Terima kasih telah mengunjungi nature.com. Anda menggunakan versi browser dengan dukungan terbatas untuk CSS. Untuk mendapatkan pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang lebih mutakhir (atau nonaktifkan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan yang berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Kami melaporkan efek fotovoltaik yang luar biasa dalam 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. Ada pembalikan polaritas untuk tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus rangkaian pendek Isc ketika YBCO mengalami transisi dari superkonduktor ke keadaan resistif. Kami menunjukkan bahwa ada potensi listrik di seluruh antarmuka logam normal-superkonduktor, yang menyediakan gaya pemisah untuk pasangan elektron-lubang yang diinduksi foto. Potensi antarmuka ini diarahkan dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO menjadi superkonduktor dan beralih ke arah yang berlawanan ketika YBCO menjadi nonsuperkonduktor. Asal usul potensi dapat dengan mudah dikaitkan dengan efek kedekatan pada antarmuka logam-superkonduktor saat YBCO bersifat superkonduktor dan nilainya diperkirakan ~10–8 mV pada 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi material tipe-p YBCO pada keadaan normal dengan material tipe-n Ag-paste membentuk sambungan kuasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku fotovoltaik keramik YBCO pada suhu tinggi. Temuan kami dapat membuka jalan bagi aplikasi baru perangkat foton-elektronik dan menjelaskan lebih lanjut tentang efek kedekatan pada antarmuka superkonduktor-logam.
Tegangan yang diinduksi foto dalam superkonduktor suhu tinggi telah dilaporkan pada awal tahun 1990-an dan diselidiki secara ekstensif sejak saat itu, namun sifat dan mekanismenya masih belum jelas1,2,3,4,5. Film tipis YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, khususnya, dipelajari secara intensif 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 luar biasa yang diinduksi oleh iluminasi laser biru (λ = 450 nm) dalam 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. Ada pembalikan polaritas untuk tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus rangkaian pendek Isc ketika YBCO mengalami transisi dari fase superkonduktor ke keadaan resistif. Diusulkan bahwa ada potensi listrik melintasi antarmuka logam normal-superkonduktor, yang memberikan gaya pemisah untuk pasangan elektron-lubang yang diinduksi foto. Potensi antarmuka ini diarahkan dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO bersifat superkonduktor dan beralih ke arah yang berlawanan ketika sampel menjadi nonsuperkonduktor. Asal usul potensi tersebut mungkin secara alami terkait dengan efek kedekatan14,15,16,17 pada antarmuka logam-superkonduktor ketika YBCO bersifat superkonduktor dan nilainya diperkirakan sebesar ~10−8 mV pada 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi material tipe-p YBCO pada kondisi normal dengan material tipe-n Ag-paste kemungkinan besar membentuk sambungan kuasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku PV keramik YBCO pada suhu tinggi. Pengamatan kami memberikan lebih banyak pencerahan tentang asal mula efek PV pada keramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan bagi penerapannya dalam perangkat optoelektronik seperti detektor cahaya pasif cepat, dsb.
Gambar 1a–c menunjukkan karakteristik IV sampel keramik YBCO pada suhu 50 K. Tanpa penerangan cahaya, tegangan pada sampel tetap nol dengan perubahan arus, seperti yang dapat diharapkan dari bahan superkonduktor. Efek fotovoltaik yang jelas muncul ketika sinar laser diarahkan ke katode (Gbr. 1a): kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke bawah dengan meningkatnya intensitas laser. Jelas bahwa ada tegangan yang diinduksi foto negatif bahkan tanpa arus apa pun (sering disebut tegangan rangkaian terbuka Voc). Kemiringan nol kurva IV menunjukkan bahwa sampel masih superkonduktor di bawah penerangan laser.
(a–c) dan 300 K (e–g). Nilai V(I) diperoleh dengan menyapu arus dari -10 mA ke +10 mA dalam ruang hampa. Hanya sebagian dari data eksperimen yang disajikan demi kejelasan. a, Karakteristik arus-tegangan YBCO diukur dengan titik laser yang diposisikan di katode (i). Semua kurva IV adalah garis lurus horizontal yang menunjukkan sampel masih bersifat superkonduktor dengan penyinaran laser. Kurva bergerak turun dengan meningkatnya intensitas laser, yang menunjukkan bahwa terdapat potensial negatif (Voc) antara dua kabel tegangan bahkan dengan arus nol. Kurva IV tetap tidak berubah ketika laser diarahkan ke pusat sampel pada eter 50 K (b) atau 300 K (f). Garis horizontal bergerak ke atas saat anoda disinari (c). Model skema sambungan logam-superkonduktor pada 50 K ditunjukkan dalam d. Karakteristik arus-tegangan YBCO keadaan normal pada suhu 300 K yang diukur dengan sinar laser yang diarahkan ke katode dan anoda masing-masing diberikan dalam e dan g. Berbeda dengan hasil pada suhu 50 K, kemiringan garis lurus yang bukan nol menunjukkan bahwa YBCO dalam keadaan normal; nilai Voc bervariasi dengan intensitas cahaya dalam arah yang berlawanan, yang menunjukkan mekanisme pemisahan muatan yang berbeda. Struktur antarmuka yang mungkin pada suhu 300 K digambarkan dalam hj Gambaran sebenarnya dari sampel dengan kabel.
YBCO 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 melalui penyerapan foton, perlu untuk memisahkan secara spasial pasangan eh yang dihasilkan foto sebelum rekombinasi terjadi18. Voc negatif, relatif terhadap katode dan anoda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1i, menunjukkan bahwa ada potensi listrik di seluruh antarmuka logam-superkonduktor, yang menyapu elektron ke anoda dan lubang ke katode. Jika demikian halnya, harus ada juga potensi yang menunjuk dari superkonduktor ke elektroda logam di anoda. Akibatnya, Voc positif akan diperoleh jika area sampel di dekat anoda diterangi. Lebih jauh, tidak boleh ada tegangan yang diinduksi foto 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 katode ke pusat sampel (sekitar 1,25 mm terpisah dari antarmuka), tidak ada variasi kurva IV dan tidak ada Voc yang dapat diamati dengan peningkatan intensitas laser ke nilai maksimum yang tersedia (Gbr. 1b). Tentu saja, hasil ini dapat dikaitkan dengan masa pakai terbatas pembawa yang diinduksi foto dan kurangnya gaya pemisahan dalam sampel. Pasangan elektron-lubang dapat dibuat setiap kali sampel diterangi, 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. Memindahkan titik laser ke elektroda anoda, kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke atas dengan peningkatan intensitas laser (Gbr. 1c). Medan listrik bawaan serupa ada di sambungan logam-superkonduktor di anoda. Namun, elektroda logam terhubung ke kabel positif sistem pengujian kali ini. Lubang yang dihasilkan oleh laser didorong ke kabel anoda dan dengan demikian Voc positif diamati. Hasil yang disajikan di sini memberikan bukti kuat bahwa memang ada potensi antarmuka yang menunjuk dari superkonduktor ke elektroda logam.
Efek fotovoltaik pada keramik YBa2Cu3O6.96 pada suhu 300 K ditunjukkan pada Gambar 1e–g. Tanpa penerangan cahaya, kurva IV sampel adalah garis lurus yang melintasi titik asal. Garis lurus ini bergerak ke atas sejajar dengan garis lurus asli dengan intensitas laser yang meningkat yang menyinari kabel katode (Gambar 1e). Ada dua kasus pembatas yang menarik untuk perangkat fotovoltaik. Kondisi hubung singkat terjadi ketika V = 0. Arus dalam kasus ini disebut sebagai arus hubung singkat (Isc). Kasus pembatas kedua adalah kondisi hubung singkat (Voc) yang terjadi ketika R→∞ atau arusnya nol. Gambar 1e dengan jelas menunjukkan bahwa Voc positif dan meningkat dengan meningkatnya intensitas cahaya, berbeda dengan hasil yang diperoleh pada suhu 50 K; sementara Isc negatif diamati meningkat besarnya dengan penerangan 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 (Gbr. 1f). Mirip dengan pengukuran pada suhu 50 K, kurva IV bergerak ke arah yang berlawanan saat elektroda anoda disinari (Gbr. 1g). Semua hasil yang diperoleh untuk sistem pasta YBCO-Ag ini pada suhu 300 K dengan laser yang disinari pada posisi sampel yang berbeda konsisten dengan potensi antarmuka yang berlawanan dengan yang diamati pada suhu 50 K.
Sebagian besar elektron mengembun dalam pasangan Cooper dalam YBCO superkonduktor di bawah suhu transisinya Tc. Sementara di elektroda logam, semua elektron tetap dalam bentuk singular. Ada gradien kepadatan yang besar untuk elektron singular dan pasangan Cooper di sekitar antarmuka logam-superkonduktor. Elektron singular pembawa mayoritas dalam material logam akan berdifusi ke dalam wilayah superkonduktor, sedangkan pasangan Cooper pembawa mayoritas di wilayah YBCO akan berdifusi ke dalam wilayah logam. Karena pasangan Cooper yang membawa lebih banyak muatan dan memiliki mobilitas yang lebih besar daripada elektron singular berdifusi dari YBCO ke wilayah logam, atom bermuatan positif tertinggal, menghasilkan medan listrik di wilayah muatan ruang. Arah medan listrik ini ditunjukkan dalam diagram skema Gambar 1d. Penerangan foton insiden di dekat wilayah muatan ruang dapat menciptakan pasangan eh yang akan dipisahkan dan disapu keluar sehingga menghasilkan arus foto dalam arah bias terbalik. Begitu elektron keluar dari medan listrik bawaan, mereka terkondensasi menjadi pasangan dan mengalir ke elektroda lain tanpa hambatan. Dalam kasus ini, Voc berlawanan dengan polaritas yang telah ditetapkan sebelumnya dan menampilkan nilai negatif saat sinar laser menunjuk ke area di sekitar elektroda negatif. Dari nilai Voc, potensi di seluruh antarmuka dapat diperkirakan: jarak antara dua kabel 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, potensi 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 foto tidak dapat dijelaskan oleh efek fototermal. Telah ditetapkan secara eksperimental bahwa koefisien Seebeck dari superkonduktor YBCO adalah Ss = 021. Koefisien Seebeck untuk kabel tembaga berada dalam kisaran SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Suhu kabel tembaga pada titik laser dapat dinaikkan sedikit sebesar 0,06 K dengan intensitas laser maksimum yang tersedia pada 50 K. Hal ini dapat menghasilkan potensi termoelektrik sebesar 6,9 × 10−8 V yang tiga kali lipat lebih kecil daripada Voc yang diperoleh pada Gambar 1 (a). Jelas bahwa efek termoelektrik terlalu kecil untuk menjelaskan hasil eksperimen. Faktanya, 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 kamar ini menyingkapkan bahwa mekanisme pemisahan muatan yang berbeda terlibat di sini. YBCO superkonduktor dalam keadaan normal adalah material tipe-p dengan lubang sebagai pembawa muatan22,23, sementara 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 di antarmuka (Gbr. 1h). Medan internal inilah yang memberikan gaya pemisahan dan mengarah ke Voc positif dan Isc negatif untuk sistem pasta YBCO-Ag pada suhu kamar, seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 1e. Sebagai alternatif, Ag-YBCO dapat membentuk sambungan Schottky tipe-p yang juga mengarah ke potensi antarmuka dengan polaritas yang sama seperti pada model yang disajikan di atas24.
Untuk menyelidiki proses evolusi terperinci dari sifat fotovoltaik selama transisi superkonduktor YBCO, kurva IV sampel pada 80 K diukur dengan intensitas laser terpilih yang menyinari elektroda katode (Gbr. 2). Tanpa penyinaran laser, tegangan melintasi sampel tetap nol terlepas dari arus, yang menunjukkan status superkonduktor sampel pada 80 K (Gbr. 2a). Mirip dengan data yang diperoleh pada 50 K, kurva IV 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 mengarah ke Voc negatif dan Isc positif pada awalnya. Sekarang sampel tersebut tampaknya berada dalam kondisi khusus di mana polaritas Voc dan Isc sangat sensitif terhadap intensitas cahaya; dengan peningkatan intensitas cahaya yang sangat kecil, Isc diubah dari positif menjadi negatif dan Voc dari nilai negatif menjadi positif, melewati titik asal (sensitivitas tinggi properti fotovoltaik, khususnya nilai Isc, terhadap iluminasi cahaya dapat dilihat lebih jelas pada Gambar 2b). Pada intensitas laser tertinggi yang tersedia, kurva IV dimaksudkan untuk sejajar satu sama lain, yang menandakan kondisi normal sampel YBCO.
Titik pusat laser diposisikan di sekitar elektroda katode (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 saat sampel berada dalam keadaan superkonduktor. b (bawah), resistansi diferensial sebagai fungsi intensitas laser.
Ketergantungan intensitas laser Voc dan Isc pada 80 K ditunjukkan pada Gambar 2b (atas). Properti fotovoltaik dapat dibahas dalam tiga wilayah intensitas cahaya. Wilayah pertama adalah antara 0 dan Pc, di mana YBCO superkonduktor, Voc negatif dan menurun (nilai absolut meningkat) dengan intensitas cahaya dan mencapai minimum pada Pc. Wilayah kedua adalah dari Pc ke 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 di wilayah 2, mereka 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 khusus ini. Sampel YBCO menjadi non-superkonduktor dalam rentang intensitas cahaya ini tetapi keadaan normal belum tercapai.
Jelas, karakteristik fotovoltaik sistem terkait erat dengan superkonduktivitas YBCO dan transisi superkonduktivitasnya. Resistansi diferensial, dV/dI, dari YBCO ditunjukkan pada Gambar 2b (bawah) sebagai fungsi intensitas laser. Seperti disebutkan sebelumnya, potensi listrik bawaan pada antarmuka karena titik difusi pasangan Cooper dari superkonduktor ke logam. Mirip dengan yang diamati pada 50 K, efek fotovoltaik ditingkatkan dengan meningkatnya 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 potensi antarmuka belum berubah. Efek eksitasi optik pada superkonduktivitas telah diselidiki di wilayah tampak atau dekat-IR. Sementara 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 foto. Pada titik P0, potensial di seluruh antarmuka menjadi nol, yang 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 diubah kembali menjadi material tipe-p. Alih-alih difusi elektron dan pasangan Cooper, fitur antarmuka sekarang ditentukan oleh difusi elektron dan lubang yang mengarah pada pembalikan polaritas medan listrik di antarmuka dan akibatnya Voc positif (bandingkan Gambar 1d,h). Pada intensitas laser yang sangat tinggi, resistansi diferensial YBCO mencapai nilai yang sesuai dengan keadaan normal dan Voc dan Isc cenderung bervariasi secara linear dengan intensitas laser (Gbr. 2b). Pengamatan ini mengungkapkan bahwa penyinaran laser pada YBCO keadaan normal tidak akan lagi mengubah resistivitasnya dan fitur antarmuka superkonduktor-logam tetapi hanya meningkatkan konsentrasi pasangan elektron-lubang.
Untuk menyelidiki pengaruh suhu pada sifat fotovoltaik, sistem logam-superkonduktor diiradiasi pada katode dengan laser biru berintensitas 502 mW/cm2. Kurva IV yang diperoleh pada suhu tertentu antara 50 dan 300 K diberikan dalam Gambar 3a. Tegangan rangkaian terbuka Voc, arus hubung singkat Isc dan resistansi diferensial kemudian dapat diperoleh dari kurva IV ini dan ditunjukkan dalam Gambar 3b. Tanpa penerangan cahaya, semua kurva IV yang diukur pada suhu yang berbeda melewati titik asal seperti yang diharapkan (sisipan Gambar 3a). Karakteristik IV berubah drastis dengan meningkatnya suhu ketika sistem disinari oleh sinar laser yang relatif kuat (502 mW/cm2). Pada suhu rendah kurva IV adalah 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 ke positif sementara Isc menurun dari nilai positif ke 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 dengan meningkatnya suhu (bagian atas Gambar 3b). Ketiga, kemiringan kurva IV meningkat secara linier dengan suhu yang 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.
Titik pusat laser diposisikan di sekitar elektroda katode (lihat Gambar 1i). a, kurva IV diperoleh dari 50 hingga 90 K (atas) dan dari 100 hingga 300 K (bawah) dengan kenaikan suhu masing-masing sebesar 5 K dan 20 K. Sisipan a menunjukkan karakteristik IV pada beberapa suhu dalam gelap. Semua kurva melintasi titik asal. b, tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus hubung singkat 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 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 untuk 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 mengarah ke potensi yang lebih rendah di antarmuka. Akibatnya, nilai absolut Voc akan menjadi lebih kecil, meskipun intensitas iluminasi laser yang sama diterapkan. Potensi antarmuka akan menjadi lebih kecil dan lebih 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 foto. Pembalikan polaritas potensial terjadi di atas suhu kritis ini karena kerapatan muatan bebas dalam pasta Ag lebih besar daripada yang ada di 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 superkonduktor resistansi nol, terlepas dari penyebab transisi tersebut. Pengamatan ini mengungkapkan dengan jelas, untuk pertama kalinya, korelasi antara superkonduktivitas dan efek fotovoltaik yang terkait dengan potensi antarmuka logam-superkonduktor. Sifat potensial ini melintasi antarmuka logam normal-superkonduktor telah menjadi fokus penelitian selama beberapa dekade terakhir tetapi masih banyak pertanyaan yang menunggu untuk dijawab. Pengukuran efek fotovoltaik dapat terbukti menjadi metode yang efektif untuk mengeksplorasi detail (seperti kekuatan dan polaritasnya, dll.) dari potensi penting ini dan dengan demikian menjelaskan efek kedekatan superkonduktor suhu tinggi.
Peningkatan suhu lebih lanjut dari Tc0 ke Tc mengarah ke konsentrasi pasangan Cooper yang lebih kecil dan peningkatan potensi antarmuka dan akibatnya Voc yang lebih besar. Pada Tc konsentrasi pasangan Cooper menjadi nol dan potensi 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 ke ~34 K dengan iradiasi laser dengan intensitas 502 mW/cm2 (Gbr. 3b). Dalam keadaan normal di atas Tc, tegangan rangkaian terbuka Voc menurun dengan suhu (bagian atas Gbr. 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 meningkatnya suhu, yang menyebabkan penurunan Voc seiring meningkatnya suhu. Kurva IV linear yang diamati untuk sistem superkonduktor Ag ini, pertama-tama karena potensi antarmuka yang sangat kecil dan kedua koneksi bolak-balik dari dua heterojunction, membuatnya sulit untuk menentukan arus bocor. Meskipun 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 mengompensasi Voc sehingga tegangan totalnya nol. Saat suhu meningkat, Voc menjadi lebih kecil sehingga lebih sedikit arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan negatif. Lebih jauh lagi, resistansi YBCO meningkat secara linear dengan suhu di atas Tc (bagian bawah Gambar 3b), yang juga berkontribusi terhadap nilai absolut Isc yang lebih kecil pada suhu tinggi.
Perhatikan bahwa hasil yang diberikan pada Gambar 2,3 diperoleh dengan penyinaran laser pada area di sekitar elektroda katode. Pengukuran juga telah diulang dengan titik laser yang diposisikan di anoda dan karakteristik IV dan sifat fotovoltaik yang serupa telah diamati kecuali bahwa polaritas Voc dan Isc telah terbalik dalam kasus ini. Semua data ini mengarah pada mekanisme untuk efek fotovoltaik, yang terkait erat dengan antarmuka superkonduktor-logam.
Singkatnya, karakteristik IV dari sistem pasta superkonduktor YBCO-Ag yang diiradiasi laser telah diukur sebagai fungsi suhu dan intensitas laser. Efek fotovoltaik yang luar biasa telah diamati dalam kisaran suhu dari 50 hingga 300 K. Ditemukan bahwa sifat fotovoltaik berkorelasi kuat dengan superkonduktivitas keramik YBCO. Pembalikan polaritas Voc dan Isc terjadi segera setelah transisi superkonduktor yang diinduksi foto menjadi non-superkonduktor. Ketergantungan suhu Voc dan Isc yang diukur pada intensitas laser tetap juga menunjukkan pembalikan polaritas yang jelas pada suhu kritis di atas mana sampel menjadi resistif. Dengan menempatkan titik laser ke bagian sampel yang berbeda, kami menunjukkan bahwa ada potensi listrik di seluruh antarmuka, yang menyediakan gaya pemisahan untuk pasangan elektron-lubang yang diinduksi foto. Potensi antarmuka ini mengarah dari YBCO ke elektroda logam saat YBCO menjadi superkonduktor dan beralih ke arah yang berlawanan saat sampel menjadi non-superkonduktor. Asal usul potensi tersebut mungkin secara alami terkait dengan efek kedekatan pada antarmuka logam-superkonduktor saat YBCO bersifat superkonduktor dan diperkirakan sebesar ~10−8 mV pada 50 K dengan intensitas laser sebesar 502 mW/cm2. Kontak material tipe-p YBCO pada keadaan normal dengan material tipe-n pasta Ag membentuk sambungan kuasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku fotovoltaik keramik YBCO pada suhu tinggi. Pengamatan di atas menjelaskan 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.
Percobaan 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 berjari-jari 1,25 mm. Menggunakan sampel massal daripada sampel film tipis memungkinkan kita untuk mempelajari sifat fotovoltaik superkonduktor tanpa harus berurusan dengan pengaruh substrat yang rumit6,7. Selain itu, material massal dapat mendukung prosedur persiapannya yang sederhana dan biaya yang relatif rendah. Kabel timah tembaga dikoherensikan pada sampel YBCO dengan pasta perak yang 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. et al. Asal usul efek fotovoltaik dalam 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 dalam YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asal usul sinyal fotovoltaik anomali dalam 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 Bi-Sr-Ca-Cu-O superkonduktor. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, dkk. Tegangan transien yang diinduksi laser dalam film suhu ruangan YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Respons fotovoltaik anomali di YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeksi pembawa lubang fotogenik ke YBa2Cu3O7−x dalam heterostruktur oksida. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. dkk. Studi fotoemisi lapisan tipis YBa2Cu3Oy di bawah pencahayaan 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 dalam 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 sementara dalam kristal tunggal semikonduktor YBa2Cu3O6.3: pencarian keadaan metalik fotoinduksi dan superkonduktivitas fotoinduksi. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Model terowongan efek kedekatan superkonduktor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. dkk. Efek kedekatan superkonduktor diuji pada skala panjang mesoskopik. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efek kedekatan dengan superkonduktor noncentrosymmetric. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM dkk. Efek kedekatan superkonduktor yang kuat dalam struktur hibrida Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Sel foto sambungan pn silikon baru untuk mengubah radiasi matahari menjadi tenaga listrik. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efek pengotor pada panjang koherensi superkonduktor dalam kristal tunggal YBa2Cu3O6.9 yang didoping Zn atau Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetorresistansi kristal tunggal YBa2Cu3Oy yang tidak berpasangan dalam berbagai macam doping: ketergantungan koherensi terhadap doping lubang yang tidak normal. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika dalam daya termoelektrik oksida ber-T tinggi. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. dkk. Pergeseran momentum puncak koheren dan mode fonon LO yang bergantung pada kepadatan pembawa pada superkonduktor Tc tinggi tipe-p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. dkk. Reduksi lubang dan akumulasi elektron dalam lapisan tipis YBa2Cu3Oy menggunakan teknik elektrokimia: Bukti untuk keadaan logam tipe-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fisika dan kimia dari tinggi penghalang Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efek Pemutusan Pasangan Eksternal Dinamis pada Lapisan Superkonduktor. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. dkk. Peningkatan superkonduktivitas yang diinduksi foto. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI dkk. Fotokonduktivitas persisten dalam film YBa2Cu3O6+x sebagai metode fotodoping terhadap fase metalik dan superkonduktor. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dinamika kisi nonlinier sebagai dasar peningkatan superkonduktivitas dalam YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. dkk. Superkonduktivitas yang diinduksi cahaya dalam kuprat yang tersusun menurut 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 Efek suhu pada sel surya silikon penghalang Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Ketergantungan suhu untuk parameter perangkat fotovoltaik sel surya polimer-fullerene dalam kondisi operasi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Pekerjaan ini telah didukung oleh Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok (Nomor Hibah 60571063), 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 naskah.
Karya ini dilisensikan berdasarkan Lisensi Internasional Creative Commons Attribution 4.0. Gambar atau materi pihak ketiga lainnya dalam artikel ini disertakan dalam lisensi Creative Commons artikel tersebut, kecuali dinyatakan lain dalam baris kredit; jika materi tersebut tidak disertakan dalam lisensi Creative Commons, pengguna harus memperoleh izin dari pemegang lisensi untuk memperbanyak materi tersebut. Untuk melihat salinan lisensi ini, kunjungi http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asal usul efek fotovoltaik dalam keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Dengan mengirimkan komentar, Anda setuju untuk mematuhi Persyaratan dan Pedoman Komunitas kami. Jika Anda menemukan sesuatu yang kasar atau tidak sesuai dengan persyaratan atau pedoman kami, harap tandai sebagai tidak pantas.
Waktu posting: 22-Apr-2020