Terima kasih telah mengunjungi nature.com. Anda menggunakan versi peramban dengan dukungan CSS yang terbatas. Untuk mendapatkan pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan peramban yang lebih mutakhir (atau matikan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Kami melaporkan efek fotovoltaik yang luar biasa pada keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K yang diinduksi oleh iluminasi laser biru, yang secara langsung terkait dengan superkonduktivitas YBCO dan antarmuka elektroda logam-YBCO. Terjadi pembalikan polaritas untuk tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus rangkaian pendek Isc ketika YBCO mengalami transisi dari keadaan superkonduktor ke keadaan resistif. Kami menunjukkan bahwa terdapat potensial listrik di seluruh antarmuka superkonduktor-logam normal, yang memberikan gaya pemisahan untuk pasangan elektron-lubang yang diinduksi oleh foton. Potensial antarmuka ini mengarah dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO bersifat superkonduktor dan beralih ke arah yang berlawanan ketika YBCO menjadi non-superkonduktor. Asal muasal potensial tersebut dapat dengan mudah dikaitkan dengan efek kedekatan pada antarmuka logam-superkonduktor ketika YBCO bersifat superkonduktor dan nilainya diperkirakan sekitar ~10–8 mV pada suhu 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi material tipe-p YBCO dalam keadaan normal dengan material tipe-n pasta Ag membentuk sambungan quasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku fotovoltaik keramik YBCO pada suhu tinggi. Temuan kami dapat membuka jalan bagi aplikasi baru perangkat fotoelektronik dan memberikan penjelasan lebih lanjut tentang efek kedekatan pada antarmuka superkonduktor-logam.
Tegangan yang diinduksi oleh cahaya pada superkonduktor suhu tinggi telah dilaporkan pada awal tahun 1990-an dan telah banyak diteliti sejak saat itu, namun sifat dan mekanismenya masih belum jelas1,2,3,4,5. Film tipis YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, khususnya, banyak dipelajari dalam bentuk sel fotovoltaik (PV) karena celah energinya yang dapat disesuaikan9,10,11,12,13. Namun, resistansi substrat yang tinggi selalu menyebabkan efisiensi konversi perangkat yang rendah dan menutupi sifat PV utama YBCO8. Di sini kami melaporkan efek fotovoltaik yang luar biasa yang diinduksi oleh iluminasi laser biru (λ = 450 nm) pada keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K (Tc ~ 90 K). Kami menunjukkan bahwa efek PV berhubungan langsung dengan superkonduktivitas YBCO dan sifat antarmuka elektroda logam-YBCO. Terjadi pembalikan polaritas pada tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus rangkaian pendek Isc ketika YBCO mengalami transisi dari fase superkonduktor ke keadaan resistif. Diusulkan bahwa terdapat potensial listrik di sepanjang antarmuka superkonduktor-logam normal, yang memberikan gaya pemisahan untuk pasangan elektron-lubang yang diinduksi foto. Potensial antarmuka ini mengarah dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO bersifat superkonduktor dan beralih ke arah sebaliknya ketika sampel menjadi non-superkonduktor. Asal potensial tersebut mungkin secara alami terkait dengan efek proksimitas14,15,16,17 pada antarmuka logam-superkonduktor ketika YBCO bersifat superkonduktor dan nilainya diperkirakan sekitar ~10−8 mV pada 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi material tipe-p YBCO dalam keadaan normal dengan material tipe-n pasta Ag kemungkinan besar membentuk sambungan quasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku PV keramik YBCO pada suhu tinggi. Pengamatan kami memberikan penjelasan lebih lanjut tentang asal usul efek PV pada keramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan bagi penerapannya pada perangkat optoelektronik seperti detektor cahaya pasif cepat, dll.
Gambar 1a–c menunjukkan karakteristik IV dari sampel keramik YBCO pada suhu 50 K. Tanpa iluminasi cahaya, tegangan di seluruh sampel tetap nol dengan perubahan arus, seperti yang diharapkan dari material superkonduktor. Efek fotovoltaik yang jelas muncul ketika sinar laser diarahkan ke katoda (Gambar 1a): kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke bawah dengan meningkatnya intensitas laser. Jelas bahwa ada tegangan negatif yang diinduksi foto bahkan tanpa arus (sering disebut tegangan rangkaian terbuka Voc). Kemiringan nol dari kurva IV menunjukkan bahwa sampel masih superkonduktor di bawah iluminasi laser.
(a–c) dan 300 K (e–g). Nilai V(I) diperoleh dengan menyapu arus dari −10 mA hingga +10 mA dalam vakum. Hanya sebagian dari data eksperimental yang disajikan demi kejelasan. a, Karakteristik arus-tegangan YBCO yang diukur dengan titik laser yang diposisikan di katoda (i). Semua kurva IV berupa garis lurus horizontal yang menunjukkan bahwa sampel masih superkonduktor dengan iradiasi laser. Kurva bergerak ke bawah dengan meningkatnya intensitas laser, menunjukkan bahwa terdapat potensial negatif (Voc) antara kedua elektroda tegangan bahkan dengan arus nol. Kurva IV tetap tidak berubah ketika laser diarahkan ke tengah sampel pada suhu 50 K (b) atau 300 K (f). Garis horizontal bergerak ke atas saat anoda disinari (c). Model skematis sambungan logam-superkonduktor pada suhu 50 K ditunjukkan pada d. Karakteristik arus-tegangan YBCO dalam keadaan normal pada suhu 300 K yang diukur dengan sinar laser yang diarahkan ke katoda dan anoda diberikan pada e dan g masing-masing. Berbeda dengan hasil pada suhu 50 K, kemiringan garis lurus yang bukan nol menunjukkan bahwa YBCO berada dalam keadaan normal; nilai Voc bervariasi dengan intensitas cahaya dalam arah yang berlawanan, menunjukkan mekanisme pemisahan muatan yang berbeda. Struktur antarmuka yang mungkin terjadi pada suhu 300 K digambarkan pada hj. Gambar sebenarnya dari sampel dengan elektroda.
YBCO yang kaya oksigen dalam keadaan superkonduktor dapat menyerap hampir seluruh spektrum sinar matahari karena celah energinya yang sangat kecil (Eg)9,10, sehingga menciptakan pasangan elektron-lubang (e–h). Untuk menghasilkan tegangan rangkaian terbuka Voc dengan penyerapan foton, perlu untuk memisahkan pasangan eh yang dihasilkan foton secara spasial sebelum rekombinasi terjadi18. Voc negatif, relatif terhadap katoda dan anoda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1i, menunjukkan bahwa terdapat potensial listrik di seluruh antarmuka logam-superkonduktor, yang mengarahkan elektron ke anoda dan lubang ke katoda. Jika demikian, seharusnya ada juga potensial yang mengarah dari superkonduktor ke elektroda logam di anoda. Akibatnya, Voc positif akan diperoleh jika area sampel di dekat anoda disinari. Lebih lanjut, seharusnya tidak ada tegangan yang diinduksi foton ketika titik laser diarahkan ke area yang jauh dari elektroda. Hal ini tentu saja terjadi seperti yang dapat dilihat dari Gambar 1b,c!.
Ketika titik cahaya bergerak dari elektroda katoda ke tengah sampel (sekitar 1,25 mm dari antarmuka), tidak ada variasi kurva IV dan tidak ada Voc yang dapat diamati dengan peningkatan intensitas laser hingga nilai maksimum yang tersedia (Gambar 1b). Secara alami, hasil ini dapat dikaitkan dengan masa hidup pembawa muatan yang diinduksi foto yang terbatas dan kurangnya gaya pemisahan dalam sampel. Pasangan elektron-lubang dapat dibuat setiap kali sampel disinari, tetapi sebagian besar pasangan e–h akan dimusnahkan dan tidak ada efek fotovoltaik yang diamati jika titik laser jatuh pada area yang jauh dari salah satu elektroda. Dengan memindahkan titik laser ke elektroda anoda, kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke atas dengan peningkatan intensitas laser (Gambar 1c). Medan listrik internal yang serupa ada di sambungan logam-superkonduktor pada anoda. Namun, elektroda logam terhubung ke elektroda positif sistem uji kali ini. Lubang yang dihasilkan oleh laser didorong ke elektroda anoda dan dengan demikian Voc positif diamati. Hasil yang disajikan di sini memberikan bukti kuat bahwa memang ada potensial antarmuka yang mengarah dari superkonduktor ke elektroda logam.
Efek fotovoltaik pada keramik YBa2Cu3O6.96 pada suhu 300 K ditunjukkan pada Gambar 1e–g. Tanpa iluminasi cahaya, kurva IV sampel berupa garis lurus yang melewati titik asal. Garis lurus ini bergerak ke atas sejajar dengan garis aslinya seiring dengan peningkatan intensitas laser yang menyinari elektroda katoda (Gambar 1e). Terdapat dua kasus batas yang menarik untuk perangkat fotovoltaik. Kondisi hubung singkat terjadi ketika V = 0. Arus dalam kasus ini disebut sebagai arus hubung singkat (Isc). Kasus batas kedua adalah kondisi rangkaian terbuka (Voc) yang terjadi ketika R→∞ atau arusnya nol. Gambar 1e jelas menunjukkan bahwa Voc positif dan meningkat seiring dengan peningkatan intensitas cahaya, berbeda dengan hasil yang diperoleh pada suhu 50 K; sementara Isc negatif diamati meningkat besarnya seiring dengan iluminasi cahaya, perilaku khas sel surya normal.
Demikian pula, ketika sinar laser diarahkan ke area yang jauh dari elektroda, kurva V(I) tidak bergantung pada intensitas laser dan tidak ada efek fotovoltaik yang muncul (Gambar 1f). Mirip dengan pengukuran pada 50 K, kurva IV bergerak ke arah yang berlawanan ketika elektroda anoda disinari (Gambar 1g). Semua hasil yang diperoleh untuk sistem pasta YBCO-Ag ini pada 300 K dengan laser yang disinari pada posisi sampel yang berbeda konsisten dengan potensial antarmuka yang berlawanan dengan yang diamati pada 50 K.
Sebagian besar elektron mengembun dalam pasangan Cooper di superkonduktor YBCO di bawah suhu transisinya Tc. Sementara di elektroda logam, semua elektron tetap dalam bentuk tunggal. Terdapat gradien kerapatan yang besar untuk elektron tunggal dan pasangan Cooper di sekitar antarmuka logam-superkonduktor. Elektron tunggal pembawa muatan mayoritas dalam material logam akan berdifusi ke wilayah superkonduktor, sedangkan pasangan Cooper pembawa muatan mayoritas di wilayah YBCO akan berdifusi ke wilayah logam. Saat pasangan Cooper yang membawa muatan lebih banyak dan memiliki mobilitas lebih besar daripada elektron tunggal berdifusi dari YBCO ke wilayah logam, atom bermuatan positif tertinggal, menghasilkan medan listrik di wilayah muatan ruang. Arah medan listrik ini ditunjukkan pada diagram skematik Gambar 1d. Penyinaran foton insiden di dekat wilayah muatan ruang dapat menciptakan pasangan elektron yang akan terpisah dan tersapu keluar menghasilkan arus foto dalam arah bias terbalik. Segera setelah elektron keluar dari medan listrik internal, mereka mengembun menjadi pasangan dan mengalir ke elektroda lain tanpa hambatan. Dalam kasus ini, Voc berlawanan dengan polaritas yang telah ditetapkan dan menampilkan nilai negatif ketika sinar laser mengarah ke area di sekitar elektroda negatif. Dari nilai Voc, potensial di seluruh antarmuka dapat diperkirakan: jarak antara kedua elektroda tegangan d adalah ~5 × 10−3 m, ketebalan antarmuka logam-superkonduktor, di, harus memiliki orde besaran yang sama dengan panjang koherensi superkonduktor YBCO (~1 nm)19,20, ambil nilai Voc = 0,03 mV, potensial Vms pada antarmuka logam-superkonduktor dievaluasi menjadi ~10−11 V pada 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2, menggunakan persamaan,
Kami ingin menekankan di sini bahwa tegangan yang diinduksi oleh foton tidak dapat dijelaskan oleh efek fototermal. Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa koefisien Seebeck dari superkonduktor YBCO adalah Ss = 0,21. Koefisien Seebeck untuk kawat timah tembaga berada dalam kisaran SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Suhu kawat tembaga pada titik laser dapat dinaikkan sedikit sebesar 0,06 K dengan intensitas laser maksimum yang tersedia pada 50 K. Ini dapat menghasilkan potensial termoelektrik sebesar 6,9 × 10−8 V yang tiga orde magnitudo lebih kecil daripada Voc yang diperoleh pada Gambar 1 (a). Jelas bahwa efek termoelektrik terlalu kecil untuk menjelaskan hasil eksperimental. Bahkan, variasi suhu akibat iradiasi laser akan hilang dalam waktu kurang dari satu menit sehingga kontribusi dari efek termal dapat diabaikan dengan aman.
Efek fotovoltaik YBCO pada suhu ruang ini menunjukkan bahwa mekanisme pemisahan muatan yang berbeda terlibat di sini. YBCO superkonduktor dalam keadaan normal adalah material tipe-p dengan lubang sebagai pembawa muatan22,23, sedangkan pasta Ag metalik memiliki karakteristik material tipe-n. Mirip dengan sambungan pn, difusi elektron dalam pasta perak dan lubang dalam keramik YBCO akan membentuk medan listrik internal yang mengarah ke keramik YBCO pada antarmuka (Gambar 1h). Medan internal inilah yang memberikan gaya pemisahan dan menyebabkan Voc positif dan Isc negatif untuk sistem pasta YBCO-Ag pada suhu ruang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1e. Sebagai alternatif, Ag-YBCO dapat membentuk sambungan Schottky tipe-p yang juga menyebabkan potensial antarmuka dengan polaritas yang sama seperti pada model yang disajikan di atas24.
Untuk menyelidiki proses evolusi detail sifat fotovoltaik selama transisi superkonduktor YBCO, kurva IV sampel pada 80 K diukur dengan intensitas laser terpilih yang menyinari elektroda katoda (Gambar 2). Tanpa iradiasi laser, tegangan di seluruh sampel tetap nol terlepas dari arus, menunjukkan keadaan superkonduktor sampel pada 80 K (Gambar 2a). Mirip dengan data yang diperoleh pada 50 K, kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke bawah dengan meningkatnya intensitas laser hingga nilai kritis Pc tercapai. Di atas intensitas laser kritis ini (Pc), superkonduktor mengalami transisi dari fase superkonduktor ke fase resistif; tegangan mulai meningkat dengan arus karena munculnya resistansi dalam superkonduktor. Akibatnya, kurva IV mulai berpotongan dengan sumbu I dan sumbu V yang menyebabkan Voc negatif dan Isc positif pada awalnya. Sekarang sampel tampaknya berada dalam keadaan khusus di mana polaritas Voc dan Isc sangat sensitif terhadap intensitas cahaya; dengan peningkatan intensitas cahaya yang sangat kecil, Isc berubah dari positif menjadi negatif dan Voc dari nilai negatif menjadi positif, melewati titik asal (sensitivitas tinggi sifat fotovoltaik, khususnya nilai Isc, terhadap iluminasi cahaya dapat dilihat lebih jelas pada Gambar 2b). Pada intensitas laser tertinggi yang tersedia, kurva IV cenderung sejajar satu sama lain, menandakan keadaan normal sampel YBCO.
Pusat titik laser diposisikan di sekitar elektroda katoda (lihat Gambar 1i). a, Kurva IV YBCO yang disinari dengan intensitas laser yang berbeda. b (atas), Ketergantungan intensitas laser pada tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus rangkaian pendek Isc. Nilai Isc tidak dapat diperoleh pada intensitas cahaya rendah (< 110 mW/cm2) karena kurva IV sejajar dengan sumbu I ketika sampel berada dalam keadaan superkonduktor. b (bawah), resistansi diferensial sebagai fungsi intensitas laser.
Ketergantungan intensitas laser pada Voc dan Isc pada suhu 80 K ditunjukkan pada Gambar 2b (atas). Sifat fotovoltaik dapat dibahas dalam tiga wilayah intensitas cahaya. Wilayah pertama adalah antara 0 dan Pc, di mana YBCO bersifat superkonduktor, Voc negatif dan menurun (nilai absolut meningkat) dengan intensitas cahaya dan mencapai minimum pada Pc. Wilayah kedua adalah dari Pc hingga intensitas kritis lain P0, di mana Voc meningkat sementara Isc menurun dengan meningkatnya intensitas cahaya dan keduanya mencapai nol pada P0. Wilayah ketiga berada di atas P0 hingga keadaan normal YBCO tercapai. Meskipun Voc dan Isc bervariasi dengan intensitas cahaya dengan cara yang sama seperti pada wilayah 2, keduanya memiliki polaritas yang berlawanan di atas intensitas kritis P0. Signifikansi P0 terletak pada tidak adanya efek fotovoltaik dan mekanisme pemisahan muatan berubah secara kualitatif pada titik tertentu ini. Sampel YBCO menjadi non-superkonduktor dalam rentang intensitas cahaya ini tetapi keadaan normal belum tercapai.
Jelas, karakteristik fotovoltaik sistem ini terkait erat dengan superkonduktivitas YBCO dan transisi superkonduktornya. Resistansi diferensial, dV/dI, YBCO ditunjukkan pada Gambar 2b (bawah) sebagai fungsi intensitas laser. Seperti yang disebutkan sebelumnya, potensial listrik internal pada antarmuka akibat difusi pasangan Cooper mengarah dari superkonduktor ke logam. Mirip dengan yang diamati pada 50 K, efek fotovoltaik meningkat seiring dengan peningkatan intensitas laser dari 0 hingga Pc. Ketika intensitas laser mencapai nilai sedikit di atas Pc, kurva IV mulai miring dan resistansi sampel mulai muncul, tetapi polaritas potensial antarmuka belum berubah. Pengaruh eksitasi optik pada superkonduktivitas telah diteliti di wilayah tampak atau inframerah dekat. Meskipun proses dasarnya adalah memecah pasangan Cooper dan menghancurkan superkonduktivitas25,26, dalam beberapa kasus transisi superkonduktivitas dapat ditingkatkan27,28,29, fase superkonduktivitas baru bahkan dapat diinduksi30. Tidak adanya superkonduktivitas pada Pc dapat dikaitkan dengan pemecahan pasangan yang diinduksi oleh foton. Pada titik P0, potensial di seluruh antarmuka menjadi nol, menunjukkan kerapatan muatan di kedua sisi antarmuka mencapai tingkat yang sama di bawah intensitas iluminasi cahaya tertentu ini. Peningkatan lebih lanjut dalam intensitas laser menghasilkan lebih banyak pasangan Cooper yang dihancurkan dan YBCO secara bertahap berubah kembali menjadi material tipe-p. Alih-alih difusi elektron dan pasangan Cooper, fitur antarmuka sekarang ditentukan oleh difusi elektron dan lubang yang menyebabkan pembalikan polaritas medan listrik di antarmuka dan akibatnya Voc positif (bandingkan Gambar 1d,h). Pada intensitas laser yang sangat tinggi, resistansi diferensial YBCO jenuh pada nilai yang sesuai dengan keadaan normal dan baik Voc maupun Isc cenderung bervariasi secara linier dengan intensitas laser (Gambar 2b). Pengamatan ini menunjukkan bahwa iradiasi laser pada YBCO keadaan normal tidak akan lagi mengubah resistivitasnya dan karakteristik antarmuka superkonduktor-logam, tetapi hanya meningkatkan konsentrasi pasangan elektron-lubang.
Untuk menyelidiki pengaruh suhu terhadap sifat fotovoltaik, sistem logam-superkonduktor diiradiasi pada katoda dengan laser biru berintensitas 502 mW/cm2. Kurva IV yang diperoleh pada suhu tertentu antara 50 dan 300 K diberikan pada Gambar 3a. Tegangan rangkaian terbuka Voc, arus rangkaian pendek Isc, dan resistansi diferensial kemudian dapat diperoleh dari kurva IV ini dan ditunjukkan pada Gambar 3b. Tanpa iluminasi cahaya, semua kurva IV yang diukur pada suhu berbeda melewati titik asal seperti yang diharapkan (sisipan Gambar 3a). Karakteristik IV berubah drastis dengan meningkatnya suhu ketika sistem diiluminasi oleh sinar laser yang relatif kuat (502 mW/cm2). Pada suhu rendah, kurva IV berupa garis lurus sejajar dengan sumbu I dengan nilai Voc negatif. Kurva ini bergerak ke atas dengan meningkatnya suhu dan secara bertahap berubah menjadi garis dengan kemiringan bukan nol pada suhu kritis Tcp (Gambar 3a (atas)). Tampaknya semua kurva karakteristik IV berputar di sekitar titik di kuadran ketiga. Voc meningkat dari nilai negatif menjadi positif sementara Isc menurun dari nilai positif menjadi negatif. Di atas suhu transisi superkonduktor asli Tc dari YBCO, kurva IV berubah agak berbeda dengan suhu (bagian bawah Gambar 3a). Pertama, pusat rotasi kurva IV bergerak ke kuadran pertama. Kedua, Voc terus menurun dan Isc meningkat seiring dengan peningkatan suhu (bagian atas Gambar 3b). Ketiga, kemiringan kurva IV meningkat secara linier dengan suhu sehingga menghasilkan koefisien suhu resistansi positif untuk YBCO (bagian bawah Gambar 3b).
Ketergantungan suhu pada karakteristik fotovoltaik untuk sistem pasta YBCO-Ag di bawah iluminasi laser 502 mW/cm2.
Pusat titik laser diposisikan di sekitar elektroda katoda (lihat Gambar 1i). a, Kurva IV yang diperoleh dari 50 hingga 90 K (atas) dan dari 100 hingga 300 K (bawah) dengan peningkatan suhu masing-masing 5 K dan 20 K. Sisipan a menunjukkan karakteristik IV pada beberapa suhu dalam kondisi gelap. Semua kurva melewati titik asal. b, tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus rangkaian pendek Isc (atas) dan resistansi diferensial, dV/dI, dari YBCO (bawah) sebagai fungsi suhu. Suhu transisi superkonduktor resistansi nol Tcp tidak diberikan karena terlalu dekat dengan Tc0.
Tiga suhu kritis dapat dikenali dari Gambar 3b: Tcp, di atasnya YBCO menjadi non-superkonduktor; Tc0, di mana Voc dan Isc keduanya menjadi nol; dan Tc, suhu transisi superkonduktor awal YBCO tanpa iradiasi laser. Di bawah Tcp ~ 55 K, YBCO yang diiradiasi laser berada dalam keadaan superkonduktor dengan konsentrasi pasangan Cooper yang relatif tinggi. Efek iradiasi laser adalah mengurangi suhu transisi superkonduktor resistansi nol dari 89 K menjadi ~55 K (bagian bawah Gambar 3b) dengan mengurangi konsentrasi pasangan Cooper selain menghasilkan tegangan dan arus fotovoltaik. Peningkatan suhu juga memecah pasangan Cooper yang menyebabkan potensial yang lebih rendah di antarmuka. Akibatnya, nilai absolut Voc akan menjadi lebih kecil, meskipun intensitas iluminasi laser yang sama diterapkan. Potensial antarmuka akan menjadi semakin kecil dengan peningkatan suhu lebih lanjut dan mencapai nol pada Tc0. Tidak ada efek fotovoltaik pada titik khusus ini karena tidak ada medan internal untuk memisahkan pasangan elektron-lubang yang diinduksi oleh foton. Pembalikan polaritas potensial terjadi di atas suhu kritis ini karena kerapatan muatan bebas dalam pasta Ag lebih besar daripada dalam YBCO yang secara bertahap ditransfer kembali ke material tipe-p. Di sini kami ingin menekankan bahwa pembalikan polaritas Voc dan Isc terjadi segera setelah transisi superkonduktivitas resistansi nol, terlepas dari penyebab transisi tersebut. Pengamatan ini mengungkapkan dengan jelas, untuk pertama kalinya, korelasi antara superkonduktivitas dan efek fotovoltaik yang terkait dengan potensial antarmuka logam-superkonduktor. Sifat potensial ini di seluruh antarmuka superkonduktor-logam normal telah menjadi fokus penelitian selama beberapa dekade terakhir, tetapi masih banyak pertanyaan yang menunggu untuk dijawab. Pengukuran efek fotovoltaik dapat terbukti sebagai metode yang efektif untuk mengeksplorasi detail (seperti kekuatan dan polaritasnya, dll.) dari potensial penting ini dan karenanya memberikan pencerahan pada efek kedekatan superkonduktivitas suhu tinggi.
Peningkatan suhu lebih lanjut dari Tc0 ke Tc menyebabkan konsentrasi pasangan Cooper yang lebih kecil dan peningkatan potensial antarmuka, dan akibatnya Voc yang lebih besar. Pada Tc, konsentrasi pasangan Cooper menjadi nol dan potensial bawaan pada antarmuka mencapai maksimum, menghasilkan Voc maksimum dan Isc minimum. Peningkatan cepat Voc dan Isc (nilai absolut) dalam rentang suhu ini sesuai dengan transisi superkonduktor yang melebar dari ΔT ~ 3 K menjadi ~34 K oleh iradiasi laser dengan intensitas 502 mW/cm2 (Gambar 3b). Pada keadaan normal di atas Tc, tegangan rangkaian terbuka Voc menurun dengan suhu (bagian atas Gambar 3b), mirip dengan perilaku linier Voc untuk sel surya normal berdasarkan sambungan pn31,32,33. Meskipun laju perubahan Voc terhadap suhu (−dVoc/dT), yang sangat bergantung pada intensitas laser, jauh lebih kecil daripada sel surya normal, koefisien suhu Voc untuk sambungan YBCO-Ag memiliki orde besaran yang sama dengan sel surya. Arus bocor sambungan pn untuk perangkat sel surya normal meningkat seiring dengan peningkatan suhu, yang menyebabkan penurunan Voc seiring dengan peningkatan suhu. Kurva IV linier yang diamati untuk sistem Ag-superkonduktor ini, pertama karena potensial antarmuka yang sangat kecil dan kedua karena koneksi berlawanan arah dari dua heterojunction, membuat sulit untuk menentukan arus bocor. Namun demikian, tampaknya sangat mungkin bahwa ketergantungan suhu yang sama dari arus bocor bertanggung jawab atas perilaku Voc yang diamati dalam percobaan kami. Menurut definisi, Isc adalah arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan negatif untuk mengkompensasi Voc sehingga tegangan total menjadi nol. Seiring dengan peningkatan suhu, Voc menjadi lebih kecil sehingga arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan negatif menjadi lebih sedikit. Selain itu, resistansi YBCO meningkat secara linier dengan suhu di atas Tc (bagian bawah Gambar 3b), yang juga berkontribusi pada nilai absolut Isc yang lebih kecil pada suhu tinggi.
Perhatikan bahwa hasil yang diberikan pada Gambar 2 dan 3 diperoleh dengan penyinaran laser pada area di sekitar elektroda katoda. Pengukuran juga telah diulang dengan titik laser yang diposisikan pada anoda dan karakteristik IV serta sifat fotovoltaik yang serupa telah diamati, kecuali bahwa polaritas Voc dan Isc telah dibalik dalam kasus ini. Semua data ini mengarah pada mekanisme efek fotovoltaik, yang terkait erat dengan antarmuka superkonduktor-logam.
Singkatnya, karakteristik IV dari sistem pasta YBCO-Ag superkonduktor yang diiradiasi laser telah diukur sebagai fungsi suhu dan intensitas laser. Efek fotovoltaik yang luar biasa telah diamati dalam rentang suhu 50 hingga 300 K. Ditemukan bahwa sifat fotovoltaik berkorelasi kuat dengan superkonduktivitas keramik YBCO. Pembalikan polaritas Voc dan Isc terjadi segera setelah transisi superkonduktor ke non-superkonduktor yang diinduksi foto. Ketergantungan suhu Voc dan Isc yang diukur pada intensitas laser tetap juga menunjukkan pembalikan polaritas yang berbeda pada suhu kritis di atasnya sampel menjadi resistif. Dengan menempatkan titik laser ke bagian sampel yang berbeda, kami menunjukkan bahwa ada potensial listrik di seluruh antarmuka, yang memberikan gaya pemisahan untuk pasangan elektron-lubang yang diinduksi foto. Potensial antarmuka ini mengarah dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO bersifat superkonduktor dan beralih ke arah yang berlawanan ketika sampel menjadi non-superkonduktor. Asal muasal potensial tersebut secara alami dapat dikaitkan dengan efek kedekatan pada antarmuka logam-superkonduktor ketika YBCO bersifat superkonduktor dan diperkirakan sekitar ~10−8 mV pada suhu 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2. Kontak antara material tipe-p YBCO dalam keadaan normal dengan material tipe-n pasta Ag membentuk sambungan quasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku fotovoltaik keramik YBCO pada suhu tinggi. Pengamatan di atas memberikan penjelasan tentang efek PV pada keramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan bagi aplikasi baru dalam perangkat optoelektronik seperti detektor cahaya pasif cepat dan detektor foton tunggal.
Eksperimen efek fotovoltaik dilakukan pada sampel keramik YBCO dengan ketebalan 0,52 mm dan bentuk persegi panjang 8,64 × 2,26 mm2 dan disinari oleh laser biru gelombang kontinu (λ = 450 nm) dengan ukuran titik laser 1,25 mm. Penggunaan sampel bulk daripada film tipis memungkinkan kita untuk mempelajari sifat fotovoltaik superkonduktor tanpa harus berurusan dengan pengaruh kompleks substrat6,7. Selain itu, material bulk dapat bermanfaat karena prosedur preparasinya yang sederhana dan biaya yang relatif rendah. Kawat timah tembaga direkatkan pada sampel YBCO dengan pasta perak membentuk empat elektroda melingkar dengan diameter sekitar 1 mm. Jarak antara dua elektroda tegangan sekitar 5 mm. Karakteristik IV sampel diukur menggunakan magnetometer sampel getaran (VersaLab, Quantum Design) dengan jendela kristal kuarsa. Metode empat kawat standar digunakan untuk mendapatkan kurva IV. Posisi relatif elektroda dan titik laser ditunjukkan pada Gambar 1i.
Cara mengutip artikel ini: Yang, F. dkk. Asal mula efek fotovoltaik pada keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Tegangan terinduksi laser yang dilarang simetri pada YBa2Cu3O7 . Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asal usul sinyal fotovoltaik anomali pada Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pengukuran tegangan yang diinduksi laser pada superkonduktor Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, dkk. Tegangan transien yang diinduksi laser pada film suhu ruang YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Respons fotovoltaik anomali pada YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeksi pembawa muatan lubang yang dihasilkan oleh foton ke YBa2Cu3O7−x dalam heterostruktur oksida. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. dkk. Studi fotoemisi film tipis YBa2Cu3Oy di bawah iluminasi cahaya. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. dkk. Efek fotovoltaik dari heterojunction YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb yang dianil pada tekanan parsial oksigen yang berbeda. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA dkk. Struktur Dua-Celah pada kristal tunggal Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika relaksasi kuasipartikel dalam superkonduktor dengan struktur celah yang berbeda: Teori dan eksperimen pada YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Sifat penyearah dari heterojunction YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB. Penyerapan eksitonik dan superkonduktivitas dalam YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Konduktivitas fotoinduksi transien pada kristal tunggal semikonduktor YBa2Cu3O6.3: pencarian keadaan logam fotoinduksi dan superkonduktivitas fotoinduksi. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Model penerowongan efek kedekatan superkonduktor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Efek kedekatan superkonduktor diselidiki pada skala panjang mesoskopik. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efek kedekatan dengan superkonduktor non-sentrosimetris. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM dkk. Efek proksimitas superkonduktor kuat pada struktur hibrida Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Sebuah fotocell sambungan pn silikon baru untuk mengubah radiasi matahari menjadi energi listrik. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Pengaruh pengotor terhadap panjang koherensi superkonduktor pada kristal tunggal YBa2Cu3O6.9 yang didoping Zn atau Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistansi kristal tunggal YBa2Cu3Oy tak kembar dalam rentang doping yang luas: ketergantungan doping lubang anomali pada panjang koherensi. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika dalam daya termoelektrik oksida suhu tinggi. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Pergeseran momentum yang bergantung pada kerapatan pembawa muatan dari puncak koheren dan mode fonon LO pada superkonduktor suhu tinggi tipe-p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. dkk. Pengurangan lubang dan akumulasi elektron dalam film tipis YBa2Cu3Oy menggunakan teknik elektrokimia: Bukti adanya keadaan logam tipe-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fisika dan kimia ketinggian penghalang Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efek Pemutusan Pasangan Eksternal Dinamis pada Film Superkonduktor. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. dkk. Peningkatan superkonduktivitas yang diinduksi oleh cahaya. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI dkk. Fotokonduktivitas persisten dalam film YBa2Cu3O6+x sebagai metode fotodoping menuju fase logam dan superkonduktor. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. dkk. Dinamika kisi nonlinier sebagai dasar untuk peningkatan superkonduktivitas di YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. dkk. Superkonduktivitas yang diinduksi cahaya pada cuprate dengan susunan garis. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Ketergantungan fungsional suhu VOC untuk sel surya dalam kaitannya dengan efisiensinya: pendekatan baru. Desalinasi 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Pengaruh suhu pada sel surya silikon penghalang Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM. Ketergantungan suhu pada parameter perangkat fotovoltaik sel surya polimer-fullerene dalam kondisi operasi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Penelitian ini didukung oleh Dana Sains Alam Nasional Tiongkok (Nomor Hibah 60571063), dan Proyek Penelitian Fundamental Provinsi Henan, Tiongkok (Nomor Hibah 122300410231).
FY menulis teks makalah dan MYH menyiapkan sampel keramik YBCO. FY dan MYH melakukan percobaan dan menganalisis hasilnya. FGC memimpin proyek dan interpretasi ilmiah data. Semua penulis meninjau manuskrip.
Karya ini dilisensikan di bawah Lisensi Creative Commons Attribution 4.0 International. Gambar atau materi pihak ketiga lainnya dalam artikel ini termasuk dalam lisensi Creative Commons artikel ini, kecuali dinyatakan lain dalam keterangan sumber; jika materi tersebut tidak termasuk dalam lisensi Creative Commons, pengguna perlu memperoleh izin dari pemegang lisensi untuk mereproduksi materi tersebut. Untuk melihat salinan lisensi ini, kunjungi http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asal mula efek fotovoltaik pada keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Dengan mengirimkan komentar, Anda setuju untuk mematuhi Syarat dan Ketentuan serta Pedoman Komunitas kami. Jika Anda menemukan sesuatu yang bersifat kasar atau tidak sesuai dengan syarat atau pedoman kami, harap laporkan sebagai konten yang tidak pantas.
Waktu posting: 22 April 2020