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हम YBa2Cu3O6.96 (YBCO) सिरेमिक में 50 से 300 K के बीच नीली लेजर रोशनी द्वारा प्रेरित उल्लेखनीय फोटोवोल्टेइक प्रभाव की रिपोर्ट करते हैं, जो YBCO की सुपरकंडक्टिविटी और YBCO-धात्विक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस से सीधे संबंधित है। YBCO के सुपरकंडक्टिंग से प्रतिरोधी अवस्था में संक्रमण के दौरान ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc के लिए ध्रुवीयता में परिवर्तन होता है। हम दिखाते हैं कि सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस के पार एक विद्युत विभव मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों के लिए पृथक्करण बल प्रदान करता है। यह इंटरफ़ेस विभव YBCO के सुपरकंडक्टिंग होने पर YBCO से धातु इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित होता है और YBCO के नॉन-सुपरकंडक्टिंग होने पर विपरीत दिशा में परिवर्तित हो जाता है। विभव का मूल YBCO के सुपरकंडक्टिंग होने पर धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव से आसानी से जोड़ा जा सकता है और 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता पर 50 K पर इसका मान लगभग 10–8 mV होने का अनुमान है। सामान्य अवस्था में p-प्रकार के पदार्थ YBCO और n-प्रकार के पदार्थ Ag-पेस्ट के संयोजन से एक अर्ध-pn जंक्शन बनता है, जो उच्च तापमान पर YBCO सिरेमिक के फोटोवोल्टेइक 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 अधिक प्रकाश डाल सकते हैं।
उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों में फोटो-प्रेरित वोल्टेज की रिपोर्ट 1990 के दशक के आरंभ में की गई थी और तब से इस पर व्यापक रूप से शोध किया जा रहा है, फिर भी इसकी प्रकृति और क्रियाविधि अभी भी अनसुलझी है1,2,3,4,5। विशेष रूप से, YBa2Cu3O7-δ (YBCO) पतली फिल्मों6,7,8 का फोटोवोल्टेइक (PV) सेल के रूप में गहन अध्ययन किया जा रहा है, क्योंकि इसमें समायोज्य ऊर्जा अंतराल होता है9,10,11,12,13। हालांकि, सब्सट्रेट का उच्च प्रतिरोध हमेशा उपकरण की कम रूपांतरण दक्षता की ओर ले जाता है और YBCO8 के प्राथमिक PV गुणों को छिपा देता है। यहां हम 50 और 300 K (Tc ~ 90 K) के बीच YBa2Cu3O6.96 (YBCO) सिरेमिक में नीले लेजर (λ = 450 nm) प्रदीपन द्वारा प्रेरित उल्लेखनीय फोटोवोल्टेइक प्रभाव की रिपोर्ट करते हैं। हम दर्शाते हैं कि PV प्रभाव सीधे YBCO की सुपरकंडक्टिविटी और YBCO-धात्विक इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस की प्रकृति से संबंधित है। जब YBCO सुपरकंडक्टिंग अवस्था से प्रतिरोधक अवस्था में परिवर्तित होता है, तो ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc के लिए ध्रुवीयता में परिवर्तन होता है। यह प्रस्तावित किया गया है कि सुपरकंडक्टर-सामान्य धातु इंटरफ़ेस पर एक विद्युत विभव मौजूद होता है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों के लिए पृथक्करण बल प्रदान करता है। यह इंटरफ़ेस विभव YBCO की सुपरकंडक्टिंग अवस्था में धातु इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित होता है और नमूना नॉन-सुपरकंडक्टिंग होने पर विपरीत दिशा में परिवर्तित हो जाता है। विभव का उद्गम स्वाभाविक रूप से YBCO की सुपरकंडक्टिंग अवस्था में धातु-सुपरकंडक्टर इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव14,15,16,17 से जुड़ा हो सकता है और 502 mW/cm2 की लेजर तीव्रता पर 50 K पर इसका मान लगभग ~10−8 mV होने का अनुमान है। सामान्य अवस्था में p-प्रकार के पदार्थ YBCO का n-प्रकार के पदार्थ Ag-पेस्ट के साथ संयोजन, संभवतः, एक क्वासी-pn जंक्शन बनाता है जो उच्च तापमान पर YBCO सिरेमिक के PV व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। हमारे अवलोकन उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग वाईबीसीओ सिरेमिक में पीवी प्रभाव की उत्पत्ति पर और अधिक प्रकाश डालते हैं और फास्ट पैसिव लाइट डिटेक्टर आदि जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में इसके अनुप्रयोग का मार्ग प्रशस्त करते हैं।
चित्र 1a–c में 50 K पर YBCO सिरेमिक नमूने की IV विशेषताएँ दर्शाई गई हैं। प्रकाश प्रदीपन के बिना, नमूने के आर-पार वोल्टेज धारा में परिवर्तन के साथ शून्य रहता है, जैसा कि एक अतिचालक पदार्थ से अपेक्षित है। कैथोड पर लेजर किरण डालने पर स्पष्ट फोटोवोल्टेइक प्रभाव दिखाई देता है (चित्र 1a): I-अक्ष के समानांतर IV वक्र लेजर तीव्रता बढ़ने के साथ नीचे की ओर खिसकता है। यह स्पष्ट है कि बिना किसी धारा के भी एक ऋणात्मक फोटो-प्रेरित वोल्टेज मौजूद होता है (जिसे अक्सर ओपन सर्किट वोल्टेज Voc कहा जाता है)। IV वक्र का शून्य ढलान यह दर्शाता है कि लेजर प्रदीपन के अंतर्गत भी नमूना अतिचालक बना रहता है।
(a–c) और 300 K (e–g) पर। V(I) के मान निर्वात में धारा को −10 mA से +10 mA तक प्रवाहित करके प्राप्त किए गए थे। स्पष्टता के लिए प्रायोगिक आंकड़ों का केवल एक भाग प्रस्तुत किया गया है। a, कैथोड (i) पर लेजर स्पॉट रखकर मापे गए YBCO के धारा-वोल्टेज लक्षण। सभी IV वक्र क्षैतिज सीधी रेखाएँ हैं जो दर्शाती हैं कि लेजर विकिरण के साथ भी नमूना अतिचालक बना हुआ है। लेजर की तीव्रता बढ़ने पर वक्र नीचे की ओर खिसकता है, जो दर्शाता है कि शून्य धारा होने पर भी दो वोल्टेज लीड के बीच एक ऋणात्मक विभव (Voc) मौजूद है। जब लेजर को 50 K (b) या 300 K (f) पर नमूने के केंद्र पर निर्देशित किया जाता है तो IV वक्र अपरिवर्तित रहते हैं। एनोड के प्रकाशित होने पर क्षैतिज रेखा ऊपर की ओर खिसकती है (c)। 50 K पर धातु-अतिचालक जंक्शन का एक योजनाबद्ध मॉडल d में दिखाया गया है। कैथोड और एनोड पर लेजर बीम डालकर मापी गई सामान्य अवस्था YBCO की धारा-वोल्टेज विशेषताओं को क्रमशः e और g में दर्शाया गया है। 50 K पर प्राप्त परिणामों के विपरीत, सीधी रेखाओं की गैर-शून्य ढलान यह दर्शाती है कि YBCO सामान्य अवस्था में है; Voc के मान प्रकाश की तीव्रता के साथ विपरीत दिशा में बदलते हैं, जो एक भिन्न आवेश पृथक्करण तंत्र का संकेत देते हैं। 300 K पर संभावित इंटरफ़ेस संरचना को hj में दर्शाया गया है। नमूने की वास्तविक तस्वीर में लीड्स दिखाई गई हैं।
अतिचालक अवस्था में ऑक्सीजन-समृद्ध YBCO अपने बहुत छोटे ऊर्जा अंतराल (Eg)9,10 के कारण सूर्य के प्रकाश के लगभग पूर्ण स्पेक्ट्रम को अवशोषित कर सकता है, जिससे इलेक्ट्रॉन-होल युग्म (e–h) बनते हैं। फोटॉनों के अवशोषण द्वारा एक ओपन सर्किट वोल्टेज Voc उत्पन्न करने के लिए, पुनर्संयोजन होने से पहले फोटो-जनित e–h युग्मों को स्थानिक रूप से अलग करना आवश्यक है18। चित्र 1i में दर्शाए गए कैथोड और एनोड के सापेक्ष ऋणात्मक Voc यह दर्शाता है कि धातु-अतिचालक इंटरफ़ेस के पार एक विद्युत विभव मौजूद है, जो इलेक्ट्रॉनों को एनोड की ओर और होलों को कैथोड की ओर ले जाता है। यदि ऐसा है, तो एनोड पर अतिचालक से धातु इलेक्ट्रोड की ओर इंगित करने वाला एक विभव भी होना चाहिए। परिणामस्वरूप, यदि एनोड के निकट के नमूना क्षेत्र को प्रकाशित किया जाता है तो एक धनात्मक 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। चित्र 1b,c से स्पष्ट रूप से यही स्थिति है।
जब प्रकाश बिंदु कैथोड इलेक्ट्रोड से नमूने के केंद्र (इंटरफेस से लगभग 1.25 मिमी दूर) की ओर बढ़ता है, तो अधिकतम उपलब्ध मान तक लेजर तीव्रता बढ़ाने पर भी IV वक्रों में कोई परिवर्तन और Voc में कोई वृद्धि नहीं देखी जा सकती (चित्र 1b)। स्वाभाविक रूप से, इस परिणाम का कारण फोटो-प्रेरित वाहकों का सीमित जीवनकाल और नमूने में पृथक्करण बल की कमी है। नमूने को प्रकाशित करने पर इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न हो सकते हैं, लेकिन यदि लेजर बिंदु किसी भी इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों पर पड़ता है, तो अधिकांश इलेक्ट्रॉन-होल युग्म नष्ट हो जाएंगे और कोई फोटोवोल्टेइक प्रभाव नहीं देखा जाएगा। लेजर बिंदु को एनोड इलेक्ट्रोड की ओर ले जाने पर, I-अक्ष के समानांतर IV वक्र लेजर तीव्रता बढ़ने के साथ ऊपर की ओर बढ़ते हैं (चित्र 1c)। एनोड पर धातु-अतिचालक जंक्शन में समान अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र मौजूद होता है। हालांकि, इस बार धात्विक इलेक्ट्रोड परीक्षण प्रणाली के धनात्मक लीड से जुड़ा होता है। लेजर द्वारा उत्पन्न होल एनोड लीड की ओर धकेले जाते हैं और इस प्रकार धनात्मक Voc देखा जाता है। यहां प्रस्तुत परिणाम इस बात का पुख्ता सबूत प्रदान करते हैं कि वास्तव में एक इंटरफेस पोटेंशियल मौजूद है जो सुपरकंडक्टर से धातु इलेक्ट्रोड की ओर इंगित करता है।
300 K तापमान पर YBa2Cu3O6.96 सिरेमिक में फोटोवोल्टिक प्रभाव चित्र 1e–g में दर्शाया गया है। प्रकाश प्रदीपन के बिना, नमूने का IV वक्र मूल बिंदु से गुजरने वाली एक सीधी रेखा है। कैथोड लीड पर विकिरणित लेजर की तीव्रता बढ़ने के साथ यह सीधी रेखा मूल रेखा के समानांतर ऊपर की ओर बढ़ती है (चित्र 1e)। फोटोवोल्टिक उपकरण के लिए रुचि की दो सीमित स्थितियाँ हैं। शॉर्ट-सर्किट स्थिति तब होती है जब V = 0 होता है। इस स्थिति में धारा को शॉर्ट-सर्किट धारा (Isc) कहा जाता है। दूसरी सीमित स्थिति ओपन-सर्किट स्थिति (Voc) है जो तब होती है जब R→∞ या धारा शून्य होती है। चित्र 1e स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि Voc धनात्मक है और प्रकाश की तीव्रता बढ़ने के साथ बढ़ता है, जो 50 K पर प्राप्त परिणाम के विपरीत है; जबकि प्रकाश प्रदीपन के साथ ऋणात्मक Isc का परिमाण बढ़ता हुआ देखा गया है, जो सामान्य सौर कोशिकाओं का एक विशिष्ट व्यवहार है।
इसी प्रकार, जब लेज़र किरण को इलेक्ट्रोड से दूर के क्षेत्रों पर केंद्रित किया जाता है, तो V(I) वक्र लेज़र की तीव्रता से अप्रभावित रहता है और कोई फोटोवोल्टेइक प्रभाव दिखाई नहीं देता (चित्र 1f)। 50 K पर किए गए माप के समान, एनोड इलेक्ट्रोड पर विकिरण पड़ने पर IV वक्र विपरीत दिशा में गति करते हैं (चित्र 1g)। 300 K पर इस YBCO-Ag पेस्ट प्रणाली के लिए नमूने के विभिन्न स्थानों पर लेज़र विकिरण के साथ प्राप्त ये सभी परिणाम 50 K पर देखे गए इंटरफ़ेस विभव के विपरीत इंटरफ़ेस विभव के अनुरूप हैं।
अतिचालक YBCO में संक्रमण तापमान Tc से नीचे अधिकांश इलेक्ट्रॉन कूपर युग्मों में संघनित हो जाते हैं। जबकि धातु इलेक्ट्रोड में, सभी इलेक्ट्रॉन एकल रूप में रहते हैं। धातु-अतिचालक इंटरफ़ेस के निकट एकल इलेक्ट्रॉनों और कूपर युग्मों दोनों के लिए एक बड़ा घनत्व प्रवणता होता है। धात्विक पदार्थ में बहुसंख्यक वाहक एकल इलेक्ट्रॉन अतिचालक क्षेत्र में विसरित हो जाते हैं, जबकि YBCO क्षेत्र में बहुसंख्यक वाहक कूपर युग्म धातु क्षेत्र में विसरित हो जाते हैं। जैसे-जैसे एकल इलेक्ट्रॉनों की तुलना में अधिक आवेश और गतिशीलता वाले कूपर युग्म YBCO से धात्विक क्षेत्र में विसरित होते हैं, धनात्मक आवेशित परमाणु पीछे रह जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र में एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है। इस विद्युत क्षेत्र की दिशा आरेख चित्र 1d में दर्शाई गई है। अंतरिक्ष आवेश क्षेत्र के निकट आपतित फोटॉन प्रदीपन से ऐसे युग्म उत्पन्न हो सकते हैं जो पृथक होकर बाहर निकल जाते हैं और विपरीत-बायस दिशा में एक फोटोकरंट उत्पन्न करते हैं। जैसे ही इलेक्ट्रॉन अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र से बाहर निकलते हैं, वे युग्मों में संघनित हो जाते हैं और बिना किसी प्रतिरोध के दूसरे इलेक्ट्रोड की ओर प्रवाहित हो जाते हैं। इस मामले में, Voc पूर्व-निर्धारित ध्रुवता के विपरीत है और जब लेजर किरण ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के आसपास के क्षेत्र की ओर इंगित करती है तो एक ऋणात्मक मान प्रदर्शित करता है। Voc के मान से, इंटरफ़ेस के पार विभव का अनुमान लगाया जा सकता है: दो वोल्टेज लीड के बीच की दूरी d लगभग 5 × 10⁻³ मीटर है, धातु-अतिचालक इंटरफ़ेस की मोटाई, di, YBCO अतिचालक (~1 nm)¹⁹,²⁰ की सुसंगतता लंबाई के समान परिमाण की होनी चाहिए, Voc का मान 0.03 mV लेने पर, 502 mW/cm² की लेजर तीव्रता के साथ 50 K पर धातु-अतिचालक इंटरफ़ेस पर विभव Vms का मूल्यांकन समीकरण का उपयोग करके लगभग 10⁻¹¹ V किया जाता है।
हम यहां इस बात पर जोर देना चाहते हैं कि फोटो-प्रेरित वोल्टेज को फोटोथर्मल प्रभाव से नहीं समझाया जा सकता। प्रायोगिक रूप से यह सिद्ध हो चुका है कि सुपरकंडक्टर YBCO का सीबेक गुणांक Ss = 0.21 है। तांबे के लीड तारों के लिए सीबेक गुणांक SCu = 0.34–1.15 μV/K³ की सीमा में होता है। लेजर स्पॉट पर तांबे के तार का तापमान 50 K पर उपलब्ध अधिकतम लेजर तीव्रता के साथ 0.06 K तक बढ़ाया जा सकता है। इससे 6.9 × 10⁻⁸ V का थर्मोइलेक्ट्रिक पोटेंशियल उत्पन्न हो सकता है, जो चित्र 1 (a) में प्राप्त Voc से तीन गुना कम है। यह स्पष्ट है कि प्रायोगिक परिणामों को समझाने के लिए थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव बहुत कम है। वास्तव में, लेजर विकिरण के कारण तापमान में परिवर्तन एक मिनट से भी कम समय में गायब हो जाएगा, इसलिए थर्मल प्रभाव के योगदान को सुरक्षित रूप से अनदेखा किया जा सकता है।
कमरे के तापमान पर YBCO का यह फोटोवोल्टेइक प्रभाव दर्शाता है कि यहाँ एक अलग आवेश पृथक्करण तंत्र शामिल है। सामान्य अवस्था में सुपरकंडक्टिंग YBCO एक p-प्रकार का पदार्थ है जिसमें छिद्र आवेश वाहक के रूप में होते हैं22,23, जबकि धात्विक Ag-पेस्ट में n-प्रकार के पदार्थ के गुण होते हैं। pn जंक्शनों के समान, सिल्वर पेस्ट में इलेक्ट्रॉनों और YBCO सिरेमिक में छिद्रों का प्रसार इंटरफ़ेस पर YBCO सिरेमिक की ओर इंगित करने वाला एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाएगा (चित्र 1h)। यह आंतरिक क्षेत्र ही पृथक्करण बल प्रदान करता है और कमरे के तापमान पर YBCO-Ag पेस्ट प्रणाली के लिए धनात्मक Voc और ऋणात्मक Isc की ओर ले जाता है, जैसा कि चित्र 1e में दिखाया गया है। वैकल्पिक रूप से, Ag-YBCO एक p-प्रकार का शॉट्की जंक्शन बना सकता है जो ऊपर प्रस्तुत मॉडल के समान ध्रुवता के साथ एक इंटरफ़ेस क्षमता की ओर भी ले जाता है24।
YBCO के सुपरकंडक्टिंग संक्रमण के दौरान फोटोवोल्टेइक गुणों की विस्तृत विकास प्रक्रिया की जांच करने के लिए, कैथोड इलेक्ट्रोड पर चुनिंदा लेजर तीव्रताओं के साथ 80 K पर नमूने के IV वक्रों को मापा गया (चित्र 2)। लेजर विकिरण के बिना, नमूने के पार वोल्टेज धारा की परवाह किए बिना शून्य रहता है, जो 80 K पर नमूने की सुपरकंडक्टिंग अवस्था को दर्शाता है (चित्र 2a)। 50 K पर प्राप्त आंकड़ों के समान, I-अक्ष के समानांतर IV वक्र लेजर तीव्रता में वृद्धि के साथ नीचे की ओर तब तक गति करते हैं जब तक कि एक महत्वपूर्ण मान Pc तक नहीं पहुंच जाता। इस महत्वपूर्ण लेजर तीव्रता (Pc) से ऊपर, सुपरकंडक्टर एक सुपरकंडक्टिंग चरण से एक प्रतिरोधी चरण में संक्रमण करता है; सुपरकंडक्टर में प्रतिरोध की उपस्थिति के कारण वोल्टेज धारा के साथ बढ़ने लगता है। परिणामस्वरूप, IV वक्र I-अक्ष और V-अक्ष के साथ प्रतिच्छेद करना शुरू कर देता है, जिससे पहले नकारात्मक Voc और सकारात्मक Isc प्राप्त होता है। अब नमूना एक विशेष अवस्था में प्रतीत होता है जिसमें Voc और Isc की ध्रुवीयता प्रकाश तीव्रता के प्रति अत्यंत संवेदनशील होती है; प्रकाश की तीव्रता में बहुत कम वृद्धि के साथ, Isc धनात्मक से ऋणात्मक और Voc ऋणात्मक से धनात्मक मान में परिवर्तित हो जाता है, जो मूल बिंदु से होकर गुजरता है (प्रकाश प्रदीप्ति के प्रति फोटोवोल्टेइक गुणों, विशेष रूप से Isc के मान की उच्च संवेदनशीलता को चित्र 2b में अधिक स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है)। उपलब्ध उच्चतम लेजर तीव्रता पर, IV वक्र एक दूसरे के समानांतर होने का आभास देते हैं, जो YBCO नमूने की सामान्य स्थिति को दर्शाता है।
लेजर स्पॉट का केंद्र कैथोड इलेक्ट्रोड के आसपास स्थित है (चित्र 1i देखें)। a) विभिन्न लेजर तीव्रताओं से विकिरणित YBCO के IV वक्र। b (ऊपर) ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc की लेजर तीव्रता पर निर्भरता। कम प्रकाश तीव्रता (< 110 mW/cm²) पर Isc मान प्राप्त नहीं किए जा सकते क्योंकि नमूना अतिचालक अवस्था में होने पर IV वक्र I-अक्ष के समानांतर होते हैं। b (नीचे) लेजर तीव्रता के फलन के रूप में विभेदक प्रतिरोध।
80 K पर Voc और Isc की लेजर तीव्रता पर निर्भरता चित्र 2b (ऊपर) में दर्शाई गई है। प्रकाश की तीव्रता के तीन क्षेत्रों में फोटोवोल्टेइक गुणों पर चर्चा की जा सकती है। पहला क्षेत्र 0 और Pc के बीच है, जिसमें YBCO अतिचालक होता है, Voc ऋणात्मक होता है और प्रकाश की तीव्रता के साथ घटता है (निरपेक्ष मान बढ़ता है) और Pc पर न्यूनतम मान तक पहुँचता है। दूसरा क्षेत्र Pc से एक अन्य क्रांतिक तीव्रता P0 तक है, जिसमें प्रकाश की तीव्रता बढ़ने के साथ Voc बढ़ता है जबकि Isc घटता है और दोनों P0 पर शून्य हो जाते हैं। तीसरा क्षेत्र P0 से ऊपर YBCO की सामान्य अवस्था तक है। यद्यपि Voc और Isc दोनों क्षेत्र 2 के समान ही प्रकाश की तीव्रता के साथ बदलते हैं, क्रांतिक तीव्रता P0 से ऊपर उनकी ध्रुवीयता विपरीत होती है। P0 का महत्व इस तथ्य में निहित है कि इस विशेष बिंदु पर कोई फोटोवोल्टेइक प्रभाव नहीं होता है और आवेश पृथक्करण तंत्र गुणात्मक रूप से बदल जाता है। प्रकाश की तीव्रता की इस सीमा में YBCO नमूना गैर-अतिचालक हो जाता है, लेकिन सामान्य अवस्था अभी तक प्राप्त नहीं हुई है।
स्पष्ट रूप से, सिस्टम की फोटोवोल्टेइक विशेषताएँ YBCO की सुपरकंडक्टिविटी और इसके सुपरकंडक्टिंग ट्रांज़िशन से घनिष्ठ रूप से संबंधित हैं। YBCO का डिफरेंशियल रेजिस्टेंस, dV/dI, चित्र 2b (नीचे) में लेज़र तीव्रता के फलन के रूप में दर्शाया गया है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, कूपर युग्म प्रसार के कारण इंटरफ़ेस में निर्मित विद्युत विभव सुपरकंडक्टर से धातु की ओर इंगित करता है। 50 K पर देखे गए समान, लेज़र तीव्रता 0 से Pc तक बढ़ने पर फोटोवोल्टेइक प्रभाव बढ़ता है। जब लेज़र तीव्रता Pc से थोड़ा ऊपर पहुँचती है, तो IV वक्र झुकना शुरू हो जाता है और नमूने का प्रतिरोध प्रकट होने लगता है, लेकिन इंटरफ़ेस विभव की ध्रुवीयता अभी तक नहीं बदलती है। दृश्य या निकट-अंधकार क्षेत्र में सुपरकंडक्टिविटी पर प्रकाशीय उत्तेजना के प्रभाव की जाँच की गई है। जबकि मूल प्रक्रिया कूपर युग्मों को तोड़ना और सुपरकंडक्टिविटी को नष्ट करना है25,26, कुछ मामलों में सुपरकंडक्टिविटी ट्रांज़िशन को बढ़ाया जा सकता है27,28,29, यहाँ तक कि सुपरकंडक्टिविटी के नए चरण भी प्रेरित किए जा सकते हैं30। Pc पर सुपरकंडक्टिविटी की अनुपस्थिति का कारण फोटो-प्रेरित युग्म विखंडन हो सकता है। बिंदु P0 पर, इंटरफ़ेस के पार विभव शून्य हो जाता है, जो दर्शाता है कि प्रकाश प्रदीपन की इस विशेष तीव्रता के तहत इंटरफ़ेस के दोनों ओर आवेश घनत्व एक ही स्तर पर पहुँच जाता है। लेजर तीव्रता में और वृद्धि से अधिक कूपर युग्म नष्ट हो जाते हैं और YBCO धीरे-धीरे वापस p-प्रकार के पदार्थ में परिवर्तित हो जाता है। इलेक्ट्रॉन और कूपर युग्म विसरण के बजाय, इंटरफ़ेस की विशेषता अब इलेक्ट्रॉन और होल विसरण द्वारा निर्धारित होती है, जिससे इंटरफ़ेस में विद्युत क्षेत्र की ध्रुवीयता उलट जाती है और परिणामस्वरूप Voc धनात्मक हो जाता है (चित्र 1d,h की तुलना करें)। बहुत उच्च लेजर तीव्रता पर, YBCO का विभेदक प्रतिरोध सामान्य अवस्था के अनुरूप मान तक संतृप्त हो जाता है और Voc और Isc दोनों लेजर तीव्रता के साथ रैखिक रूप से बदलते हैं (चित्र 2b)। यह अवलोकन दर्शाता है कि सामान्य अवस्था YBCO पर लेजर विकिरण अब इसकी प्रतिरोधकता और सुपरकंडक्टर-धातु इंटरफ़ेस की विशेषता को नहीं बदलेगा, बल्कि केवल इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों की सांद्रता को बढ़ाएगा।
फोटोवोल्टेइक गुणों पर तापमान के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, धातु-अतिचालक प्रणाली के कैथोड पर 502 mW/cm² तीव्रता वाले नीले लेजर से विकिरण किया गया। 50 से 300 K के बीच चयनित तापमानों पर प्राप्त IV वक्र चित्र 3a में दर्शाए गए हैं। इन IV वक्रों से ओपन सर्किट वोल्टेज Voc, शॉर्ट सर्किट करंट Isc और अवकल प्रतिरोध प्राप्त किए जा सकते हैं, जिन्हें चित्र 3b में दिखाया गया है। प्रकाश प्रदीपन के बिना, विभिन्न तापमानों पर मापे गए सभी IV वक्र अपेक्षा के अनुरूप मूल बिंदु से गुजरते हैं (चित्र 3a का इनसेट)। जब प्रणाली को अपेक्षाकृत प्रबल लेजर किरण (502 mW/cm²) से प्रकाशित किया जाता है, तो तापमान बढ़ने के साथ IV विशेषताएँ तेजी से बदलती हैं। कम तापमान पर IV वक्र I-अक्ष के समानांतर सीधी रेखाएँ होती हैं, जिनमें Voc का मान ऋणात्मक होता है। यह वक्र तापमान बढ़ने के साथ ऊपर की ओर बढ़ता है और क्रांतिक तापमान Tcp पर धीरे-धीरे एक गैर-शून्य ढलान वाली रेखा में परिवर्तित हो जाता है (चित्र 3a (ऊपर))। ऐसा प्रतीत होता है कि सभी IV अभिलक्षणिक वक्र तीसरे चतुर्थांश में एक बिंदु के चारों ओर घूमते हैं। Voc ऋणात्मक मान से धनात्मक मान की ओर बढ़ता है, जबकि Isc धनात्मक मान से ऋणात्मक मान की ओर घटता है। YBCO के मूल अतिचालक संक्रमण तापमान Tc से ऊपर, IV वक्र तापमान के साथ काफी भिन्न रूप से परिवर्तित होता है (चित्र 3a का निचला भाग)। सर्वप्रथम, IV वक्रों का घूर्णन केंद्र प्रथम चतुर्थांश में चला जाता है। द्वितीय, तापमान बढ़ने के साथ Voc घटता रहता है और Isc बढ़ता रहता है (चित्र 3b का ऊपरी भाग)। तृतीय, IV वक्रों का ढलान तापमान के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है, जिसके परिणामस्वरूप YBCO के लिए प्रतिरोध का धनात्मक तापमान गुणांक प्राप्त होता है (चित्र 3b का निचला भाग)।
502 mW/cm2 लेजर रोशनी के तहत YBCO-Ag पेस्ट प्रणाली के लिए फोटोवोल्टिक विशेषताओं की तापमान निर्भरता।
लेजर स्पॉट का केंद्र कैथोड इलेक्ट्रोड के आसपास स्थित है (चित्र 1i देखें)। a, 50 से 90 K (ऊपर) और 100 से 300 K (नीचे) तक क्रमशः 5 K और 20 K के तापमान वृद्धि के साथ प्राप्त IV वक्र। इनसेट a अंधेरे में कई तापमानों पर IV विशेषताओं को दर्शाता है। सभी वक्र मूल बिंदु को पार करते हैं। b, तापमान के फलन के रूप में ओपन सर्किट वोल्टेज Voc और शॉर्ट सर्किट करंट Isc (ऊपर) और YBCO का विभेदक प्रतिरोध, dV/dI (नीचे)। शून्य प्रतिरोध अतिचालक संक्रमण तापमान Tcp नहीं दिया गया है क्योंकि यह Tc0 के बहुत करीब है।
चित्र 3b से तीन क्रांतिक तापमान पहचाने जा सकते हैं: Tcp, जिसके ऊपर YBCO गैर-अतिचालक हो जाता है; Tc0, जिस पर Voc और Isc दोनों शून्य हो जाते हैं; और Tc, लेजर विकिरण के बिना YBCO का मूल आरंभिक अतिचालक संक्रमण तापमान। Tcp (~ 55 K) से नीचे, लेजर विकिरणित YBCO अपेक्षाकृत उच्च कूपर युग्म सांद्रता के साथ अतिचालक अवस्था में होता है। लेजर विकिरण का प्रभाव फोटोवोल्टिक वोल्टेज और धारा उत्पन्न करने के साथ-साथ कूपर युग्म सांद्रता को कम करके शून्य प्रतिरोध अतिचालक संक्रमण तापमान को 89 K से घटाकर ~ 55 K (चित्र 3b का निचला भाग) करना है। तापमान बढ़ने से कूपर युग्म टूट जाते हैं जिससे इंटरफ़ेस में विभव कम हो जाता है। परिणामस्वरूप, लेजर प्रदीपन की समान तीव्रता लागू होने पर भी Voc का निरपेक्ष मान छोटा हो जाएगा। तापमान में और वृद्धि के साथ इंटरफ़ेस विभव छोटा होता जाएगा और Tc0 पर शून्य हो जाएगा। इस विशेष बिंदु पर कोई फोटोवोल्टेइक प्रभाव नहीं होता क्योंकि फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों को अलग करने के लिए कोई आंतरिक क्षेत्र मौजूद नहीं होता। इस क्रांतिक तापमान से ऊपर विभव का ध्रुवीय उत्क्रमण होता है क्योंकि Ag पेस्ट में मुक्त आवेश घनत्व YBCO की तुलना में अधिक होता है, जो धीरे-धीरे वापस p-प्रकार के पदार्थ में परिवर्तित हो जाता है। यहाँ हम इस बात पर जोर देना चाहते हैं कि Voc और Isc का ध्रुवीय उत्क्रमण शून्य प्रतिरोध अतिचालक संक्रमण के तुरंत बाद होता है, चाहे संक्रमण का कारण कुछ भी हो। यह अवलोकन पहली बार धातु-अतिचालक इंटरफ़ेस विभव से जुड़े अतिचालकता और फोटोवोल्टेइक प्रभावों के बीच संबंध को स्पष्ट रूप से प्रकट करता है। अतिचालक-सामान्य धातु इंटरफ़ेस पर इस विभव की प्रकृति पिछले कई दशकों से अनुसंधान का केंद्र रही है, लेकिन अभी भी कई सवालों के जवाब मिलना बाकी है। फोटोवोल्टेइक प्रभाव का मापन इस महत्वपूर्ण विभव के विवरण (जैसे इसकी शक्ति और ध्रुवीयता आदि) का पता लगाने का एक प्रभावी तरीका साबित हो सकता है और इस प्रकार उच्च तापमान अतिचालक निकटता प्रभाव पर प्रकाश डाल सकता है।
तापमान में Tc0 से Tc तक और वृद्धि होने पर कूपर युग्मों की सांद्रता कम हो जाती है और इंटरफ़ेस विभव में वृद्धि होती है, जिसके परिणामस्वरूप Voc का मान बढ़ जाता है। Tc पर कूपर युग्मों की सांद्रता शून्य हो जाती है और इंटरफ़ेस पर निर्मित विभव अधिकतम हो जाता है, जिसके फलस्वरूप Voc अधिकतम और Isc न्यूनतम हो जाता है। इस तापमान सीमा में Voc और Isc (निरपेक्ष मान) में तीव्र वृद्धि अतिचालक संक्रमण को दर्शाती है, जो 502 mW/cm2 की तीव्रता वाले लेजर विकिरण द्वारा ΔT ~ 3 K से ~34 K तक विस्तारित हो जाता है (चित्र 3b)। Tc से ऊपर की सामान्य अवस्थाओं में, खुला परिपथ वोल्टेज Voc तापमान के साथ घटता है (चित्र 3b का शीर्ष भाग), जो pn जंक्शनों पर आधारित सामान्य सौर कोशिकाओं के लिए Voc के रैखिक व्यवहार के समान है31,32,33। हालांकि तापमान के साथ Voc की परिवर्तन दर (−dVoc/dT), जो लेजर तीव्रता पर बहुत अधिक निर्भर करती है, सामान्य सौर कोशिकाओं की तुलना में काफी कम है, फिर भी YBCO-Ag जंक्शन के लिए Voc का तापमान गुणांक सौर कोशिकाओं के समान परिमाण का है। एक सामान्य सौर सेल उपकरण के लिए pn जंक्शन की रिसाव धारा तापमान बढ़ने के साथ बढ़ती है, जिससे तापमान बढ़ने पर Voc में कमी आती है। इस Ag-अतिचालक प्रणाली के लिए देखे गए रैखिक IV वक्र, पहले तो बहुत कम इंटरफ़ेस विभव और दूसरे दो हेटरोजंक्शनों के बैक-टू-बैक कनेक्शन के कारण, रिसाव धारा का निर्धारण करना कठिन बनाते हैं। फिर भी, यह बहुत संभव प्रतीत होता है कि रिसाव धारा की समान तापमान निर्भरता हमारे प्रयोग में देखे गए Voc व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। परिभाषा के अनुसार, Isc वह धारा है जो Voc को संतुलित करने के लिए ऋणात्मक वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए आवश्यक है ताकि कुल वोल्टेज शून्य हो जाए। जैसे-जैसे तापमान बढ़ता है, Voc कम होता जाता है, जिससे ऋणात्मक वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए कम धारा की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, Tc से ऊपर तापमान के साथ YBCO का प्रतिरोध रैखिक रूप से बढ़ता है (चित्र 3b का निचला भाग), जो उच्च तापमान पर Isc के छोटे निरपेक्ष मान में भी योगदान देता है।
ध्यान दें कि चित्र 2 और 3 में दिखाए गए परिणाम कैथोड इलेक्ट्रोड के आसपास के क्षेत्र पर लेजर विकिरण द्वारा प्राप्त किए गए हैं। एनोड पर लेजर स्पॉट लगाकर भी माप दोहराए गए हैं और समान IV विशेषताएँ और फोटोवोल्टेइक गुण देखे गए हैं, सिवाय इसके कि इस मामले में Voc और Isc की ध्रुवीयता उलट गई है। ये सभी आंकड़े फोटोवोल्टेइक प्रभाव के लिए एक तंत्र की ओर इशारा करते 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 फलन के रूप में मापा गया है। 50 से 300 K के तापमान रेंज में उल्लेखनीय फोटोवोल्टेइक प्रभाव देखा गया है। यह पाया गया है कि फोटोवोल्टेइक गुण YBCO सिरेमिक की अतिचालकता से दृढ़ता से संबंधित हैं। फोटो-प्रेरित अतिचालक से गैर-अतिचालक संक्रमण के तुरंत बाद Voc और Isc की ध्रुवीयता में परिवर्तन होता है। स्थिर लेजर तीव्रता पर मापी गई Voc और Isc की तापमान निर्भरता भी एक क्रांतिक तापमान पर एक स्पष्ट ध्रुवीयता परिवर्तन दर्शाती है, जिसके ऊपर नमूना प्रतिरोधी हो जाता है। नमूने के विभिन्न भागों में लेजर स्पॉट को रखकर, हम यह दर्शाते हैं कि इंटरफ़ेस के पार एक विद्युत विभव मौजूद है, जो फोटो-प्रेरित इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों के लिए पृथक्करण बल प्रदान करता है। यह इंटरफ़ेस विभव YBCO से धातु इलेक्ट्रोड की ओर निर्देशित होता है जब YBCO अतिचालक होता है और विपरीत दिशा में परिवर्तित हो जाता है जब नमूना गैर-अतिचालक हो जाता है। इस विभव का उद्गम स्वाभाविक रूप से धातु-अतिचालक इंटरफ़ेस पर निकटता प्रभाव से जुड़ा हो सकता है, जब YBCO अतिचालक अवस्था में होता है। 502 mW/cm² की लेज़र तीव्रता पर 50 K तापमान पर इसका मान लगभग 10⁻⁸ mV होने का अनुमान है। सामान्य अवस्था में p-प्रकार के पदार्थ YBCO का n-प्रकार के पदार्थ Ag-पेस्ट के साथ संपर्क एक अर्ध-pn जंक्शन बनाता है, जो उच्च तापमान पर YBCO सिरेमिक के फोटोवोल्टेइक व्यवहार के लिए जिम्मेदार है। उपरोक्त प्रेक्षण उच्च तापमान पर अतिचालक YBCO सिरेमिक में PV प्रभाव पर प्रकाश डालते हैं और तीव्र निष्क्रिय प्रकाश डिटेक्टर और एकल फोटॉन डिटेक्टर जैसे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में नए अनुप्रयोगों का मार्ग प्रशस्त करते हैं।
फोटोवोल्टेइक प्रभाव प्रयोग 0.52 मिमी मोटाई और 8.64 × 2.26 मिमी² आयताकार आकार के YBCO सिरेमिक नमूने पर किए गए, जिसे 1.25 मिमी त्रिज्या वाले लेजर स्पॉट आकार के साथ निरंतर तरंग नीले लेजर (λ = 450 nm) द्वारा प्रकाशित किया गया था। पतली फिल्म के बजाय थोक नमूने का उपयोग करने से हमें सब्सट्रेट के जटिल प्रभाव से निपटे बिना सुपरकंडक्टर के फोटोवोल्टेइक गुणों का अध्ययन करने में मदद मिलती है6,7। इसके अलावा, थोक सामग्री अपनी सरल तैयारी प्रक्रिया और अपेक्षाकृत कम लागत के कारण अनुकूल हो सकती है। तांबे के लीड तारों को चांदी के पेस्ट के साथ YBCO नमूने पर चिपकाया गया, जिससे लगभग 1 मिमी व्यास के चार वृत्ताकार इलेक्ट्रोड बने। दो वोल्टेज इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी लगभग 5 मिमी है। नमूने की IV विशेषताओं को क्वार्ट्ज क्रिस्टल विंडो वाले वाइब्रेशन सैंपल मैग्नेटोमीटर (VersaLab, Quantum Design) का उपयोग करके मापा गया। IV वक्र प्राप्त करने के लिए मानक चार-तार विधि का उपयोग किया गया। इलेक्ट्रोड और लेजर स्पॉट की सापेक्ष स्थिति चित्र 1i में दिखाई गई है।
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इस कार्य को चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान संख्या 60571063) और चीन के हेनान प्रांत की मौलिक अनुसंधान परियोजनाओं (अनुदान संख्या 122300410231) द्वारा समर्थित किया गया है।
एफवाई ने शोधपत्र 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 का नेतृत्व किया और आंकड़ों की वैज्ञानिक व्याख्या की। सभी लेखकों ने पांडुलिपि की समीक्षा की।
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यांग, एफ., हान, एम. और चांग, एफ. अतिचालक YBa2Cu3O6.96 सिरेमिक में फोटोवोल्टिक प्रभाव की उत्पत्ति। साइंटिफिक रिपोर्ट 5, 11504 (2015)। https://doi.org/10.1038/srep11504
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पोस्ट करने का समय: 22 अप्रैल 2020