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Riportiamo un notevole effetto fotovoltaico nella ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) tra 50 e 300 K indotto dall'illuminazione con laser blu, che è direttamente correlato alla superconduttività dell'YBCO e all'interfaccia YBCO-elettrodo metallico. Si verifica un'inversione di polarità per la tensione a circuito aperto Voc e la corrente di cortocircuito Isc quando l'YBCO subisce una transizione dallo stato superconduttore a quello resistivo. Dimostriamo che esiste un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia superconduttore-metallo normale, che fornisce la forza di separazione per le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Questo potenziale di interfaccia è diretto dall'YBCO all'elettrodo metallico quando l'YBCO è superconduttore e si inverte nella direzione opposta quando l'YBCO diventa non superconduttore. L'origine del potenziale può essere facilmente associata all'effetto di prossimità all'interfaccia metallo-superconduttore quando l'YBCO è superconduttore e il suo valore è stimato essere ~10–8 mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm2. La combinazione di un materiale di tipo p, YBCO, allo stato normale con un materiale di tipo n, la pasta d'argento, forma una giunzione quasi-pn, responsabile del comportamento fotovoltaico delle ceramiche YBCO ad alte temperature. I nostri risultati potrebbero aprire la strada a nuove applicazioni di dispositivi fotoelettronici e far luce sull'effetto di prossimità all'interfaccia superconduttore-metallo.
La fototensione indotta nei superconduttori ad alta temperatura è stata segnalata all'inizio degli anni '90 ed è stata ampiamente studiata da allora, tuttavia la sua natura e il suo meccanismo rimangono ancora da chiarire1,2,3,4,5. I film sottili di YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, in particolare, sono studiati intensamente sotto forma di celle fotovoltaiche (PV) grazie al loro gap energetico regolabile9,10,11,12,13. Tuttavia, l'elevata resistenza del substrato porta sempre a una bassa efficienza di conversione del dispositivo e maschera le proprietà fotovoltaiche primarie dell'YBCO8. Qui riportiamo un notevole effetto fotovoltaico indotto dall'illuminazione con laser blu (λ = 450 nm) nella ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) tra 50 e 300 K (Tc ~ 90 K). Dimostriamo che l'effetto fotovoltaico è direttamente correlato alla superconduttività dell'YBCO e alla natura dell'interfaccia YBCO-elettrodo metallico. Si verifica un'inversione di polarità per la tensione a circuito aperto Voc e la corrente di cortocircuito Isc quando l'YBCO subisce una transizione dalla fase superconduttrice a uno stato resistivo. Si ipotizza l'esistenza di un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia superconduttore-metallo normale, che fornisce la forza di separazione per le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Questo potenziale di interfaccia è diretto dall'YBCO all'elettrodo metallico quando l'YBCO è superconduttore e si inverte quando il campione diventa non superconduttore. L'origine del potenziale può essere naturalmente associata all'effetto di prossimità14,15,16,17 all'interfaccia metallo-superconduttore quando l'YBCO è superconduttore e il suo valore è stimato essere ~10−8 mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm2. La combinazione di un materiale di tipo p, l'YBCO, allo stato normale con un materiale di tipo n, la pasta d'argento, forma, molto probabilmente, una giunzione quasi-pn, responsabile del comportamento fotovoltaico delle ceramiche di YBCO ad alte temperature. Le nostre osservazioni gettano ulteriore luce sull'origine dell'effetto fotovoltaico nelle ceramiche superconduttrici YBCO ad alta temperatura e aprono la strada alla sua applicazione in dispositivi optoelettronici come fotorivelatori passivi veloci, ecc.
La Figura 1a-c mostra le caratteristiche I-V del campione ceramico di YBCO a 50 K. In assenza di illuminazione, la tensione ai capi del campione rimane a zero al variare della corrente, come ci si aspetterebbe da un materiale superconduttore. Un evidente effetto fotovoltaico appare quando il raggio laser è diretto sul catodo (Fig. 1a): la curva I-V parallela all'asse I si sposta verso il basso all'aumentare dell'intensità del laser. È evidente che si verifica una tensione fotoindotta negativa anche in assenza di corrente (spesso chiamata tensione a circuito aperto Voc). La pendenza nulla della curva I-V indica che il campione è ancora superconduttore sotto illuminazione laser.
(a–c) e 300 K (e–g). I valori di V(I) sono stati ottenuti variando la corrente da −10 mA a +10 mA nel vuoto. Solo una parte dei dati sperimentali è presentata per chiarezza. a, Caratteristiche corrente-tensione di YBCO misurate con il punto laser posizionato sul catodo (i). Tutte le curve IV sono linee rette orizzontali che indicano che il campione è ancora superconduttore con l'irradiazione laser. La curva si sposta verso il basso con l'aumentare dell'intensità del laser, indicando che esiste un potenziale negativo (Voc) tra i due terminali di tensione anche con corrente zero. Le curve IV rimangono invariate quando il laser è diretto al centro del campione a 50 K (b) o 300 K (f). La linea orizzontale si sposta verso l'alto quando l'anodo viene illuminato (c). Un modello schematico della giunzione metallo-superconduttore a 50 K è mostrato in d. Le caratteristiche corrente-tensione di YBCO allo stato normale a 300 K misurate con il raggio laser puntato sul catodo e sull'anodo sono riportate rispettivamente in e e g. A differenza dei risultati a 50 K, la pendenza non nulla delle rette indica che YBCO è nello stato normale; i valori di Voc variano con l'intensità luminosa in direzione opposta, indicando un diverso meccanismo di separazione di carica. Una possibile struttura dell'interfaccia a 300 K è raffigurata in hj. L'immagine reale del campione con i terminali.
L'YBCO ricco di ossigeno nello stato superconduttore può assorbire quasi l'intero spettro della luce solare grazie al suo piccolissimo gap energetico (Eg)9,10, creando così coppie elettrone-lacuna (e-h). Per produrre una tensione a circuito aperto Voc mediante l'assorbimento di fotoni, è necessario separare spazialmente le coppie e-h fotogenerate prima che avvenga la ricombinazione18. La Voc negativa, rispetto al catodo e all'anodo come indicato in Fig. 1i, suggerisce che esiste un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia metallo-superconduttore, che spinge gli elettroni verso l'anodo e le lacune verso il catodo. In tal caso, dovrebbe esserci anche un potenziale che punta dal superconduttore all'elettrodo metallico all'anodo. Di conseguenza, si otterrebbe una Voc positiva se l'area del campione vicino all'anodo fosse illuminata. Inoltre, non dovrebbero esserci tensioni fotoindotte quando il punto laser è puntato su aree lontane dagli elettrodi. Questo è certamente il caso, come si può vedere dalle Fig. 1b,c!.
Quando il punto luminoso si sposta dall'elettrodo catodico al centro del campione (a circa 1,25 mm dalle interfacce), non si osserva alcuna variazione delle curve I-V e nessuna Voc con l'aumentare dell'intensità del laser fino al valore massimo disponibile (Fig. 1b). Naturalmente, questo risultato può essere attribuito alla durata limitata dei portatori fotoindotti e alla mancanza di forza di separazione nel campione. Le coppie elettrone-lacuna possono essere create ogni volta che il campione viene illuminato, ma la maggior parte delle coppie e-h verrà annientata e non si osserva alcun effetto fotovoltaico se il punto laser cade su aree lontane da uno qualsiasi degli elettrodi. Spostando il punto laser sugli elettrodi anodici, le curve I-V parallele all'asse I si spostano verso l'alto con l'aumentare dell'intensità del laser (Fig. 1c). Un campo elettrico intrinseco simile esiste nella giunzione metallo-superconduttore all'anodo. Tuttavia, questa volta l'elettrodo metallico è collegato al conduttore positivo del sistema di test. Le lacune prodotte dal laser vengono spinte verso il conduttore anodico e quindi si osserva una Voc positiva. I risultati qui presentati forniscono una solida prova dell'esistenza di un potenziale di interfaccia che va dal superconduttore all'elettrodo metallico.
L'effetto fotovoltaico nelle ceramiche YBa2Cu3O6.96 a 300 K è mostrato nelle Fig. 1e-g. In assenza di illuminazione, la curva I-V del campione è una linea retta passante per l'origine. Questa linea retta si sposta verso l'alto parallelamente a quella originale con l'aumentare dell'intensità del laser che irradia i terminali del catodo (Fig. 1e). Per un dispositivo fotovoltaico, ci sono due casi limite di interesse. La condizione di cortocircuito si verifica quando V = 0. La corrente in questo caso è detta corrente di cortocircuito (Isc). Il secondo caso limite è la condizione di circuito aperto (Voc) che si verifica quando R→∞ o la corrente è zero. La Figura 1e mostra chiaramente che Voc è positiva e aumenta con l'aumentare dell'intensità luminosa, in contrasto con il risultato ottenuto a 50 K; mentre si osserva una Isc negativa che aumenta in modulo con l'illuminazione, un comportamento tipico delle normali celle solari.
Analogamente, quando il raggio laser è puntato su aree lontane dagli elettrodi, la curva V(I) è indipendente dall'intensità del laser e non si osserva alcun effetto fotovoltaico (Fig. 1f). Analogamente alla misurazione a 50 K, le curve IV si spostano nella direzione opposta quando l'elettrodo anodico viene irradiato (Fig. 1g). Tutti questi risultati ottenuti per questo sistema di pasta YBCO-Ag a 300 K con il laser irradiato in diverse posizioni del campione sono coerenti con un potenziale di interfaccia opposto a quello osservato a 50 K.
Nella regione superconduttrice YBCO, al di sotto della sua temperatura di transizione Tc, la maggior parte degli elettroni si condensa in coppie di Cooper. Nell'elettrodo metallico, invece, tutti gli elettroni rimangono in forma singolare. In prossimità dell'interfaccia metallo-superconduttore si osserva un elevato gradiente di densità sia per gli elettroni singoli che per le coppie di Cooper. Gli elettroni singoli, portatori di carica maggioritari nel materiale metallico, diffondono nella regione superconduttrice, mentre le coppie di Cooper, anch'esse portatrici di carica maggioritari, nella regione YBCO diffondono nella regione metallica. Poiché le coppie di Cooper, che trasportano più carica e hanno una mobilità maggiore rispetto agli elettroni singoli, diffondono da YBCO nella regione metallica, gli atomi caricati positivamente rimangono indietro, generando un campo elettrico nella regione di carica spaziale. La direzione di questo campo elettrico è illustrata nello schema in Figura 1d. L'illuminazione con fotoni incidenti in prossimità della regione di carica spaziale può creare coppie di elettroni che vengono separate e trascinate via, producendo una fotocorrente in direzione di polarizzazione inversa. Non appena gli elettroni escono dal campo elettrico intrinseco, si condensano in coppie e fluiscono verso l'altro elettrodo senza resistenza. In questo caso, la Voc è opposta alla polarità preimpostata e mostra un valore negativo quando il raggio laser punta verso l'area intorno all'elettrodo negativo. Dal valore di Voc, è possibile stimare il potenziale attraverso l'interfaccia: la distanza tra i due conduttori di tensione d è ~5 × 10−3 m, lo spessore dell'interfaccia metallo-superconduttore, di, dovrebbe essere dello stesso ordine di grandezza della lunghezza di coerenza del superconduttore YBCO (~1 nm)19,20, prendendo il valore di Voc = 0,03 mV, il potenziale Vms all'interfaccia metallo-superconduttore è valutato essere ~10−11 V a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm2, utilizzando l'equazione,
Vogliamo sottolineare che la tensione fotoindotta non può essere spiegata dall'effetto fototermico. È stato sperimentalmente stabilito che il coefficiente di Seebeck del superconduttore YBCO è Ss = 0,21. Il coefficiente di Seebeck per i fili di rame è compreso tra SCu = 0,34 e 1,15 μV/K³. La temperatura del filo di rame nel punto di irradiazione laser può essere aumentata di una piccola quantità di 0,06 K con la massima intensità laser disponibile a 50 K. Ciò potrebbe produrre un potenziale termoelettrico di 6,9 × 10⁻⁸ V, che è tre ordini di grandezza inferiore alla Voc ottenuta in Fig. 1 (a). È evidente che l'effetto termoelettrico è troppo piccolo per spiegare i risultati sperimentali. Infatti, la variazione di temperatura dovuta all'irradiazione laser scomparirebbe in meno di un minuto, quindi il contributo dell'effetto termico può essere tranquillamente ignorato.
Questo effetto fotovoltaico dell'YBCO a temperatura ambiente rivela che qui è coinvolto un diverso meccanismo di separazione delle cariche. L'YBCO superconduttore nello stato normale è un materiale di tipo p con lacune come portatori di carica22,23, mentre la pasta di Ag metallico ha le caratteristiche di un materiale di tipo n. Similmente alle giunzioni pn, la diffusione degli elettroni nella pasta d'argento e delle lacune nella ceramica YBCO formerà un campo elettrico interno orientato verso la ceramica YBCO all'interfaccia (Fig. 1h). È questo campo interno che fornisce la forza di separazione e porta a una Voc positiva e a una Isc negativa per il sistema pasta YBCO-Ag a temperatura ambiente, come mostrato in Fig. 1e. In alternativa, Ag-YBCO potrebbe formare una giunzione Schottky di tipo p che porta anche a un potenziale di interfaccia con la stessa polarità del modello presentato sopra24.
Per studiare il processo di evoluzione dettagliato delle proprietà fotovoltaiche durante la transizione superconduttiva di YBCO, sono state misurate le curve IV del campione a 80 K con intensità laser selezionate che illuminavano l'elettrodo catodico (Fig. 2). Senza irradiazione laser, la tensione ai capi del campione rimane a zero indipendentemente dalla corrente, indicando lo stato superconduttivo del campione a 80 K (Fig. 2a). Analogamente ai dati ottenuti a 50 K, le curve IV parallele all'asse I si spostano verso il basso con l'aumentare dell'intensità laser fino al raggiungimento di un valore critico Pc. Al di sopra di questa intensità laser critica (Pc), il superconduttore subisce una transizione da una fase superconduttiva a una fase resistiva; la tensione inizia ad aumentare con la corrente a causa della comparsa di resistenza nel superconduttore. Di conseguenza, la curva IV inizia a intersecare con l'asse I e l'asse V portando inizialmente a una Voc negativa e a una Isc positiva. Ora il campione sembra trovarsi in uno stato speciale in cui la polarità di Voc e Isc è estremamente sensibile all'intensità luminosa; Con un piccolissimo aumento dell'intensità luminosa, Isc passa da un valore positivo a uno negativo e Voc da un valore negativo a uno positivo, passando per l'origine (l'elevata sensibilità delle proprietà fotovoltaiche, in particolare del valore di Isc, all'illuminazione luminosa è visibile più chiaramente nella Fig. 2b). Alla massima intensità laser disponibile, le curve I-V tendono ad essere parallele tra loro, indicando lo stato normale del campione YBCO.
Il centro del punto laser è posizionato attorno agli elettrodi del catodo (vedere Fig. 1i). a, Curve I-V di YBCO irradiato con diverse intensità laser. b (in alto), Dipendenza dall'intensità laser della tensione a circuito aperto Voc e della corrente di cortocircuito Isc. I valori di Isc non possono essere ottenuti a bassa intensità luminosa ( < 110 mW/cm2) perché le curve I-V sono parallele all'asse I quando il campione è in stato superconduttore. b (in basso), Resistenza differenziale in funzione dell'intensità laser.
La dipendenza di Voc e Isc dall'intensità del laser a 80 K è mostrata in Fig. 2b (in alto). Le proprietà fotovoltaiche possono essere discusse in tre regioni di intensità luminosa. La prima regione è compresa tra 0 e Pc, in cui YBCO è superconduttore, Voc è negativo e diminuisce (il valore assoluto aumenta) con l'intensità luminosa raggiungendo un minimo in corrispondenza di Pc. La seconda regione va da Pc a un'altra intensità critica P0, in cui Voc aumenta mentre Isc diminuisce con l'aumentare dell'intensità luminosa ed entrambi raggiungono lo zero in corrispondenza di P0. La terza regione è al di sopra di P0 fino al raggiungimento dello stato normale di YBCO. Sebbene sia Voc che Isc varino con l'intensità luminosa nello stesso modo della regione 2, hanno polarità opposta al di sopra dell'intensità critica P0. Il significato di P0 risiede nel fatto che non vi è alcun effetto fotovoltaico e il meccanismo di separazione di carica cambia qualitativamente in questo punto particolare. Il campione di YBCO diventa non superconduttore in questo intervallo di intensità luminosa, ma lo stato normale non è ancora stato raggiunto.
Chiaramente, le caratteristiche fotovoltaiche del sistema sono strettamente correlate alla superconduttività dell'YBCO e alla sua transizione superconduttiva. La resistenza differenziale, dV/dI, dell'YBCO è mostrata in Fig. 2b (in basso) in funzione dell'intensità del laser. Come accennato in precedenza, il potenziale elettrico intrinseco all'interfaccia dovuto alla diffusione delle coppie di Cooper punta dal superconduttore al metallo. Analogamente a quanto osservato a 50 K, l'effetto fotovoltaico aumenta con l'aumentare dell'intensità del laser da 0 a Pc. Quando l'intensità del laser raggiunge un valore leggermente superiore a Pc, la curva I-V inizia a inclinarsi e la resistenza del campione inizia ad apparire, ma la polarità del potenziale di interfaccia non è ancora cambiata. L'effetto dell'eccitazione ottica sulla superconduttività è stato studiato nella regione del visibile o del vicino infrarosso. Mentre il processo di base consiste nel rompere le coppie di Cooper e distruggere la superconduttività25,26, in alcuni casi la transizione superconduttiva può essere potenziata27,28,29, e possono persino essere indotte nuove fasi di superconduttività30. L'assenza di superconduttività a Pc può essere attribuita alla rottura delle coppie fotoindotta. Nel punto P0, il potenziale attraverso l'interfaccia diventa zero, indicando che la densità di carica su entrambi i lati dell'interfaccia raggiunge lo stesso livello a questa particolare intensità di illuminazione. Un ulteriore aumento dell'intensità del laser comporta la distruzione di un maggior numero di coppie di Cooper e la graduale trasformazione dell'YBCO in un materiale di tipo p. Invece della diffusione di elettroni e coppie di Cooper, la caratteristica dell'interfaccia è ora determinata dalla diffusione di elettroni e lacune, che porta a un'inversione di polarità del campo elettrico nell'interfaccia e di conseguenza a una Voc positiva (confronta Fig. 1d,h). A intensità laser molto elevate, la resistenza differenziale dell'YBCO si satura a un valore corrispondente allo stato normale e sia Voc che Isc tendono a variare linearmente con l'intensità del laser (Fig. 2b). Questa osservazione rivela che l'irradiazione laser sull'YBCO allo stato normale non modificherà più la sua resistività e la caratteristica dell'interfaccia superconduttore-metallo, ma aumenterà solo la concentrazione delle coppie elettrone-lacuna.
Per studiare l'effetto della temperatura sulle proprietà fotovoltaiche, il sistema metallo-superconduttore è stato irradiato al catodo con un laser blu di intensità pari a 502 mW/cm². Le curve I-V ottenute a temperature selezionate tra 50 e 300 K sono riportate in Figura 3a. La tensione a circuito aperto Voc, la corrente di cortocircuito Isc e la resistenza differenziale possono quindi essere ricavate da queste curve I-V e sono mostrate in Figura 3b. In assenza di illuminazione, tutte le curve I-V misurate a diverse temperature passano per l'origine come previsto (riquadro in Figura 3a). Le caratteristiche I-V cambiano drasticamente con l'aumentare della temperatura quando il sistema viene illuminato da un fascio laser relativamente intenso (502 mW/cm²). A basse temperature le curve I-V sono linee rette parallele all'asse I con valori negativi di Voc. Questa curva si sposta verso l'alto con l'aumentare della temperatura e si trasforma gradualmente in una linea con pendenza diversa da zero a una temperatura critica Tcp (Figura 3a (in alto)). Sembra che tutte le curve caratteristiche I-V ruotino attorno a un punto nel terzo quadrante. Voc aumenta da un valore negativo a uno positivo, mentre Isc diminuisce da un valore positivo a uno negativo. Al di sopra della temperatura di transizione superconduttiva originale Tc dell'YBCO, la curva I-V cambia in modo piuttosto diverso con la temperatura (parte inferiore della Fig. 3a). In primo luogo, il centro di rotazione delle curve I-V si sposta nel primo quadrante. In secondo luogo, Voc continua a diminuire e Isc ad aumentare con l'aumentare della temperatura (parte superiore della Fig. 3b). In terzo luogo, la pendenza delle curve I-V aumenta linearmente con la temperatura, determinando un coefficiente di temperatura della resistenza positivo per l'YBCO (parte inferiore della Fig. 3b).
Dipendenza dalla temperatura delle caratteristiche fotovoltaiche del sistema pasta YBCO-Ag sotto illuminazione laser di 502 mW/cm2.
Il centro del punto laser è posizionato attorno agli elettrodi del catodo (vedere Fig. 1i). a, Curve I-V ottenute da 50 a 90 K (in alto) e da 100 a 300 K (in basso) con un incremento di temperatura rispettivamente di 5 K e 20 K. L'inserto a mostra le caratteristiche I-V a diverse temperature al buio. Tutte le curve attraversano il punto di origine. b, tensione a circuito aperto Voc e corrente di cortocircuito Isc (in alto) e resistenza differenziale, dV/dI, di YBCO (in basso) in funzione della temperatura. La temperatura di transizione superconduttiva a resistenza zero Tcp non è riportata perché è troppo vicina a Tc0.
Dalla Figura 3b si possono individuare tre temperature critiche: Tcp, al di sopra della quale l'YBCO non è più superconduttore; Tc0, alla quale sia Voc che Isc diventano zero; e Tc, la temperatura di transizione superconduttiva originale dell'YBCO senza irradiazione laser. Al di sotto di Tcp ~ 55 K, l'YBCO irradiato con laser si trova in uno stato superconduttore con una concentrazione relativamente elevata di coppie di Cooper. L'effetto dell'irradiazione laser è quello di ridurre la temperatura di transizione superconduttiva a resistenza zero da 89 K a ~55 K (parte inferiore della Figura 3b) diminuendo la concentrazione di coppie di Cooper, oltre a produrre tensione e corrente fotovoltaiche. L'aumento della temperatura provoca anche la rottura delle coppie di Cooper, portando a un potenziale inferiore all'interfaccia. Di conseguenza, il valore assoluto di Voc diminuirà, sebbene venga applicata la stessa intensità di illuminazione laser. Il potenziale di interfaccia diminuirà sempre di più con l'ulteriore aumento della temperatura e raggiungerà lo zero a Tc0. In questo punto particolare non si verifica alcun effetto fotovoltaico perché non c'è campo interno che separi le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Al di sopra di questa temperatura critica si verifica un'inversione di polarità del potenziale, poiché la densità di carica libera nella pasta di Ag è maggiore di quella nell'YBCO, che viene gradualmente trasferita nuovamente a un materiale di tipo p. Vogliamo sottolineare che l'inversione di polarità di Voc e Isc si verifica immediatamente dopo la transizione superconduttiva a resistenza zero, indipendentemente dalla causa della transizione. Questa osservazione rivela chiaramente, per la prima volta, la correlazione tra superconduttività ed effetti fotovoltaici associati al potenziale di interfaccia metallo-superconduttore. La natura di questo potenziale attraverso l'interfaccia superconduttore-metallo normale è stata al centro della ricerca negli ultimi decenni, ma molte domande attendono ancora una risposta. La misurazione dell'effetto fotovoltaico potrebbe rivelarsi un metodo efficace per esplorare i dettagli (come la sua intensità e polarità, ecc.) di questo importante potenziale e quindi far luce sull'effetto di prossimità superconduttivo ad alta temperatura.
Un ulteriore aumento della temperatura da Tc0 a Tc porta a una minore concentrazione di coppie di Cooper e a un incremento del potenziale di interfaccia e, di conseguenza, a una Voc maggiore. A Tc la concentrazione di coppie di Cooper diventa zero e il potenziale intrinseco all'interfaccia raggiunge un massimo, con conseguente Voc massima e Isc minima. Il rapido aumento di Voc e Isc (valore assoluto) in questo intervallo di temperatura corrisponde alla transizione superconduttiva che si allarga da ΔT ~ 3 K a ~34 K mediante irradiazione laser di intensità 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Negli stati normali al di sopra di Tc, la tensione a circuito aperto Voc diminuisce con la temperatura (parte superiore della Fig. 3b), in modo simile al comportamento lineare di Voc per le normali celle solari basate su giunzioni pn31,32,33. Sebbene la variazione di Voc con la temperatura (−dVoc/dT), che dipende fortemente dall'intensità del laser, sia molto inferiore a quella delle celle solari normali, il coefficiente di temperatura di Voc per la giunzione YBCO-Ag ha lo stesso ordine di grandezza di quello delle celle solari. La corrente di dispersione di una giunzione pn per un normale dispositivo a cella solare aumenta con l'aumentare della temperatura, portando a una diminuzione di Voc all'aumentare della temperatura. Le curve I-V lineari osservate per questo sistema Ag-superconduttore, dovute in primo luogo al potenziale di interfaccia molto piccolo e in secondo luogo al collegamento back-to-back delle due eterogiunzioni, rendono difficile determinare la corrente di dispersione. Tuttavia, sembra molto probabile che la stessa dipendenza dalla temperatura della corrente di dispersione sia responsabile del comportamento di Voc osservato nel nostro esperimento. Secondo la definizione, Isc è la corrente necessaria per produrre una tensione negativa per compensare Voc in modo che la tensione totale sia zero. All'aumentare della temperatura, Voc diminuisce, quindi è necessaria meno corrente per produrre la tensione negativa. Inoltre, la resistenza di YBCO aumenta linearmente con la temperatura al di sopra di Tc (parte inferiore della Fig. 3b), il che contribuisce anche al valore assoluto inferiore di Isc ad alte temperature.
Si noti che i risultati riportati nelle Figure 2 e 3 sono ottenuti irradiando con il laser l'area intorno agli elettrodi del catodo. Le misurazioni sono state ripetute anche con il punto laser posizionato sull'anodo e sono state osservate caratteristiche I-V e proprietà fotovoltaiche simili, con la sola differenza che in questo caso la polarità di Voc e Isc è stata invertita. Tutti questi dati portano a un meccanismo per l'effetto fotovoltaico, che è strettamente correlato all'interfaccia superconduttore-metallo.
In sintesi, le caratteristiche I-V del sistema di pasta superconduttrice YBCO-Ag irradiato con laser sono state misurate in funzione della temperatura e dell'intensità del laser. È stato osservato un notevole effetto fotovoltaico nell'intervallo di temperatura da 50 a 300 K. Si è constatato che le proprietà fotovoltaiche sono fortemente correlate alla superconduttività della ceramica YBCO. Un'inversione di polarità di Voc e Isc si verifica immediatamente dopo la transizione da superconduttore a non superconduttore fotoindotta. La dipendenza dalla temperatura di Voc e Isc misurata a intensità laser fissa mostra anche una netta inversione di polarità a una temperatura critica al di sopra della quale il campione diventa resistivo. Posizionando il punto laser in diverse parti del campione, dimostriamo che esiste un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia, che fornisce la forza di separazione per le coppie elettrone-lacuna fotoindotte. Questo potenziale di interfaccia è diretto da YBCO all'elettrodo metallico quando YBCO è superconduttore e si inverte nella direzione opposta quando il campione diventa non superconduttore. L'origine del potenziale può essere naturalmente associata all'effetto di prossimità all'interfaccia metallo-superconduttore quando l'YBCO è superconduttore ed è stimata essere di circa 10⁻⁸ mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm². Il contatto di un materiale di tipo p, l'YBCO, allo stato normale con un materiale di tipo n, la pasta d'argento, forma una giunzione quasi-pn, responsabile del comportamento fotovoltaico delle ceramiche YBCO ad alte temperature. Le osservazioni di cui sopra fanno luce sull'effetto fotovoltaico nelle ceramiche YBCO superconduttrici ad alta temperatura e aprono la strada a nuove applicazioni in dispositivi optoelettronici come rivelatori di luce passivi veloci e rivelatori di singoli fotoni.
Gli esperimenti sull'effetto fotovoltaico sono stati condotti su un campione ceramico di YBCO di 0,52 mm di spessore e forma rettangolare di 8,64 × 2,26 mm², illuminato da un laser blu a onda continua (λ = 450 nm) con un punto laser di 1,25 mm di raggio. L'utilizzo di un campione massivo anziché di un film sottile consente di studiare le proprietà fotovoltaiche del superconduttore senza dover affrontare la complessa influenza del substrato⁶,⁷. Inoltre, il materiale massivo si presta bene alla sua semplice procedura di preparazione e al costo relativamente basso. I fili di rame sono fissati al campione di YBCO con pasta d'argento, formando quattro elettrodi circolari di circa 1 mm di diametro. La distanza tra i due elettrodi di tensione è di circa 5 mm. Le caratteristiche I-V del campione sono state misurate utilizzando un magnetometro a campione vibrante (VersaLab, Quantum Design) con una finestra a cristallo di quarzo. Per ottenere le curve I-V è stato impiegato il metodo standard a quattro fili. Le posizioni relative degli elettrodi e del punto laser sono mostrate in Fig. 1i.
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Questo lavoro è stato finanziato dalla National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60571063) e dai Fundamental Research Projects of Henan Province, China (Grant No. 122300410231).
FY ha scritto il testo dell'articolo e MYH ha preparato il campione ceramico di YBCO. FY e MYH hanno condotto l'esperimento e analizzato i risultati. FGC ha coordinato il progetto e curato l'interpretazione scientifica dei dati. Tutti gli autori hanno revisionato il manoscritto.
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Data di pubblicazione: 22 aprile 2020