelas entre si, o que significa o estado normal da mostra de YBCO.

O centro do punto láser está situado arredor dos eléctrodos do cátodo (véxase a Fig. 1i). a, Curvas IV de YBCO irradiado con diferentes intensidades láser. b (arriba), Dependencia da intensidade do láser da tensión de circuíto aberto Voc e da corrente de curtocircuíto Isc. Os valores de Isc non se poden obter a baixa intensidade luminosa (< 110 mW/cm2) porque as curvas IV son paralelas ao eixe I cando a mostra está en estado supercondutor. b (abaixo), Resistencia diferencial en función da intensidade do láser.

A dependencia da intensidade do láser de Voc e Isc a 80 K móstrase na figura 2b (arriba). As propiedades fotovoltaicas pódense analizar en tres rexións de intensidade luminosa. A primeira rexión está entre 0 e Pc, na que o YBCO é supercondutor, Voc é negativo e diminúe (o valor absoluto aumenta) coa intensidade luminosa e alcanza un mínimo en Pc. A segunda rexión é desde Pc ata outra intensidade crítica P0, na que Voc aumenta mentres que Isc diminúe ao aumentar a intensidade luminosa e ambas chegan a cero en P0. A terceira rexión está por riba de P0 ata que se alcanza o estado normal do YBCO. Aínda que tanto Voc como Isc varían coa intensidade luminosa do mesmo xeito que na rexión 2, teñen polaridade oposta por riba da intensidade crítica P0. A importancia de P0 reside en que non hai efecto fotovoltaico e o mecanismo de separación de carga cambia cualitativamente neste punto en particular. A mostra de YBCO deixa de ser supercondutora neste rango de intensidade luminosa, pero o estado normal aínda non se alcanzou.

Claramente, as características fotovoltaicas do sistema están estreitamente relacionadas coa supercondutividade do YBCO e a súa transición supercondutora. A resistencia diferencial, dV/dI, do YBCO móstrase na figura 2b (abaixo) en función da intensidade do láser. Como se mencionou anteriormente, o potencial eléctrico acumulado na interface debido aos puntos de difusión de pares de Cooper desde o supercondutor ao metal. De xeito similar ao observado a 50 K, o efecto fotovoltaico mellórase ao aumentar a intensidade do láser de 0 a Pc. Cando a intensidade do láser alcanza un valor lixeiramente superior a Pc, a curva IV comeza a inclinarse e a resistencia da mostra comeza a aparecer, pero a polaridade do potencial da interface aínda non cambia. O efecto da excitación óptica sobre a supercondutividade foi investigado na rexión visible ou do infravermello próximo. Aínda que o proceso básico é romper os pares de Cooper e destruír a supercondutividade25,26, nalgúns casos a transición de supercondutividade pode mellorar27,28,29, e mesmo poden inducirse novas fases de supercondutividade30. A ausencia de supercondutividade en Pc pódese atribuír á rotura de pares fotoinducida. No punto P0, o potencial a través da interface faise cero, o que indica que a densidade de carga en ambos os dous lados da interface alcanza o mesmo nivel baixo esta intensidade particular de iluminación luminosa. Un aumento adicional na intensidade do láser resulta na destrución de máis pares de Cooper e o YBCO transfórmase gradualmente de novo nun material de tipo p. En lugar da difusión de electróns e pares de Cooper, a característica da interface agora está determinada pola difusión de electróns e buratos, o que leva a unha inversión de polaridade do campo eléctrico na interface e, en consecuencia, a un Voc positivo (comparar Fig. 1d, h). A unha intensidade láser moi alta, a resistencia diferencial do YBCO satura a un valor correspondente ao estado normal e tanto Voc como Isc tenden a variar linealmente coa intensidade do láser (Fig. 2b). Esta observación revela que a irradiación láser sobre o YBCO en estado normal xa non cambiará a súa resistividade nin a característica da interface supercondutor-metal, senón que só aumentará a concentración dos pares electrón-burato.

Para investigar o efecto da temperatura nas propiedades fotovoltaicas, o sistema metal-supercondutor foi irradiado no cátodo cun láser azul de intensidade de 502 mW/cm2. As curvas IV obtidas a temperaturas seleccionadas entre 50 e 300 K móstranse na figura 3a. A tensión de circuíto aberto Voc, a corrente de curtocircuíto Isc e a resistencia diferencial pódense obter a partir destas curvas IV e móstranse na figura 3b. Sen iluminación luminosa, todas as curvas IV medidas a diferentes temperaturas pasan a orixe como se esperaba (recadro da figura 3a). As características IV cambian drasticamente co aumento da temperatura cando o sistema está iluminado por un feixe láser relativamente forte (502 mW/cm2). A baixas temperaturas, as curvas IV son liñas rectas paralelas ao eixe I con valores negativos de Voc. Esta curva móvese cara arriba co aumento da temperatura e convértese gradualmente nunha liña cunha pendente distinta de cero a unha temperatura crítica Tcp (figura 3a (arriba)). Parece que todas as curvas características IV xiran arredor dun punto no terceiro cuadrante. Voc aumenta dun valor negativo a un positivo mentres que Isc diminúe dun valor positivo a un valor negativo. Por riba da temperatura de transición supercondutora orixinal Tc do YBCO, a curva IV cambia de forma bastante diferente coa temperatura (parte inferior da figura 3a). En primeiro lugar, o centro de rotación das curvas IV móvese ao primeiro cuadrante. En segundo lugar, Voc segue diminuíndo e Isc aumentando ao aumentar a temperatura (parte superior da figura 3b). En terceiro lugar, a pendente das curvas IV aumenta linealmente coa temperatura, o que resulta nun coeficiente de temperatura de resistencia positivo para o YBCO (parte inferior da figura 3b).

Dependencia da temperatura das características fotovoltaicas para o sistema de pasta YBCO-Ag baixo iluminación láser de 502 mW/cm2.

O centro do punto láser está situado arredor dos eléctrodos do cátodo (véxase a Fig. 1i). a, curvas IV obtidas de 50 a 90 K (arriba) e de 100 a 300 K (abaixo) cun incremento de temperatura de 5 K e 20 K, respectivamente. O recadro a mostra as características IV a varias temperaturas na escuridade. Todas as curvas cruzan o punto de orixe. b, tensión de circuíto aberto Voc e corrente de curtocircuíto Isc (arriba) e a resistencia diferencial, dV/dI, de YBCO (abaixo) en función da temperatura. A temperatura de transición supercondutora de resistencia cero Tcp non se dá porque está demasiado preto de Tc0.

Na figura 3b pódense recoñecer tres temperaturas críticas: Tcp, por riba da cal o YBCO deixa de ser supercondutor; Tc0, na que tanto Voc como Isc se volven cero, e Tc, a temperatura de transición supercondutora de inicio orixinal do YBCO sen irradiación láser. Por debaixo de Tcp ~ 55 K, o YBCO irradiado con láser está en estado supercondutor cunha concentración relativamente alta de pares de Cooper. O efecto da irradiación láser é reducir a temperatura de transición supercondutora de resistencia cero de 89 K a ~55 K (parte inferior da figura 3b) ao reducir a concentración de pares de Cooper, ademais de producir tensión e corrente fotovoltaicas. O aumento da temperatura tamén rompe os pares de Cooper, o que leva a un potencial máis baixo na interface. En consecuencia, o valor absoluto de Voc será menor, aínda que se aplique a mesma intensidade de iluminación láser. O potencial da interface será cada vez menor cun aumento adicional da temperatura e alcanzará cero en Tc0. Non hai efecto fotovoltaico neste punto especial porque non hai un campo interno que separe os pares electrón-burato fotoinducidos. Prodúcese unha inversión de polaridade do potencial por riba desta temperatura crítica, xa que a densidade de carga libre na pasta de Ag é maior que a do YBCO, que se transfire gradualmente de volta a un material de tipo p. Aquí queremos salientar que a inversión de polaridade de Voc e Isc ocorre inmediatamente despois da transición supercondutora de resistencia cero, independentemente da causa da transición. Esta observación revela claramente, por primeira vez, a correlación entre a supercondutividade e os efectos fotovoltaicos asociados co potencial da interface metal-supercondutor. A natureza deste potencial a través da interface supercondutor-metal normal foi un foco de investigación durante as últimas décadas, pero hai moitas preguntas aínda pendentes de resposta. A medición do efecto fotovoltaico pode resultar un método eficaz para explorar os detalles (como a súa forza e polaridade, etc.) deste importante potencial e, polo tanto, arroxar luz sobre o efecto de proximidade supercondutor a alta temperatura.

Un aumento adicional da temperatura de Tc0 a Tc leva a unha menor concentración de pares de Cooper e a un aumento do potencial da interface e, en consecuencia, a un maior Voc. En Tc, a concentración de pares de Cooper faise cero e o potencial de acumulación na interface alcanza un máximo, o que resulta nun Voc máximo e un Isc mínimo. O rápido aumento de Voc e Isc (valor absoluto) neste rango de temperatura corresponde á transición supercondutora que se amplía de ΔT ~ 3 K a ~34 K mediante irradiación láser de intensidade de 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Nos estados normais por riba de Tc, a tensión de circuíto aberto Voc diminúe coa temperatura (parte superior da Fig. 3b), de xeito similar ao comportamento lineal de Voc para células solares normais baseadas en unións pn31,32,33. Aínda que a taxa de cambio de Voc coa temperatura (−dVoc/dT), que depende fortemente da intensidade do láser, é moito menor que a das células solares normais, o coeficiente de temperatura de Voc para a unión YBCO-Ag ten a mesma orde de magnitude que o das células solares. A corrente de fuga dunha unión pn para un dispositivo de célula solar normal aumenta ao aumentar a temperatura, o que leva a unha diminución de Voc a medida que a temperatura aumenta. As curvas IV lineais observadas para este sistema Ag-supercondutor, debido en primeiro lugar ao potencial de interface moi pequeno e en segundo lugar á conexión dorsal contra dorsal das dúas heterounións, dificultan a determinación da corrente de fuga. Non obstante, parece moi probable que a mesma dependencia da temperatura da corrente de fuga sexa a responsable do comportamento de Voc observado no noso experimento. Segundo a definición, Isc é a corrente necesaria para producir unha tensión negativa para compensar Voc de xeito que a tensión total sexa cero. A medida que a temperatura aumenta, Voc faise máis pequeno, polo que se necesita menos corrente para producir a tensión negativa. Ademais, a resistencia do YBCO aumenta linealmente coa temperatura por riba de Tc (parte inferior da figura 3b), o que tamén contribúe ao menor valor absoluto de Isc a altas temperaturas.

Teña en conta que os resultados que se mostran nas figuras 2 e 3 obtéñense mediante irradiación láser na área arredor dos eléctrodos do cátodo. Tamén se repetiron as medicións cun punto láser colocado no ánodo e observáronse características IV e propiedades fotovoltaicas similares, agás que neste caso a polaridade de Voc e Isc inverteuse. Todos estes datos levan a un mecanismo para o efecto fotovoltaico, que está estreitamente relacionado coa interface supercondutor-metal.

En resumo, as características IV do sistema de pasta YBCO-Ag supercondutor irradiado con láser foron medidas como funcións da temperatura e da intensidade do láser. Observouse un notable efecto fotovoltaico no rango de temperatura de 50 a 300 K. Descubriuse que as propiedades fotovoltaicas se correlacionan fortemente coa supercondutividade das cerámicas YBCO. Unha inversión de polaridade de Voc e Isc ocorre inmediatamente despois da transición de supercondutor a non supercondutor fotoinducido. A dependencia da temperatura de Voc e Isc medida a intensidade láser fixa mostra tamén unha clara inversión de polaridade a unha temperatura crítica por riba da cal a mostra se volve resistiva. Ao localizar o punto láser nunha parte diferente da mostra, mostramos que existe un potencial eléctrico a través da interface, que proporciona a forza de separación para os pares electrón-burato fotoinducidos. Este potencial de interface diríxese do YBCO ao eléctrodo metálico cando o YBCO é supercondutor e cambia na dirección oposta cando a mostra se volve non supercondutora. A orixe do potencial pode estar asociada de forma natural co efecto de proximidade na interface metal-supercondutor cando o YBCO é supercondutor, e estímase que é de ~10−8 mV a 50 K cunha intensidade láser de 502 mW/cm2. O contacto dun material de tipo p YBCO en estado normal cun material de pasta de Ag de tipo n forma unha cuasi-unión pn que é responsable do comportamento fotovoltaico das cerámicas de YBCO a altas temperaturas. As observacións anteriores arroxan luz sobre o efecto fotovoltaico nas cerámicas de YBCO supercondutoras de alta temperatura e abren o camiño a novas aplicacións en dispositivos optoelectrónicos, como o detector de luz pasivo rápido e o detector de fotón único.

Os experimentos de efecto fotovoltaico realizáronse nunha mostra cerámica de YBCO de 0,52 mm de grosor e 8,64 × 2,26 mm2 de forma rectangular e iluminada por láser azul de onda continua (λ = 450 nm) cun tamaño de punto láser de 1,25 mm de radio. O uso de mostras a granel en lugar de película fina permítenos estudar as propiedades fotovoltaicas do supercondutor sen ter que lidar coa complexa influencia do substrato6,7. Ademais, o material a granel podería ser propicio para o seu procedemento de preparación sinxelo e o seu custo relativamente baixo. Os fíos de cobre están cohesionados na mostra de YBCO con pasta de prata formando catro eléctrodos circulares duns 1 mm de diámetro. A distancia entre os dous eléctrodos de tensión é duns 5 mm. As características IV da mostra medíronse usando o magnetómetro de mostra de vibración (VersaLab, Quantum Design) cunha xanela de cristal de cuarzo. Empregouse o método estándar de catro fíos para obter as curvas IV. As posicións relativas dos eléctrodos e o punto láser móstranse na figura 1i.

Como citar este artigo: Yang, F. et al. Orixe do efecto fotovoltaico en cerámicas supercondutoras de YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG e Testardi, LR. Voltaxes inducidas por láser con simetría prohibida en YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP e Dong, SY. Orixe do sinal fotovoltaico anómalo en Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR e Wang, GW. Medición de voltaxes inducidas por láser de Bi-Sr-Ca-Cu-O supercondutor. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL e outros. Voltaxes inducidas por láser transitorias en películas de YBa2Cu3O7-x a temperatura ambiente. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS e Zheng, JP. Resposta fotovoltaica anómala en YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. e Hiroi, Z. Inxección de portadores de buratos fotoxerados a YBa2Cu3O7−x nunha heteroestrutura de óxido. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Estudo de fotoemisión de películas delgadas de YBa2Cu3Oy baixo iluminación. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Efecto fotovoltaico da heterounión YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb recocida a diferentes presións parciais de osíxeno. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Estrutura de dous ocos en monocristais de Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. e Mihailovic, D. Dinámica de relaxación de cuasipartículas en supercondutores con diferentes estruturas de fendas: teoría e experimentos con YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ e Shen, BG. Propiedades rectificadoras da heterounión YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL e Tanner, DB. Absorción excitónica e supercondutividade en YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ e Stucky, G. Condutividade fotoinducida transitoria en monocristais semicondutores de YBa2Cu3O6.3: busca do estado metálico fotoinducido e da supercondutividade fotoinducida. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Modelo de tunelamento do efecto de proximidade supercondutor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Efecto de proximidade supercondutora probado a escala de lonxitude mesoscópica. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. e Manske, D. Efecto de proximidade con supercondutores non centrosimétricos. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Forte efecto de proximidade supercondutor en estruturas híbridas Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS e Pearson, GL Unha nova fotocélula de unión pn de silicio para converter a radiación solar en enerxía eléctrica. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Efectos das impurezas na lonxitude de coherencia supercondutora en monocristais de YBa2Cu3O6.9 dopados con Zn ou Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. e Segawa, K. Magnetorresistencia de monocristais de YBa2Cu3Oy non maclados nunha ampla gama de dopaxe: dependencia anómala da lonxitude de coherencia polo dopaxe de buratos. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD e Cooper, JR. Sistemática na potencia termoeléctrica de óxidos de alta T. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Desprazamento do momento dependente da densidade do portador do pico coherente e do modo fonónico LO en supercondutores de alta Tc de tipo p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Redución de buratos e acumulación de electróns en películas delgadas de YBa2Cu3Oy usando unha técnica electroquímica: evidencia dun estado metálico de tipo n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT. Física e química da altura da barreira de Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. e Langenberg, DN. Efectos da rotura dinámica de pares externos en películas supercondutoras. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Mellora da supercondutividade fotoinducida. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Fotocondutividade persistente en películas de YBa2Cu3O6+x como método de fotodopaxe cara a fases metálicas e supercondutoras. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Dinámica de retículas non lineais como base para unha supercondutividade mellorada en YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Supercondutividade inducida por luz nun cuprato ordenado por raias. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK e Al-Nuaim, IA A dependencia funcional da temperatura dos COV para unha célula solar en relación coa súa eficiencia: nova abordaxe. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM e Anderson, WA Efectos da temperatura en células solares de silicio con barreira Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. e Tuladhar, SM Dependencia da temperatura para os parámetros do dispositivo fotovoltaico de células solares de polímero-fulereno en condicións de funcionamento. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Este traballo foi financiado pola Fundación Nacional de Ciencias Naturais da China (subvención nº 60571063) e os Proxectos de Investigación Fundamental da provincia de Henan, China (subvención nº 122300410231).

FY escribiu o texto do artigo e MYH preparou a mostra cerámica de YBCO. FY e MYH realizaron o experimento e analizaron os resultados. FGC liderou o proxecto e a interpretación científica dos datos. Todos os autores revisaron o manuscrito.

Esta obra está baixo unha licenza Creative Commons Attribution 4.0 International. As imaxes ou outro material de terceiros contido neste artigo están incluídos na licenza Creative Commons do artigo, a menos que se indique o contrario na liña de crédito; se o material non está incluído baixo a licenza Creative Commons, os usuarios deberán obter permiso do titular da licenza para reproducilo. Para ver unha copia desta licenza, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. e Chang, F. Orixe do efecto fotovoltaico en cerámicas supercondutoras de YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Ao enviar un comentario, aceptas cumprir os nosos Termos e Directrices da comunidade. Se atopas algo abusivo ou que non cumpre cos nosos termos ou directrices, márcao como inapropiado.