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हम 50 और 300 K के बीच YBa2Cu3O6.96 (YBCO) सिरेमिक में ब्लू-लेजर रोशनी द्वारा प्रेरित उल्लेखनीय फोटोवोल्टिक प्रभाव की रिपोर्ट करते हैं, जो सीधे YBCO और YBCO-धात्विक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस की सुपरकंडक्टिविटी से संबंधित है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग से प्रतिरोधक अवस्था में संक्रमण से गुजरता है, तो ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc के लिए एक ध्रुवीयता उलट होती है। हम दिखाते हैं कि सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के लिए पृथक्करण बल प्रदान करती है। यह इंटरफ़ेस क्षमता YBCO से धातु इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित होती है जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है और जब YBCO गैर-सुपरकंडक्टिंग बन जाता है, तो विपरीत दिशा में स्विच हो जाता है। क्षमता की उत्पत्ति आसानी से धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव से जुड़ी हो सकती है जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है और इसका मूल्य 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता के साथ 50 K पर ~10–8 mV होने का अनुमान है। सामान्य अवस्था में p-प्रकार की सामग्री YBCO का n-प्रकार की सामग्री Ag-paste के साथ संयोजन एक अर्ध-pn जंक्शन बनाता है जो उच्च तापमान पर YBCO सिरेमिक के फोटोवोल्टिक व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। हमारे निष्कर्ष फोटॉन-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के नए अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं और सुपरकंडक्टर-धातु इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव पर और प्रकाश डाल सकते हैं।
उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों में फोटो-प्रेरित वोल्टेज की रिपोर्ट 1990 के दशक की शुरुआत में की गई थी और तब से इस पर व्यापक रूप से जांच की गई है, फिर भी इसकी प्रकृति और तंत्र अभी भी अनिश्चित है1,2,3,4,5। YBa2Cu3O7-δ (YBCO) पतली फिल्मों6,7,8 का विशेष रूप से फोटोवोल्टिक (PV) सेल के रूप में गहन अध्ययन किया जाता है, क्योंकि इसमें समायोज्य ऊर्जा अंतराल9,10,11,12,13 होता है। हालांकि, सब्सट्रेट का उच्च प्रतिरोध हमेशा डिवाइस की कम रूपांतरण दक्षता की ओर ले जाता है और YBCO8 के प्राथमिक PV गुणों को छुपाता है। यहाँ हम 50 और 300 K (Tc ~ 90 K) के बीच YBa2Cu3O6.96 (YBCO) सिरेमिक में ब्लू-लेजर (λ = 450 nm) रोशनी द्वारा प्रेरित उल्लेखनीय फोटोवोल्टिक प्रभाव की रिपोर्ट करते हैं। हम दिखाते हैं कि PV प्रभाव सीधे YBCO की सुपरकंडक्टिविटी और YBCO-धात्विक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस की प्रकृति से संबंधित है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग चरण से प्रतिरोधक अवस्था में संक्रमण से गुजरता है, तो ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc के लिए एक ध्रुवीयता उत्क्रमण होता है। यह प्रस्तावित है कि सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ों के लिए पृथक्करण बल प्रदान करती है। यह इंटरफ़ेस क्षमता YBCO से धातु इलेक्ट्रोड तक निर्देशित होती है जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है और जब नमूना गैर-सुपरकंडक्टिंग हो जाता है तो विपरीत दिशा में स्विच हो जाता है। क्षमता की उत्पत्ति स्वाभाविक रूप से निकटता प्रभाव14,15,16,17 के साथ धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर जुड़ी हो सकती है जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है और इसका मूल्य 50 K पर 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता के साथ ~10−8 mV होने का अनुमान है। सामान्य अवस्था में एक p-प्रकार की सामग्री YBCO का n-प्रकार की सामग्री Ag-paste के साथ संयोजन, सबसे अधिक संभावना है, एक अर्ध-pn जंक्शन बनाता है जो उच्च तापमान पर YBCO सिरेमिक के PV व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। हमारे अवलोकनों से उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग YBCO सिरेमिक में पीवी प्रभाव की उत्पत्ति पर और अधिक प्रकाश पड़ता है तथा तीव्र निष्क्रिय प्रकाश डिटेक्टर आदि जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इसके अनुप्रयोग का मार्ग प्रशस्त होता है।
चित्र 1a-c 50 K पर YBCO सिरेमिक नमूने की IV विशेषताओं को दर्शाता है। प्रकाश की रोशनी के बिना, नमूने में वोल्टेज बदलती धारा के साथ शून्य पर रहता है, जैसा कि एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री से उम्मीद की जा सकती है। स्पष्ट फोटोवोल्टिक प्रभाव तब दिखाई देता है जब लेजर बीम को कैथोड (चित्र 1a) पर निर्देशित किया जाता है: I-अक्ष के समानांतर IV वक्र लेजर की तीव्रता में वृद्धि के साथ नीचे की ओर बढ़ता है। यह स्पष्ट है कि बिना किसी करंट के भी एक नकारात्मक फोटो-प्रेरित वोल्टेज है (जिसे अक्सर ओपन सर्किट वोल्टेज Voc कहा जाता है)। IV वक्र का शून्य ढलान यह दर्शाता है कि नमूना अभी भी लेजर रोशनी के तहत सुपरकंडक्टिंग है।
(a-c) और 300 K (e-g)। V(I) के मान निर्वात में धारा को -10 mA से +10 mA तक प्रवाहित करके प्राप्त किए गए। स्पष्टता के लिए प्रयोगात्मक डेटा का केवल एक भाग प्रस्तुत किया गया है। a, कैथोड पर स्थित लेज़र स्पॉट के साथ मापी गई YBCO की धारा-वोल्टेज विशेषताएँ (i)। सभी IV वक्र क्षैतिज सीधी रेखाएँ हैं जो दर्शाती हैं कि लेज़र विकिरण के साथ नमूना अभी भी अतिचालक है। लेज़र की तीव्रता बढ़ने के साथ वक्र नीचे की ओर जाता है, जो दर्शाता है कि शून्य धारा के साथ भी दो वोल्टेज लीड के बीच एक ऋणात्मक विभव (Voc) मौजूद है। जब लेज़र को नमूने के केंद्र पर ईथर 50 K (b) या 300 K (f) पर निर्देशित किया जाता है, तो IV वक्र अपरिवर्तित रहते हैं 300 K पर सामान्य अवस्था YBCO की धारा-वोल्टेज विशेषताएँ कैथोड और एनोड पर इंगित लेजर बीम से मापी गई हैं, जो क्रमशः e और g में दी गई हैं। 50 K पर परिणामों के विपरीत, सीधी रेखाओं का गैर-शून्य ढलान इंगित करता है कि YBCO सामान्य अवस्था में है; Voc के मान प्रकाश की तीव्रता के साथ विपरीत दिशा में भिन्न होते हैं, जो एक अलग चार्ज पृथक्करण तंत्र को दर्शाता है। 300 K पर एक संभावित इंटरफ़ेस संरचना hj में दर्शाई गई है लीड के साथ नमूने की वास्तविक तस्वीर।
सुपरकंडक्टिंग अवस्था में ऑक्सीजन युक्त YBCO अपने बहुत छोटे ऊर्जा अंतराल (Eg)9,10 के कारण सूर्य के प्रकाश के लगभग पूरे स्पेक्ट्रम को अवशोषित कर सकता है, जिससे इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े (e–h) बनते हैं। फोटॉनों के अवशोषण द्वारा एक ओपन सर्किट वोल्टेज Voc का उत्पादन करने के लिए, पुनर्संयोजन होने से पहले फोटो-जनित eh जोड़े को स्थानिक रूप से अलग करना आवश्यक है18। चित्र 1i में दर्शाए गए कैथोड और एनोड के सापेक्ष नकारात्मक Voc, यह सुझाव देता है कि धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो इलेक्ट्रॉनों को एनोड और छिद्रों को कैथोड तक ले जाती है। यदि ऐसा है, तो सुपरकंडक्टर से एनोड पर धातु इलेक्ट्रोड की ओर इशारा करने वाला एक संभावित भी होना चाहिए। नतीजतन, यदि एनोड के पास नमूना क्षेत्र को रोशन किया जाता है, तो एक सकारात्मक Voc प्राप्त होगा। इसके अलावा, जब लेजर स्पॉट को इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों की ओर इंगित किया जाता है, तो कोई फोटो-प्रेरित वोल्टेज नहीं होना चाहिए। यह निश्चित रूप से मामला है जैसा कि चित्र 1b,c से देखा जा सकता है!
जब प्रकाश बिंदु कैथोड इलेक्ट्रोड से नमूने के केंद्र (इंटरफ़ेस से लगभग 1.25 मिमी दूर) की ओर बढ़ता है, तो अधिकतम उपलब्ध मान तक लेज़र की तीव्रता बढ़ाने पर IV वक्रों में कोई बदलाव नहीं होता और कोई Voc नहीं देखा जा सकता (चित्र 1b)। स्वाभाविक रूप से, इस परिणाम को फोटो-प्रेरित वाहकों के सीमित जीवनकाल और नमूने में पृथक्करण बल की कमी के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। जब भी नमूना प्रकाशित होता है, इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े बनाए जा सकते हैं, लेकिन अधिकांश e-h जोड़े नष्ट हो जाएंगे और यदि लेज़र स्पॉट किसी भी इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों पर पड़ता है, तो कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव नहीं देखा जाता है। लेज़र स्पॉट को एनोड इलेक्ट्रोड पर ले जाने पर, I-अक्ष के समानांतर IV वक्र लेज़र की तीव्रता बढ़ाने के साथ ऊपर की ओर बढ़ते हैं (चित्र 1c)। एनोड पर धातु-सुपरकंडक्टर जंक्शन में समान अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र मौजूद है। हालाँकि, इस बार धातु इलेक्ट्रोड परीक्षण प्रणाली के सकारात्मक लीड से जुड़ता है। लेज़र द्वारा उत्पादित छेद एनोड लीड पर धकेल दिए जाते हैं और इस प्रकार एक सकारात्मक Voc देखा जाता है। यहां प्रस्तुत परिणाम इस बात का सशक्त साक्ष्य देते हैं कि सुपरकंडक्टर से धातु इलेक्ट्रोड की ओर इंगित करने वाला एक इंटरफेस विभव वास्तव में मौजूद है।
300 K पर YBa2Cu3O6.96 सिरेमिक में फोटोवोल्टिक प्रभाव चित्र 1e-g में दिखाया गया है। प्रकाश के बिना, नमूने का IV वक्र मूल को पार करने वाली एक सीधी रेखा है। यह सीधी रेखा कैथोड लीड्स पर विकिरणित लेजर तीव्रता में वृद्धि के साथ मूल रेखा के समानांतर ऊपर की ओर बढ़ती है (चित्र 1e)। फोटोवोल्टिक डिवाइस के लिए दो सीमित मामले हैं। शॉर्ट-सर्किट स्थिति तब होती है जब V = 0 होता है। इस मामले में करंट को शॉर्ट सर्किट करंट (Isc) कहा जाता है। दूसरा सीमित मामला ओपन-सर्किट स्थिति (Voc) है जो तब होता है जब R→∞ या करंट शून्य होता है। चित्र 1e स्पष्ट रूप से दिखाता है कि Voc सकारात्मक है और 50 K पर प्राप्त परिणाम के विपरीत, बढ़ती हुई प्रकाश तीव्रता के साथ बढ़ता है; जबकि एक नकारात्मक Isc को प्रकाश के प्रकाश के साथ परिमाण में वृद्धि करते हुए देखा जाता है, जो सामान्य सौर कोशिकाओं का एक विशिष्ट व्यवहार है।
इसी तरह, जब लेजर बीम को इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों पर लक्षित किया जाता है, तो V(I) वक्र लेजर की तीव्रता से स्वतंत्र होता है और कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव नहीं दिखाई देता है (चित्र 1f)। 50 K पर माप के समान, IV वक्र विपरीत दिशा में चले जाते हैं क्योंकि एनोड इलेक्ट्रोड को विकिरणित किया जाता है (चित्र 1g)। नमूने के विभिन्न स्थानों पर लेजर विकिरणित होने के साथ 300 K पर इस YBCO-Ag पेस्ट सिस्टम के लिए प्राप्त ये सभी परिणाम 50 K पर देखे गए इंटरफ़ेस क्षमता के विपरीत हैं।
सुपरकंडक्टिंग YBCO में अधिकांश इलेक्ट्रॉन अपने संक्रमण तापमान Tc से नीचे कूपर युग्मों में संघनित होते हैं। धातु इलेक्ट्रोड में रहते हुए, सभी इलेक्ट्रॉन एकवचन रूप में रहते हैं। धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस के आस-पास एकवचन इलेक्ट्रॉनों और कूपर युग्मों दोनों के लिए एक बड़ा घनत्व ढाल है। धातु सामग्री में बहुसंख्यक-वाहक एकवचन इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टर क्षेत्र में फैल जाएंगे, जबकि YBCO क्षेत्र में बहुसंख्यक-वाहक कूपर-युग्म धातु क्षेत्र में फैल जाएंगे। चूंकि कूपर युग्म अधिक आवेश ले जाते हैं और एकवचन इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक गतिशीलता रखते हैं, YBCO से धातु क्षेत्र में फैलते हैं, सकारात्मक रूप से आवेशित परमाणु पीछे रह जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र में एक विद्युत क्षेत्र बनता है। इस विद्युत क्षेत्र की दिशा योजनाबद्ध आरेख चित्र 1d में दिखाई गई है। अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र के पास घटना फोटॉन रोशनी ईएच जोड़े बना सकती है जो अलग हो जाएंगे और रिवर्स-बायस दिशा में एक फोटोकरंट का उत्पादन करते हुए बह जाएंगे। जैसे ही इलेक्ट्रॉन बिल्ट-इन इलेक्ट्रिकल फील्ड से बाहर निकलते हैं, वे जोड़े में संघनित हो जाते हैं और बिना किसी प्रतिरोध के दूसरे इलेक्ट्रोड में प्रवाहित होते हैं। इस मामले में, Voc पूर्व-निर्धारित ध्रुवता के विपरीत है और जब लेजर बीम नकारात्मक इलेक्ट्रोड के आसपास के क्षेत्र को इंगित करता है, तो यह एक नकारात्मक मान प्रदर्शित करता है। Voc के मान से, इंटरफ़ेस के पार क्षमता का अनुमान लगाया जा सकता है: दो वोल्टेज लीड d के बीच की दूरी ~5 × 10−3 m है, धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस की मोटाई, di, YBCO सुपरकंडक्टर (~1 nm)19,20 की सुसंगतता लंबाई के समान परिमाण का क्रम होना चाहिए, Voc का मान = 0.03 mV लें, धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर संभावित Vms का मूल्यांकन 50 K पर ~10−11 V के रूप में किया जाता है, जिसमें समीकरण का उपयोग करके 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता होती है,
हम यहां इस बात पर बल देना चाहते हैं कि फोटो-प्रेरित वोल्टेज को फोटो थर्मल प्रभाव से नहीं समझाया जा सकता है। यह प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया है कि सुपरकंडक्टर YBCO का सीबेक गुणांक Ss = 021 है। तांबे के लीड तारों के लिए सीबेक गुणांक SCu = 0.34–1.15 μV/K3 की सीमा में है। लेजर स्पॉट पर तांबे के तार का तापमान 50 K पर उपलब्ध अधिकतम लेजर तीव्रता के साथ 0.06 K की एक छोटी मात्रा तक बढ़ाया जा सकता है। यह 6.9 × 10−8 V का थर्मोइलेक्ट्रिक विभव उत्पन्न कर सकता है जो कि Fig 1 (a) में प्राप्त Voc से तीन ऑर्डर परिमाण छोटा है। यह स्पष्ट है कि थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रयोगात्मक परिणामों को समझाने के लिए बहुत छोटा है।
कमरे के तापमान पर YBCO का यह फोटोवोल्टिक प्रभाव दर्शाता है कि यहाँ एक अलग चार्ज पृथक्करण तंत्र शामिल है। सामान्य अवस्था में सुपरकंडक्टिंग YBCO एक p-प्रकार की सामग्री है जिसमें छेद चार्ज वाहक के रूप में होते हैं22,23, जबकि धात्विक Ag-पेस्ट में n-प्रकार की सामग्री की विशेषताएँ होती हैं। pn जंक्शनों के समान, YBCO सिरेमिक में सिल्वर पेस्ट और छेदों में इलेक्ट्रॉनों का प्रसार इंटरफ़ेस पर YBCO सिरेमिक की ओर इशारा करते हुए एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाएगा (चित्र 1h)। यह वह आंतरिक क्षेत्र है जो पृथक्करण बल प्रदान करता है और कमरे के तापमान पर YBCO-Ag पेस्ट सिस्टम के लिए एक सकारात्मक Voc और नकारात्मक Isc की ओर ले जाता है, जैसा कि चित्र 1e में दिखाया गया है। वैकल्पिक रूप से, Ag-YBCO एक p-प्रकार का शॉटकी जंक्शन बना सकता है जो ऊपर प्रस्तुत मॉडल24 के समान ही ध्रुवीयता के साथ एक इंटरफ़ेस क्षमता की ओर ले जाता है।
YBCO के सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के दौरान फोटोवोल्टिक गुणों की विस्तृत विकास प्रक्रिया की जांच करने के लिए, 80 K पर नमूने के IV वक्रों को कैथोड इलेक्ट्रोड (छवि 2) पर प्रकाशित चयनित लेजर तीव्रता के साथ मापा गया था। लेजर विकिरण के बिना, नमूने में वोल्टेज वर्तमान की परवाह किए बिना शून्य पर रहता है, जो 80 K (छवि 2a) पर नमूने की सुपरकंडक्टिंग स्थिति को इंगित करता है। 50 K पर प्राप्त डेटा के समान, I-अक्ष के समानांतर IV वक्र लेजर की तीव्रता में वृद्धि के साथ नीचे की ओर बढ़ता है जब तक कि एक महत्वपूर्ण मूल्य Pc तक नहीं पहुंच जाता। इस महत्वपूर्ण लेजर तीव्रता (Pc) से ऊपर, सुपरकंडक्टर एक सुपरकंडक्टिंग चरण से एक प्रतिरोधक चरण में संक्रमण से गुजरता है अब नमूना एक विशेष अवस्था में प्रतीत होता है जिसमें Voc और Isc की ध्रुवता प्रकाश की तीव्रता के प्रति अत्यंत संवेदनशील होती है; प्रकाश की तीव्रता में बहुत कम वृद्धि के साथ Isc धनात्मक से ऋणात्मक में और Voc ऋणात्मक से धनात्मक मान में परिवर्तित हो जाता है, जो मूल बिंदु से होकर गुजरता है (प्रकाश प्रदीप्ति के लिए फोटोवोल्टिक गुणों की उच्च संवेदनशीलता, विशेष रूप से Isc का मान, चित्र 2b में अधिक स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है)। उपलब्ध उच्चतम लेजर तीव्रता पर, IV वक्र एक दूसरे के समानांतर होने का इरादा रखते हैं, जो YBCO नमूने की सामान्य स्थिति को दर्शाता है।
लेजर स्पॉट सेंटर कैथोड इलेक्ट्रोड के चारों ओर स्थित है (चित्र 1i देखें)। a, YBCO के IV वक्र अलग-अलग लेजर तीव्रता से विकिरणित होते हैं। b (ऊपर), ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc की लेजर तीव्रता निर्भरता। Isc मान कम प्रकाश तीव्रता (< 110 mW/cm2) पर प्राप्त नहीं किए जा सकते क्योंकि IV वक्र I-अक्ष के समानांतर होते हैं जब नमूना सुपरकंडक्टिंग अवस्था में होता है। b (नीचे), लेजर तीव्रता के एक फ़ंक्शन के रूप में अंतर प्रतिरोध।
80 K पर Voc और Isc की लेजर तीव्रता निर्भरता को चित्र 2b (ऊपर) में दिखाया गया है। फोटोवोल्टिक गुणों पर प्रकाश तीव्रता के तीन क्षेत्रों में चर्चा की जा सकती है। पहला क्षेत्र 0 और Pc के बीच है, जिसमें YBCO अतिचालक है, Voc ऋणात्मक है और प्रकाश तीव्रता के साथ घटता है (निरपेक्ष मान बढ़ता है) और Pc पर न्यूनतम पर पहुँचता है। दूसरा क्षेत्र Pc से दूसरी क्रांतिक तीव्रता P0 तक है, जिसमें Voc बढ़ता है जबकि Isc बढ़ती हुई प्रकाश तीव्रता के साथ घटता है और दोनों P0 पर शून्य पर पहुँचते हैं। तीसरा क्षेत्र P0 से ऊपर तब तक रहता है जब तक YBCO की सामान्य अवस्था नहीं पहुँच जाती। हालाँकि Voc और Isc दोनों ही क्षेत्र 2 की तरह ही प्रकाश तीव्रता के साथ बदलते हैं, लेकिन क्रांतिक तीव्रता P0 से ऊपर उनकी विपरीत ध्रुवता होती है। P0 का महत्व इस बात में निहित है कि कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव नहीं होता है और इस विशेष बिंदु पर आवेश पृथक्करण तंत्र गुणात्मक रूप से बदल जाता है। YBCO नमूना प्रकाश तीव्रता की इस सीमा में गैर-अतिचालक बन जाता है लेकिन सामान्य अवस्था तक पहुँचना अभी बाकी है।
स्पष्ट रूप से, सिस्टम की फोटोवोल्टिक विशेषताएँ YBCO की अतिचालकता और इसके अतिचालक संक्रमण से निकटता से संबंधित हैं। YBCO का विभेदक प्रतिरोध, dV/dI, लेजर तीव्रता के एक फ़ंक्शन के रूप में चित्र 2b (नीचे) में दिखाया गया है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, कूपर जोड़ी प्रसार के कारण इंटरफ़ेस में निर्मित विद्युत क्षमता सुपरकंडक्टर से धातु की ओर इंगित करती है। 50 K पर देखे गए के समान, 0 से Pc तक लेजर तीव्रता में वृद्धि के साथ फोटोवोल्टिक प्रभाव बढ़ाया जाता है। जब लेजर तीव्रता Pc से थोड़ा ऊपर के मान पर पहुँचती है, तो IV वक्र झुकना शुरू हो जाता है और नमूने का प्रतिरोध दिखाई देने लगता है, लेकिन इंटरफ़ेस क्षमता की ध्रुवीयता अभी भी नहीं बदली है। सुपरकंडक्टिविटी पर ऑप्टिकल उत्तेजना के प्रभाव की जाँच दृश्यमान या निकट-आईआर क्षेत्र में की गई है। जबकि मूल प्रक्रिया कूपर युग्मों को तोड़ना और अतिचालकता को नष्ट करना है25,26, कुछ मामलों में अतिचालकता संक्रमण को बढ़ाया जा सकता है27,28,29, अतिचालकता के नए चरण भी प्रेरित किए जा सकते हैं30। Pc पर अतिचालकता की अनुपस्थिति को फोटो-प्रेरित जोड़ी टूटने के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। बिंदु P0 पर, इंटरफ़ेस के पार विभव शून्य हो जाता है, जो दर्शाता है कि इंटरफ़ेस के दोनों ओर चार्ज घनत्व प्रकाश की इस विशेष तीव्रता के तहत समान स्तर पर पहुँच जाता है। लेजर तीव्रता में और वृद्धि के परिणामस्वरूप अधिक कूपर युग्म नष्ट हो जाते हैं और YBCO धीरे-धीरे वापस p-प्रकार की सामग्री में बदल जाता है। इलेक्ट्रॉन और कूपर युग्म प्रसार के बजाय, इंटरफ़ेस की विशेषता अब इलेक्ट्रॉन और छेद प्रसार द्वारा निर्धारित की जाती है जो इंटरफ़ेस में विद्युत क्षेत्र की ध्रुवीयता को उलट देती है और परिणामस्वरूप एक सकारात्मक Voc (चित्र 1d,h की तुलना करें) होता है। बहुत अधिक लेज़र तीव्रता पर, YBCO का विभेदक प्रतिरोध सामान्य अवस्था के अनुरूप मान पर संतृप्त हो जाता है और Voc और Isc दोनों लेज़र तीव्रता के साथ रैखिक रूप से भिन्न होते हैं (चित्र 2b)। यह अवलोकन बताता है कि सामान्य अवस्था YBCO पर लेज़र विकिरण अब इसकी प्रतिरोधकता और सुपरकंडक्टर-धातु इंटरफ़ेस की विशेषता को नहीं बदलेगा, बल्कि केवल इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों की सांद्रता को बढ़ाएगा।
फोटोवोल्टिक गुणों पर तापमान के प्रभाव की जांच करने के लिए, धातु-सुपरकंडक्टर प्रणाली को 502 mW/cm2 तीव्रता के नीले लेजर के साथ कैथोड पर विकिरणित किया गया था। 50 और 300 K के बीच चयनित तापमानों पर प्राप्त IV वक्र चित्र 3a में दिए गए हैं। ओपन सर्किट वोल्टेज Voc, शॉर्ट सर्किट करंट Isc और अंतर प्रतिरोध को इन IV वक्रों से प्राप्त किया जा सकता है और चित्र 3b में दिखाया गया है। प्रकाश के बिना, विभिन्न तापमानों पर मापे गए सभी IV वक्र अपेक्षित रूप से मूल से गुजरते हैं (चित्र 3a का इनसेट)। जब सिस्टम को अपेक्षाकृत मजबूत लेजर बीम (502 mW/cm2) द्वारा रोशन किया जाता है, तो तापमान बढ़ने के साथ IV विशेषताएँ काफी बदल जाती हैं। कम तापमान पर IV वक्र Voc के ऋणात्मक मानों के साथ I-अक्ष के समानांतर सीधी रेखाएँ होती हैं। यह वक्र बढ़ते तापमान के साथ ऊपर की ओर बढ़ता है और धीरे-धीरे एक महत्वपूर्ण तापमान Tcp (चित्र 3a (ऊपर)) पर एक गैर-शून्य ढलान वाली रेखा में बदल जाता है। ऐसा लगता है कि सभी IV अभिलक्षणिक वक्र तीसरे चतुर्थांश में एक बिंदु के चारों ओर घूमते हैं। Voc ऋणात्मक मान से धनात्मक मान तक बढ़ता है जबकि Isc धनात्मक से ऋणात्मक मान तक घटता है। YBCO के मूल अतिचालक संक्रमण तापमान Tc से ऊपर, IV वक्र तापमान के साथ अलग-अलग तरीके से बदलता है (चित्र 3a के नीचे)। सबसे पहले, IV वक्र का घूर्णन केंद्र पहले चतुर्थांश में चला जाता है। दूसरे, बढ़ते तापमान के साथ Voc घटता रहता है और Isc बढ़ता रहता है (चित्र 3b के ऊपर)। तीसरा, IV वक्रों की ढलान तापमान के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है जिसके परिणामस्वरूप YBCO के लिए प्रतिरोध का सकारात्मक तापमान गुणांक होता है (चित्र 3b के नीचे)।
502 mW/cm2 लेजर रोशनी के तहत YBCO-Ag पेस्ट प्रणाली के लिए फोटोवोल्टिक विशेषताओं की तापमान पर निर्भरता।
लेजर स्पॉट सेंटर कैथोड इलेक्ट्रोड के चारों ओर स्थित है (चित्र 1i देखें)। ए, 50 से 90 K (ऊपर) और 100 से 300 K (नीचे) से प्राप्त IV वक्र क्रमशः 5 K और 20 K के तापमान वृद्धि के साथ। इनसेट ए अंधेरे में कई तापमानों पर IV विशेषताओं को दर्शाता है। सभी वक्र मूल बिंदु को पार करते हैं। बी, ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc (ऊपर) और तापमान के एक फ़ंक्शन के रूप में YBCO (नीचे) का अंतर प्रतिरोध, dV/dI। शून्य प्रतिरोध सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान Tcp नहीं दिया गया है क्योंकि यह Tc0 के बहुत करीब है।
चित्र 3b से तीन महत्वपूर्ण तापमानों को पहचाना जा सकता है: Tcp, जिसके ऊपर YBCO गैर-अतिचालक बन जाता है; Tc0, जिस पर Voc और Isc दोनों शून्य हो जाते हैं और Tc, लेज़र विकिरण के बिना YBCO का मूल प्रारंभ अतिचालक संक्रमण तापमान। Tcp ~ 55 K से नीचे, लेज़र विकिरणित YBCO कूपर जोड़े की अपेक्षाकृत उच्च सांद्रता के साथ अतिचालक अवस्था में होता है। लेज़र विकिरण का प्रभाव फोटोवोल्टिक वोल्टेज और करंट के उत्पादन के अलावा कूपर जोड़े की सांद्रता को कम करके शून्य प्रतिरोध अतिचालक संक्रमण तापमान को 89 K से ~55 K (चित्र 3b के नीचे) तक कम करना है। तापमान में वृद्धि से कूपर जोड़े भी टूट जाते हैं जिससे इंटरफ़ेस में कम क्षमता हो जाती है इस विशेष बिंदु पर कोई फोटोवोल्टिक प्रभाव नहीं होता है क्योंकि फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों को अलग करने के लिए कोई आंतरिक क्षेत्र नहीं होता है। इस महत्वपूर्ण तापमान से ऊपर विभव का ध्रुवीकरण उत्क्रमण होता है क्योंकि Ag पेस्ट में मुक्त आवेश घनत्व YBCO से अधिक होता है जो धीरे-धीरे p-प्रकार की सामग्री में वापस स्थानांतरित हो जाता है। यहाँ हम इस बात पर जोर देना चाहते हैं कि संक्रमण के कारण की परवाह किए बिना, Voc और Isc का ध्रुवीकरण शून्य प्रतिरोध सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के तुरंत बाद होता है। यह अवलोकन पहली बार स्पष्ट रूप से सुपरकंडक्टिविटी और धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस विभव से जुड़े फोटोवोल्टिक प्रभावों के बीच संबंध को प्रकट करता है। सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस में इस विभव की प्रकृति पिछले कई दशकों से शोध का केंद्र रही है, लेकिन अभी भी कई सवालों के जवाब मिलने बाकी हैं। फोटोवोल्टिक प्रभाव का मापन इस महत्वपूर्ण विभव के विवरण (जैसे इसकी ताकत और ध्रुवीकरण आदि) की खोज के लिए एक प्रभावी तरीका साबित हो सकता है और इसलिए उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग निकटता प्रभाव पर प्रकाश डाल सकता है।
Tc0 से Tc तक तापमान में और वृद्धि से कूपर युग्मों की सांद्रता कम होती है और इंटरफ़ेस क्षमता में वृद्धि होती है और परिणामस्वरूप Voc अधिक होता है। Tc पर कूपर युग्म सांद्रता शून्य हो जाती है और इंटरफ़ेस पर निर्मित क्षमता अधिकतम तक पहुँच जाती है, जिसके परिणामस्वरूप अधिकतम Voc और न्यूनतम Isc होता है। इस तापमान सीमा में Voc और Isc (निरपेक्ष मान) की तीव्र वृद्धि सुपरकंडक्टिंग संक्रमण से मेल खाती है जो 502 mW/cm2 तीव्रता के लेजर विकिरण द्वारा ΔT ~ 3 K से ~34 K तक विस्तृत होती है (चित्र 3b)। Tc से ऊपर की सामान्य अवस्थाओं में, ओपन सर्किट वोल्टेज Voc तापमान के साथ घटता है (चित्र 3b के शीर्ष पर), pn जंक्शनों31,32,33 पर आधारित सामान्य सौर कोशिकाओं के लिए Voc के रैखिक व्यवहार के समान। हालांकि तापमान के साथ Voc की परिवर्तन दर (-dVoc/dT), जो लेजर तीव्रता पर दृढ़ता से निर्भर करती है, सामान्य सौर कोशिकाओं की तुलना में बहुत कम है, YBCO-Ag जंक्शन के लिए Voc का तापमान गुणांक सौर कोशिकाओं के समान ही परिमाण का क्रम है। एक सामान्य सौर सेल डिवाइस के लिए pn जंक्शन का रिसाव धारा बढ़ते तापमान के साथ बढ़ता है, जिससे तापमान बढ़ने पर Voc में कमी आती है। इस Ag-सुपरकंडक्टर सिस्टम के लिए देखे गए रैखिक IV वक्र, सबसे पहले बहुत छोटे इंटरफ़ेस क्षमता और दूसरे दो विषम जंक्शनों के बैक-टू-बैक कनेक्शन के कारण, रिसाव धारा को निर्धारित करना मुश्किल बनाते हैं। फिर भी, यह बहुत संभावना है कि रिसाव धारा की समान तापमान निर्भरता हमारे प्रयोग में देखे गए Voc व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। परिभाषा के अनुसार, Isc एक नकारात्मक वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए आवश्यक धारा है ताकि Voc की क्षतिपूर्ति हो सके ताकि कुल वोल्टेज शून्य हो। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, Voc छोटा होता जाता है ताकि नकारात्मक वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए कम धारा की आवश्यकता हो। इसके अलावा, YBCO का प्रतिरोध Tc (चित्र 3b के नीचे) से ऊपर के तापमान के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है, जो उच्च तापमान पर Isc के छोटे निरपेक्ष मान में भी योगदान देता है।
ध्यान दें कि चित्र 2,3 में दिए गए परिणाम कैथोड इलेक्ट्रोड के आस-पास के क्षेत्र में लेजर विकिरण द्वारा प्राप्त किए गए हैं। एनोड पर स्थित लेजर स्पॉट के साथ माप भी दोहराया गया है और समान IV विशेषताओं और फोटोवोल्टिक गुणों को देखा गया है, सिवाय इसके कि इस मामले में Voc और Isc की ध्रुवता उलट गई है। ये सभी डेटा फोटोवोल्टिक प्रभाव के लिए एक तंत्र की ओर ले जाते हैं, जो सुपरकंडक्टर-धातु इंटरफ़ेस से निकटता से संबंधित है।
संक्षेप में, लेजर विकिरणित अतिचालक YBCO-Ag पेस्ट प्रणाली की IV विशेषताओं को तापमान और लेजर तीव्रता के कार्यों के रूप में मापा गया है। 50 से 300 K के तापमान रेंज में उल्लेखनीय फोटोवोल्टिक प्रभाव देखा गया है। यह पाया गया है कि फोटोवोल्टिक गुण YBCO सिरेमिक की अतिचालकता से दृढ़ता से संबंधित हैं। Voc और Isc की एक ध्रुवीयता उलटाव फोटो-प्रेरित अतिचालक से गैर-अतिचालक संक्रमण के तुरंत बाद होता है। निश्चित लेजर तीव्रता पर मापी गई Voc और Isc की तापमान निर्भरता भी एक महत्वपूर्ण तापमान पर एक अलग ध्रुवीयता उलटाव दिखाती है जिसके ऊपर नमूना प्रतिरोधक बन जाता है। नमूने के विभिन्न भाग में लेजर स्पॉट का पता लगाकर, हम दिखाते हैं कि इंटरफ़ेस में एक विद्युत क्षमता मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के लिए पृथक्करण बल प्रदान करती है। यह इंटरफ़ेस क्षमता YBCO से धातु इलेक्ट्रोड तक निर्देशित होती है जब YBCO अतिचालक होता है और जब नमूना गैर-अतिचालक बन जाता है तो विपरीत दिशा में स्विच हो जाता है। संभावित की उत्पत्ति स्वाभाविक रूप से धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफेस पर निकटता प्रभाव से जुड़ी हो सकती है जब YBCO सुपरकंडक्टिंग होता है और 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता के साथ 50 K पर ~10−8 mV होने का अनुमान है। सामान्य अवस्था में p-प्रकार की सामग्री YBCO का n-प्रकार की सामग्री Ag-paste के साथ संपर्क एक अर्ध-pn जंक्शन बनाता है जो उच्च तापमान पर YBCO सिरेमिक के फोटोवोल्टिक व्यवहार के लिए जिम्मेदार होता है। उपरोक्त अवलोकन उच्च तापमान सुपरकंडक्टिंग YBCO सिरेमिक में PV प्रभाव पर प्रकाश डालते हैं और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे कि फास्ट पैसिव लाइट डिटेक्टर और सिंगल फोटॉन डिटेक्टर में नए अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त करते हैं।
फोटोवोल्टिक प्रभाव प्रयोग 0.52 मिमी मोटाई और 8.64 × 2.26 मिमी2 आयताकार आकार के YBCO सिरेमिक नमूने पर किए गए थे और 1.25 मिमी त्रिज्या के लेजर स्पॉट आकार के साथ निरंतर तरंग ब्लू-लेजर (λ = 450 एनएम) द्वारा प्रकाशित किए गए थे। पतली फिल्म के नमूने के बजाय बल्क का उपयोग करने से हम सब्सट्रेट6,7 के जटिल प्रभाव से निपटने के बिना सुपरकंडक्टर के फोटोवोल्टिक गुणों का अध्ययन करने में सक्षम होते हैं। इसके अलावा, बल्क सामग्री इसकी सरल तैयारी प्रक्रिया और अपेक्षाकृत कम लागत के लिए अनुकूल हो सकती है। तांबे के लीड तारों को YBCO नमूने पर चांदी के पेस्ट के साथ जोड़ा जाता है जिससे लगभग 1 मिमी व्यास के चार गोलाकार इलेक्ट्रोड बनते हैं। दो वोल्टेज इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी लगभग 5 मिमी है। नमूने की IV विशेषताओं को क्वार्ट्ज क्रिस्टल विंडो के साथ कंपन नमूना मैग्नेटोमीटर (वर्सालैब, क्वांटम डिज़ाइन) का उपयोग करके मापा गया था। IV वक्र प्राप्त करने के लिए मानक चार-तार विधि का उपयोग किया गया था। इलेक्ट्रोड और लेजर स्पॉट की सापेक्ष स्थिति चित्र 1i में दिखाई गई है।
इस लेख का हवाला कैसे दें: यांग, एफ. एट अल. सुपरकंडक्टिंग YBa2Cu3O6.96 सिरेमिक में फोटोवोल्टिक प्रभाव की उत्पत्ति। विज्ञान रिपोर्ट 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015)।
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इस कार्य को चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान संख्या 60571063), चीन के हेनान प्रांत की मौलिक अनुसंधान परियोजनाओं (अनुदान संख्या 122300410231) द्वारा समर्थित किया गया है।
एफवाई ने पेपर का पाठ लिखा और एमवाईएच ने वाईबीसीओ सिरेमिक नमूना तैयार किया। एफवाई और एमवाईएच ने प्रयोग किया और परिणामों का विश्लेषण किया। एफजीसी ने परियोजना और डेटा की वैज्ञानिक व्याख्या का नेतृत्व किया। सभी लेखकों ने पांडुलिपि की समीक्षा की।
यह कार्य क्रिएटिव कॉमन्स एट्रिब्यूशन 4.0 इंटरनेशनल लाइसेंस के अंतर्गत लाइसेंस प्राप्त है। इस लेख में मौजूद छवियाँ या अन्य तृतीय पक्ष सामग्री लेख के क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस में शामिल हैं, जब तक कि क्रेडिट लाइन में अन्यथा संकेत न दिया गया हो; यदि सामग्री क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के अंतर्गत शामिल नहीं है, तो उपयोगकर्ताओं को सामग्री को पुन: प्रस्तुत करने के लिए लाइसेंस धारक से अनुमति लेनी होगी। इस लाइसेंस की एक प्रति देखने के लिए, http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ पर जाएँ
यांग, एफ., हान, एम. और चांग, एफ. सुपरकंडक्टिंग YBa2Cu3O6.96 सिरेमिक में फोटोवोल्टिक प्रभाव की उत्पत्ति। विज्ञान रिपोर्ट 5, 11504 (2015)। https://doi.org/10.1038/srep11504
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पोस्ट करने का समय: अप्रैल-22-2020