Podrijetlo fotonaponskog efekta u supravodljivoj YBa2Cu3O6.96 keramici

Hvala vam što ste posjetili nature.com. Koristite verziju preglednika s ograničenom podrškom za CSS. Za najbolje iskustvo preporučujemo korištenje novije verzije preglednika (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.

Izvještavamo o izvanrednom fotonaponskom efektu u YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramici između 50 i 300 K induciranom osvjetljavanjem plavim laserom, koji je izravno povezan sa supravodljivošću YBCO-a i granicom YBCO-metalna elektroda. Dolazi do promjene polariteta za napon otvorenog kruga Voc i struju kratkog spoja Isc kada YBCO prolazi kroz prijelaz iz supravodljivog u otporno stanje. Pokazujemo da postoji električni potencijal preko granice supravodič-normalni metal, koji osigurava silu razdvajanja za fotoinducirane parove elektron-šupljina. Ovaj potencijal granice usmjerava se od YBCO-a prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada YBCO postane nesupravodljiv. Podrijetlo potencijala može se lako povezati s efektom blizine na granici metal-supravodić kada je YBCO supravodljiv, a njegova vrijednost se procjenjuje na ~10–8 mV pri 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kombinacija YBCO materijala p-tipa u normalnom stanju s Ag-pastom n-tipa tvori kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naši nalazi mogli bi utrti put novim primjenama fotonsko-elektronskih uređaja i dodatno osvijetliti efekt blizine na granici supravodiča i metala.

Fotoinducirani napon u visokotemperaturnim supravodičima zabilježen je početkom 1990-ih i od tada se opsežno istražuje, no njegova priroda i mehanizam ostaju nerazjašnjeni1,2,3,4,5. Tanki filmovi YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, posebno se intenzivno proučavaju u obliku fotonaponskih (PV) ćelija zbog svog podesivog energetskog jaza9,10,11,12,13. Međutim, visoki otpor podloge uvijek dovodi do niske učinkovitosti pretvorbe uređaja i maskira primarna PV svojstva YBCO8. Ovdje izvještavamo o izvanrednom fotonaponskom efektu induciranom osvjetljavanjem plavim laserom (λ = 450 nm) u keramici YBa2Cu3O6.96 (YBCO) između 50 i 300 K (Tc ~ 90 K). Pokazujemo da je PV efekt izravno povezan sa supravodljivošću YBCO i prirodom YBCO-metalne elektrode. Dolazi do promjene polariteta napona otvorenog kruga Voc i struje kratkog spoja Isc kada YBCO prijeđe iz supravodljive faze u otporno stanje. Pretpostavlja se da postoji električni potencijal na granici supravodič-normalni metal, koji osigurava silu razdvajanja za fotoinducirane parove elektron-šupljina. Ovaj potencijal granice usmjerava se od YBCO prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada uzorak postane nesupravodljiv. Podrijetlo potencijala može se prirodno povezati s efektom blizine14,15,16,17 na granici metal-supravodič kada je YBCO supravodljiv, a njegova vrijednost se procjenjuje na ~10−8 mV pri 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kombinacija p-tipa materijala YBCO u normalnom stanju s n-tipom Ag-paste najvjerojatnije tvori kvazi-pn spoj koji je odgovoran za PV ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naša opažanja dodatno su rasvijetlila podrijetlo PV efekta u visokotemperaturnoj supravodljivoj YBCO keramici i utrla put njegovoj primjeni u optoelektroničkim uređajima poput brzog pasivnog detektora svjetlosti itd.

Slika 1a–c prikazuje IV karakteristike YBCO keramičkog uzorka na 50 K. Bez osvjetljenja svjetlom, napon na uzorku ostaje na nuli s promjenom struje, što se može očekivati ​​od supravodljivog materijala. Očiti fotonaponski efekt pojavljuje se kada je laserska zraka usmjerena na katodu (slika 1a): IV krivulje paralelne s I-osi pomiču se prema dolje s povećanjem intenziteta lasera. Očito je da postoji negativni fotoinducirani napon čak i bez ikakve struje (često se naziva napon otvorenog kruga Voc). Nulta vrijednost nagiba IV krivulje ukazuje na to da je uzorak još uvijek supravodljiv pod laserskim osvjetljenjem.

(a–c) i 300 K (e–g). Vrijednosti V(I) dobivene su pomicanjem struje od −10 mA do +10 mA u vakuumu. Radi jasnoće prikazan je samo dio eksperimentalnih podataka. a, Karakteristike strujno-naponskog odnosa YBCO-a izmjerene s laserskom točkom postavljenom na katodi (i). Sve IV krivulje su horizontalne ravne linije što ukazuje na to da je uzorak još uvijek supravodljiv s laserskim zračenjem. Krivulja se pomiče prema dolje s povećanjem intenziteta lasera, što ukazuje na to da postoji negativni potencijal (Voc) između dva naponska vodiča čak i s nultom strujom. IV krivulje ostaju nepromijenjene kada je laser usmjeren u središte uzorka na 50 K (b) ili 300 K (f). Horizontalna linija se pomiče prema gore kako je anoda osvijetljena (c). Shematski model spoja metal-supravodič na 50 K prikazan je u d. Karakteristike strujno-naponskog odnosa YBCO-a u normalnom stanju na 300 K izmjerene s laserskom zrakom usmjerenom na katodu i anodu dane su u e i g. Za razliku od rezultata na 50 K, nagib ravnih linija koji nije jednak nuli ukazuje na to da je YBCO u normalnom stanju; vrijednosti Voc variraju s intenzitetom svjetlosti u suprotnom smjeru, što ukazuje na drugačiji mehanizam odvajanja naboja. Moguća struktura površine na 300 K prikazana je na hj. Stvarna slika uzorka s izvodima.

YBCO bogat kisikom u supravodljivom stanju može apsorbirati gotovo cijeli spektar sunčeve svjetlosti zbog svog vrlo malog energetskog jaza (Eg)9,10, stvarajući time parove elektron-šupljina (e–h). Da bi se proizveo napon otvorenog kruga Voc apsorpcijom fotona, potrebno je prostorno odvojiti fotogenerirane eh parove prije nego što dođe do rekombinacije18. Negativni Voc, u odnosu na katodu i anodu, kao što je prikazano na slici 1i, sugerira da postoji električni potencijal preko metalno-supravodičkog sučelja, koji usmjerava elektrone prema anodi, a šupljine prema katodi. Ako je to slučaj, trebao bi postojati i potencijal usmjeren od supravodiča prema metalnoj elektrodi na anodi. Posljedično, pozitivan Voc bi se dobio ako je područje uzorka blizu anode osvijetljeno. Nadalje, ne bi trebalo biti fotoinduciranih napona kada je laserska točka usmjerena prema područjima daleko od elektroda. To je svakako slučaj, kao što se može vidjeti na slici 1b,c!.

Kada se svjetlosna točka pomiče od katodne elektrode do središta uzorka (oko 1,25 mm od granica granica), ne može se uočiti promjena IV krivulja niti Voc s povećanjem intenziteta lasera do maksimalne dostupne vrijednosti (slika 1b). Naravno, ovaj rezultat može se pripisati ograničenom vijeku trajanja fotoinduciranih nositelja i nedostatku sile razdvajanja u uzorku. Elektronsko-šupljinski parovi mogu se stvoriti kad god je uzorak osvijetljen, ali većina e-h parova bit će anihilirana i ne opaža se fotonaponski efekt ako laserska točka padne na područja daleko od bilo koje od elektroda. Pomicanjem laserske točke prema anodnim elektrodama, IV krivulje paralelne s I-osi pomiču se prema gore s povećanjem intenziteta lasera (slika 1c). Slično ugrađeno električno polje postoji u spoju metal-supravodič na anodi. Međutim, metalna elektroda se ovaj put spaja na pozitivni priključak ispitnog sustava. Šupljine koje proizvodi laser guraju se na anodni priključak i stoga se opaža pozitivni Voc. Ovdje predstavljeni rezultati pružaju snažne dokaze da doista postoji međufazni potencijal usmjeren od supravodiča prema metalnoj elektrodi.

Fotonaponski efekt u YBa2Cu3O6.96 keramici na 300 K prikazan je na slici 1e–g. Bez osvjetljenja svjetlom, IV krivulja uzorka je pravac koji presijeca ishodište. Ovaj pravac se pomiče prema gore paralelno s izvornikom s povećanjem intenziteta lasera koji zrači na katodne vodove (slika 1e). Postoje dva granična slučaja od interesa za fotonaponski uređaj. Stanje kratkog spoja nastaje kada je V = 0. Struja se u ovom slučaju naziva struja kratkog spoja (Isc). Drugi granični slučaj je stanje otvorenog kruga (Voc) koje se javlja kada je R→∞ ili je struja nula. Slika 1e jasno pokazuje da je Voc pozitivan i raste s povećanjem intenziteta svjetlosti, za razliku od rezultata dobivenog na 50 K; dok se opaža povećanje negativne Isc s osvjetljenjem svjetlom, što je tipično ponašanje normalnih solarnih ćelija.

Slično tome, kada je laserska zraka usmjerena prema područjima daleko od elektroda, V(I) krivulja je neovisna o intenzitetu lasera i ne pojavljuje se fotonaponski efekt (slika 1f). Slično mjerenju na 50 K, IV krivulje se pomiču u suprotnom smjeru kako se anodna elektroda ozračuje (slika 1g). Svi ovi rezultati dobiveni za ovaj YBCO-Ag pasta sustav na 300 K s laserom ozračenim na različitim položajima uzorka u skladu su s potencijalom površine suprotnim onome uočenom na 50 K.

Većina elektrona kondenzira se u Cooperovim parovima u supravodljivom YBCO-u ispod njegove temperature prijelaza Tc. Dok su u metalnoj elektrodi, svi elektroni ostaju u singularnom obliku. Postoji veliki gradijent gustoće i za singularne elektrone i za Cooperove parove u blizini metal-supravodičke granice. Singularni elektroni s većinskim nosiocima u metalnom materijalu difundiraju u područje supravodiča, dok će Cooperovi parovi s većinskim nosiocima u YBCO području difundirati u metalno područje. Kako Cooperovi parovi s više naboja i većom pokretljivošću od singularnih elektrona difundiraju iz YBCO-a u metalno područje, pozitivno nabijeni atomi ostaju, što rezultira električnim poljem u području prostornog naboja. Smjer ovog električnog polja prikazan je na shematskom dijagramu, sl. 1d. Upadno osvjetljenje fotona u blizini područja prostornog naboja može stvoriti eh parove koji će se odvojiti i izbaciti, stvarajući fotostruju u smjeru obrnutog napona. Čim elektroni izađu iz ugrađenog električnog polja, kondenziraju se u parove i teku prema drugoj elektrodi bez otpora. U ovom slučaju, Voc je suprotan unaprijed postavljenom polaritetu i prikazuje negativnu vrijednost kada laserska zraka usmjeri područje oko negativne elektrode. Iz vrijednosti Voc može se procijeniti potencijal na granici: udaljenost između dva naponska vodiča d je ~5 × 10⁻³ m, debljina granice metal-supravodič, di, trebala bi biti istog reda veličine kao i koherentna duljina YBCO supravodiča (~1 nm)19,20, uzmite vrijednost Voc = 0,03 mV, potencijal Vms na granici metal-supravodič procjenjuje se na ~10⁻¹11 V pri 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm², korištenjem jednadžbe,

Ovdje želimo naglasiti da se fotoinducirani napon ne može objasniti fototermičkim efektom. Eksperimentalno je utvrđeno da je Seebeckov koeficijent supravodiča YBCO Ss = 021. Seebeckov koeficijent za bakrene olovne žice je u rasponu od SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperatura bakrene žice na laserskoj točki može se povisiti za malu količinu od 0,06 K s maksimalnim laserskim intenzitetom dostupnim na 50 K. To bi moglo proizvesti termoelektrični potencijal od 6,9 × 10−8 V, što je tri reda veličine manje od Voc dobivenog na slici 1 (a). Očito je da je termoelektrični efekt premalen da bi se objasnili eksperimentalni rezultati. Zapravo, promjena temperature zbog laserskog zračenja nestala bi za manje od jedne minute tako da se doprinos toplinskog efekta može sigurno zanemariti.

Ovaj fotonaponski efekt YBCO-a na sobnoj temperaturi otkriva da je ovdje uključen drugačiji mehanizam odvajanja naboja. Supravodljivi YBCO u normalnom stanju je materijal p-tipa s rupicama kao nosiocem naboja22,23, dok metalna Ag-pasta ima karakteristike materijala n-tipa. Slično pn spojevima, difuzija elektrona u srebrnoj pasti i rupica u YBCO keramici formirat će unutarnje električno polje usmjereno prema YBCO keramici na granici granica (slika 1h). Upravo to unutarnje polje osigurava silu odvajanja i dovodi do pozitivnog Voc i negativnog Isc za sustav YBCO-Ag paste na sobnoj temperaturi, kao što je prikazano na slici 1e. Alternativno, Ag-YBCO mogao bi formirati Schottky spoj p-tipa koji također dovodi do potencijala granice granica s istim polaritetom kao u gore predstavljenom modelu24.

Kako bi se istražio detaljan proces evolucije fotonaponskih svojstava tijekom supravodljivog prijelaza YBCO-a, izmjerene su IV krivulje uzorka na 80 K s odabranim intenzitetima lasera koji osvjetljavaju katodnu elektrodu (slika 2). Bez laserskog zračenja, napon na uzorku ostaje na nuli bez obzira na struju, što ukazuje na supravodljivo stanje uzorka na 80 K (slika 2a). Slično podacima dobivenim na 50 K, IV krivulje paralelne s I-osi pomiču se prema dolje s povećanjem intenziteta lasera dok se ne dosegne kritična vrijednost Pc. Iznad ovog kritičnog intenziteta lasera (Pc), supravodič prolazi kroz prijelaz iz supravodljive faze u otpornu fazu; napon počinje rasti sa strujom zbog pojave otpora u supravodiču. Kao rezultat toga, IV krivulja počinje se sijeći s I-osi i V-osi, što u početku dovodi do negativnog Voc i pozitivnog Isc. Sada se čini da je uzorak u posebnom stanju u kojem je polaritet Voc i Isc izuzetno osjetljiv na intenzitet svjetlosti; S vrlo malim povećanjem intenziteta svjetlosti, Isc se pretvara iz pozitivne u negativnu, a Voc iz negativne u pozitivnu vrijednost, prolazeći ishodište (visoka osjetljivost fotonaponskih svojstava, posebno vrijednosti Isc, na svjetlosnu osvjetljenost može se jasnije vidjeti na slici 2b). Pri najvećem dostupnom intenzitetu lasera, IV krivulje trebaju biti paralelne jedna s drugom, što označava normalno stanje YBCO uzorka.

Središte laserske točke smješteno je oko katodnih elektroda (vidi sliku 1i). a, IV krivulje YBCO ozračenih različitim intenzitetima lasera. b (gore), Ovisnost intenziteta lasera o naponu otvorenog kruga Voc i struji kratkog spoja Isc. Vrijednosti Isc ne mogu se dobiti pri niskom intenzitetu svjetlosti (< 110 mW/cm2) jer su IV krivulje paralelne s I-osi kada je uzorak u supravodljivom stanju. b (dolje), diferencijalni otpor kao funkcija intenziteta lasera.

Ovisnost Voc i Isc o intenzitetu lasera na 80 K prikazana je na slici 2b (gore). Fotonaponska svojstva mogu se raspravljati u tri područja intenziteta svjetlosti. Prvo područje je između 0 i Pc, u kojem je YBCO supravodljiv, Voc je negativan i smanjuje se (apsolutna vrijednost raste) s intenzitetom svjetlosti te doseže minimum na Pc. Drugo područje je od Pc do drugog kritičnog intenziteta P0, u kojem Voc raste, dok Isc opada s povećanjem intenziteta svjetlosti i oba dosežu nulu na P0. Treće područje je iznad P0 dok se ne postigne normalno stanje YBCO-a. Iako se i Voc i Isc mijenjaju s intenzitetom svjetlosti na isti način kao u području 2, imaju suprotan polaritet iznad kritičnog intenziteta P0. Značaj P0 leži u tome što nema fotonaponskog efekta i mehanizam razdvajanja naboja se kvalitativno mijenja u ovoj određenoj točki. Uzorak YBCO postaje ne-supravodljiv u ovom rasponu intenziteta svjetlosti, ali normalno stanje tek treba biti postignuto.

Jasno je da su fotonaponske karakteristike sustava usko povezane sa supravodljivošću YBCO-a i njegovim supravodljivim prijelazom. Diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO-a prikazan je na slici 2b (dolje) kao funkcija intenziteta lasera. Kao što je već spomenuto, izgrađeni električni potencijal na granici zbog difuzije Cooperovih parova pokazuje od supravodiča prema metalu. Slično onome uočenom na 50 K, fotonaponski efekt se pojačava s povećanjem intenziteta lasera od 0 do Pc. Kada intenzitet lasera dosegne vrijednost malo iznad Pc, IV krivulja se počinje naginjati i otpor uzorka počinje se pojavljivati, ali polaritet potencijala granice granice se još ne mijenja. Učinak optičke pobude na supravodljivost istražen je u vidljivom ili bliskom infracrvenom području. Dok je osnovni proces razbijanje Cooperovih parova i uništavanje supravodljivosti25,26, u nekim slučajevima prijelaz u supravodljivost može se pojačati27,28,29, a mogu se čak i inducirati nove faze supravodljivosti30. Odsutnost supravodljivosti na Pc može se pripisati fotoinduciranom prekidu para. U točki P0, potencijal na granici postaje nula, što ukazuje da gustoća naboja na obje strane granice dostiže istu razinu pod ovim određenim intenzitetom svjetlosnog osvjetljenja. Daljnje povećanje intenziteta lasera rezultira uništavanjem više Cooperovih parova i YBCO se postupno transformira natrag u materijal p-tipa. Umjesto difuzije elektrona i Cooperovih parova, značajka granice sada je određena difuzijom elektrona i šupljina što dovodi do promjene polariteta električnog polja na granici i posljedično pozitivnog Voc (usporedi sliku 1d,h). Pri vrlo visokom intenzitetu lasera, diferencijalni otpor YBCO-a zasićuje se na vrijednost koja odgovara normalnom stanju, a i Voc i Isc imaju tendenciju linearnog mijenjanja s intenzitetom lasera (slika 2b). Ovo opažanje otkriva da lasersko zračenje na YBCO u normalnom stanju više neće mijenjati njegov otpor i značajku granice supravodič-metal, već će samo povećati koncentraciju elektron-šupljina.

Kako bi se istražio utjecaj temperature na fotonaponska svojstva, sustav metal-supravodič ozračen je na katodi plavim laserom intenziteta 502 mW/cm2. IV krivulje dobivene na odabranim temperaturama između 50 i 300 K prikazane su na slici 3a. Napon otvorenog kruga Voc, struja kratkog spoja Isc i diferencijalni otpor mogu se zatim dobiti iz ovih IV krivulja i prikazani su na slici 3b. Bez osvjetljenja svjetlom, sve IV krivulje izmjerene na različitim temperaturama prolaze ishodište kako se i očekivalo (umetnuti dio slike 3a). IV karakteristike se drastično mijenjaju s porastom temperature kada je sustav osvijetljen relativno jakim laserskim snopom (502 mW/cm2). Na niskim temperaturama IV krivulje su ravne linije paralelne s I-osi s negativnim vrijednostima Voc. Ova krivulja se pomiče prema gore s porastom temperature i postupno se pretvara u liniju s nagibom različitim od nule na kritičnoj temperaturi Tcp (slika 3a (gore)). Čini se da se sve IV karakteristične krivulje rotiraju oko točke u trećem kvadrantu. Voc se povećava od negativne do pozitivne vrijednosti, dok se Isc smanjuje od pozitivne do negativne vrijednosti. Iznad početne temperature supravodljivog prijelaza Tc YBCO-a, IV krivulja se prilično različito mijenja s temperaturom (dolje slike 3a). Prvo, središte rotacije IV krivulja pomiče se u prvi kvadrant. Drugo, Voc se nastavlja smanjivati, a Isc se povećava s porastom temperature (gornje slike 3b). Treće, nagib IV krivulja linearno se povećava s temperaturom što rezultira pozitivnim temperaturnim koeficijentom otpora za YBCO (dolje slike 3b).

Temperaturna ovisnost fotonaponskih karakteristika za YBCO-Ag pasta sustav pod laserskim osvjetljenjem od 502 mW/cm2.

Središte laserske točke smješteno je oko katodnih elektroda (vidi sliku 1i). a, IV krivulje dobivene od 50 do 90 K (gore) i od 100 do 300 K (dolje) s temperaturnim korakom od 5 K odnosno 20 K. Umetak a prikazuje IV karakteristike na nekoliko temperatura u mraku. Sve krivulje sijeku početnu točku. b, napon otvorenog kruga Voc i struja kratkog spoja Isc (gore) te diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO-a (dolje) kao funkcija temperature. Temperatura prijelaza u supravodljivo stanje s nultim otporom Tcp nije navedena jer je preblizu Tc0.

Na slici 3b mogu se prepoznati tri kritične temperature: Tcp, iznad koje YBCO postaje nesupravodljiv; Tc0, pri kojoj i Voc i Isc postaju nula i Tc, izvorna početna temperatura supravodljivog prijelaza YBCO bez laserskog zračenja. Ispod Tcp ~ 55 K, laserski ozračeni YBCO je u supravodljivom stanju s relativno visokom koncentracijom Cooperovih parova. Učinak laserskog zračenja je smanjenje temperature supravodljivog prijelaza s nultim otporom s 89 K na ~55 K (dolje slike 3b) smanjenjem koncentracije Cooperovih parova, uz stvaranje fotonaponskog napona i struje. Povećanje temperature također razgrađuje Cooperove parove, što dovodi do nižeg potencijala na granici faza. Posljedično, apsolutna vrijednost Voc će postati manja, iako se primjenjuje isti intenzitet laserskog osvjetljenja. Potencijal na granici faza će postajati sve manji s daljnjim porastom temperature i dostići će nulu pri Tc0. U ovoj posebnoj točki nema fotonaponskog efekta jer ne postoji unutarnje polje koje bi odvajalo fotoinducirane parove elektrona i šupljine. Do promjene polariteta potencijala dolazi iznad ove kritične temperature jer je gustoća slobodnog naboja u Ag pasti veća od one u YBCO-u, koji se postupno prenosi natrag u materijal p-tipa. Ovdje želimo naglasiti da se promjena polariteta Voc i Isc događa odmah nakon supravodljivog prijelaza s nultim otporom, bez obzira na uzrok prijelaza. Ovo opažanje jasno otkriva, po prvi put, korelaciju između supravodljivosti i fotonaponskih efekata povezanih s potencijalom granice metal-supravodič. Priroda ovog potencijala na granici supravodič-normalni metal bila je fokus istraživanja posljednjih nekoliko desetljeća, ali još uvijek postoje mnoga pitanja na koja treba odgovoriti. Mjerenje fotonaponskog efekta moglo bi se pokazati učinkovitom metodom za istraživanje detalja (kao što su njegova jakost i polaritet itd.) ovog važnog potencijala i stoga osvijetliti efekt blizine visokotemperaturnog supravodiča.

Daljnje povećanje temperature od Tc0 do Tc dovodi do manje koncentracije Cooperovih parova i povećanja potencijala na granici, a posljedično i većeg Voc. Pri Tc koncentracija Cooperovih parova postaje nula, a potencijal na granici dostiže maksimum, što rezultira maksimalnim Voc i minimalnim Isc. Brzi porast Voc i Isc (apsolutna vrijednost) u ovom temperaturnom rasponu odgovara supravodljivom prijelazu koji se proširuje od ΔT ~ 3 K do ~34 K laserskim zračenjem intenziteta 502 mW/cm2 (slika 3b). U normalnim stanjima iznad Tc, napon otvorenog kruga Voc smanjuje se s temperaturom (vrh slike 3b), slično linearnom ponašanju Voc za normalne solarne ćelije temeljene na pn spojevima31,32,33. Iako je brzina promjene Voc s temperaturom (−dVoc/dT), koja snažno ovisi o intenzitetu lasera, mnogo manja od one kod normalnih solarnih ćelija, temperaturni koeficijent Voc za YBCO-Ag spoj ima isti red veličine kao i kod solarnih ćelija. Struja curenja pn spoja za normalni solarni uređaj povećava se s porastom temperature, što dovodi do smanjenja Voc kako temperatura raste. Linearne IV krivulje uočene za ovaj Ag-supravodički sustav, prvo zbog vrlo malog potencijala međupovršine, a drugo zbog veze leđa uz leđa dvaju heterospojeva, otežavaju određivanje struje curenja. Ipak, čini se vrlo vjerojatnim da je ista temperaturna ovisnost struje curenja odgovorna za ponašanje Voc uočeno u našem eksperimentu. Prema definiciji, Isc je struja potrebna za stvaranje negativnog napona kako bi se kompenzirao Voc tako da ukupni napon bude nula. Kako temperatura raste, Voc postaje manji tako da je potrebno manje struje za stvaranje negativnog napona. Nadalje, otpor YBCO-a linearno se povećava s temperaturom iznad Tc (dolje slike 3b), što također doprinosi manjoj apsolutnoj vrijednosti Isc na visokim temperaturama.

Treba napomenuti da su rezultati prikazani na slikama 2 i 3 dobiveni laserskim ozračivanjem područja oko katodnih elektroda. Mjerenja su također ponovljena s laserskom točkom postavljenom na anodi i uočene su slične IV karakteristike i fotonaponska svojstva, osim što je u ovom slučaju polaritet Voc i Isc obrnut. Svi ovi podaci dovode do mehanizma fotonaponskog efekta, koji je usko povezan s granicom supravodič-metal.

Ukratko, IV karakteristike laserski ozračenog supravodljivog YBCO-Ag pastnog sustava izmjerene su kao funkcije temperature i intenziteta lasera. Značajan fotonaponski efekt uočen je u temperaturnom rasponu od 50 do 300 K. Utvrđeno je da fotonaponska svojstva snažno koreliraju sa supravodljivošću YBCO keramike. Promjena polariteta Voc i Isc događa se odmah nakon fotoinduciranog prijelaza iz supravodljivog u nesupravodljivo stanje. Temperaturna ovisnost Voc i Isc izmjerena pri fiksnom intenzitetu lasera također pokazuje izrazitu promjenu polariteta na kritičnoj temperaturi iznad koje uzorak postaje otporan. Postavljanjem laserske točke na različite dijelove uzorka, pokazujemo da postoji električni potencijal preko granice površine, koji osigurava silu razdvajanja za fotoinducirane parove elektron-šupljina. Ovaj potencijal granice površine usmjerava se od YBCO prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada uzorak postane nesupravodljiv. Podrijetlo potencijala može se prirodno povezati s efektom blizine na granici metal-supravodič kada je YBCO supravodljiv, a procjenjuje se na ~10−8 mV pri 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kontakt p-tipa materijala YBCO u normalnom stanju s n-tipom Ag-paste tvori kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Gornja zapažanja osvjetljavaju PV efekt u visokotemperaturnoj supravodljivoj YBCO keramici i otvaraju put novim primjenama u optoelektroničkim uređajima kao što su brzi pasivni detektor svjetlosti i detektor jednog fotona.

Eksperimenti fotonaponskog efekta provedeni su na YBCO keramičkom uzorku debljine 0,52 mm i pravokutnog oblika dimenzija 8,64 × 2,26 mm2, osvijetljenom kontinuiranim plavim laserom (λ = 450 nm) s veličinom laserske točke radijusa 1,25 mm. Korištenje rasutog, a ne tankog filma uzorka omogućuje nam proučavanje fotonaponskih svojstava supravodiča bez potrebe za suočavanjem sa složenim utjecajem podloge6,7. Štoviše, rasuti materijal mogao bi biti pogodan zbog jednostavnog postupka pripreme i relativno niske cijene. Bakrene žice su koherentne na YBCO uzorku sa srebrnom pastom, tvoreći četiri kružne elektrode promjera oko 1 mm. Udaljenost između dvije naponske elektrode je oko 5 mm. IV karakteristike uzorka mjerene su pomoću vibracijskog magnetometra za uzorak (VersaLab, Quantum Design) s kvarcnim kristalnim prozorom. Za dobivanje IV krivulja korištena je standardna metoda s četiri žice. Relativni položaji elektroda i laserske točke prikazani su na slici 1i.

Kako citirati ovaj članak: Yang, F. i dr. Podrijetlo fotonaponskog efekta u supravodljivoj YBa2Cu3O6.96 keramici. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG i Testardi, LR Simetrijom zabranjeni laserski inducirani naponi u YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP i Dong, SY Podrijetlo anomalnog fotonaponskog signala u Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR i Wang, GW Mjerenje laserski induciranih napona supravodljivog Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL i dr. Tranzijentni laserski inducirani naponi u filmovima YBa2Cu3O7-x na sobnoj temperaturi. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS i Zheng, JP Anomalni fotonaponski odziv u YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. i Hiroi, Z. Ubrizgavanje fotogeneriranog nosioca šupljina u YBa2Cu3O7−x u oksidnoj heterostrukturi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. i dr. Studija fotoemisije tankih filmova YBa2Cu3Oy pod svjetlosnim osvjetljenjem. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. i dr. Fotonaponski učinak heterospoja YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb žarenog pri različitim parcijalnim tlakovima kisika. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA i dr. Dvostruka struktura u monokristalima Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. i Mihailović, D. Dinamika relaksacije kvazičestica u supravodičima s različitim strukturama procjepa: Teorija i eksperimenti na YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ i Shen, BG Ispravljačka svojstva heterospoja YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL i Tanner, DB Eksitonska apsorpcija i supravodljivost u YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ i Stucky, G. Tranzijentna fotoinducirana vodljivost u poluvodičkim monokristalima YBa2Cu3O6.3: potraga za fotoinduciranim metalnim stanjem i za fotoinduciranom supravodljivošću. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Tunelski model efekta supravodljive blizine. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. i dr. Učinak supravodljive blizine ispitan na mezoskopskoj skali duljine. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. i Manske, D. Učinak blizine kod necentrosimetričnih supravodiča. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM i dr. Snažan efekt supravodljive blizine u hibridnim strukturama Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS i Pearson, GL Nova silicijska pn spojna fotoćelija za pretvaranje sunčevog zračenja u električnu energiju. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Utjecaj nečistoća na duljinu supravodljive koherencije u monokristalima YBa2Cu3O6.9 dopiranim Zn ili Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. i Segawa, K. Magnetorezistencija monokristala YBa2Cu3Oy bez dvojnika u širokom rasponu dopiranja: anomalna ovisnost koherentne duljine o dopiranju rupa. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD i Cooper, JR Sustavnost termoelektrične snage oksida visoke temperature. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. i dr. Pomak momenta koherentnog vrha i LO fononski mod ovisan o gustoći nosioca u p-tipskim visokoTc supravodičima. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. i dr. Redukcija šupljina i akumulacija elektrona u tankim filmovima YBa2Cu3Oy korištenjem elektrokemijske tehnike: Dokazi za metalno stanje n-tipa. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fizika i kemija visine Schottkyjeve barijere. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. i Langenberg, DN Učinci dinamičkog prekida vanjskog para u supravodljivim filmovima. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. i dr. Fotoinducirano pojačanje supravodljivosti. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI i dr. Trajna fotovodljivost u filmovima YBa2Cu3O6+x kao metoda fotodopiranja prema metalnim i supravodljivim fazama. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. i dr. Nelinearna dinamika rešetke kao osnova za poboljšanu supravodljivost u YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. i dr. Svjetlom inducirana supravodljivost u prugasto uređenom kupratu. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK i Al-Nuaim, IA. Temperaturna funkcionalna ovisnost hlapljivih organskih spojeva (VOC) za solarnu ćeliju u odnosu na njezinu učinkovitost, novi pristup. Desalinacija 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM i Anderson, WA Utjecaji temperature u Schottky-barijernim silicijskim solarnim ćelijama. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. i Tuladhar, SM Temperaturna ovisnost parametara fotonaponskih uređaja solarnih ćelija od polimera i fulerena u radnim uvjetima. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Ovaj rad je podržan od strane Nacionalne zaklade za prirodne znanosti Kine (br. potpore 60571063), Temeljnih istraživačkih projekata provincije Henan, Kina (br. potpore 122300410231).

FY je napisao tekst rada, a MYH je pripremio YBCO keramički uzorak. FY i MYH su proveli eksperiment i analizirali rezultate. FGC je vodio projekt i znanstvenu interpretaciju podataka. Svi autori su pregledali rukopis.

Ovo djelo je licencirano pod međunarodnom licencom Creative Commons Attribution 4.0. Slike ili drugi materijal treće strane u ovom članku uključeni su u licencu Creative Commons za članak, osim ako nije drugačije naznačeno u zaslugama; ako materijal nije uključen pod licencu Creative Commons, korisnici će morati dobiti dopuštenje od nositelja licence za reprodukciju materijala. Za pregled kopije ove licence posjetite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. i Chang, F. Podrijetlo fotonaponskog efekta u supravodljivoj YBa2Cu3O6.96 keramici. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Slanjem komentara pristajete na naše Uvjete i Smjernice zajednice. Ako pronađete nešto uvredljivo ili što nije u skladu s našim uvjetima ili smjernicama, označite to kao neprikladno.