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Segnaliamo un notevole effetto fotovoltaico nella ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) tra 50 e 300 K indotto dall'illuminazione laser blu, che è direttamente correlato alla superconduttività di 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 YBCO subisce una transizione dallo stato superconduttivo 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 si dirige da YBCO all'elettrodo metallico quando YBCO è superconduttore e cambia direzione quando YBCO diventa non superconduttore. L'origine del potenziale può essere facilmente associata all'effetto di prossimità all'interfaccia metallo-superconduttore quando YBCO è superconduttore e il suo valore è stimato in circa 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 una pasta di Ag di tipo n 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 fotone-elettronici e gettare ulteriore luce sull'effetto di prossimità all'interfaccia superconduttore-metallo.
La tensione fotoindotta nei superconduttori ad alta temperatura è stata segnalata all'inizio degli anni '90 e da allora ampiamente studiata, tuttavia la sua natura e il suo meccanismo rimangono incerti1,2,3,4,5. I film sottili di YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, in particolare, sono studiati intensamente sotto forma di celle fotovoltaiche (PV) a causa del 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 di YBCO8. Qui riportiamo il 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 di 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 superconduttiva a uno stato resistivo. Si ipotizza che esista 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 si dirige dall'YBCO all'elettrodo metallico quando l'YBCO è superconduttore e cambia direzione 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 in ~10−8 mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm². La combinazione di un materiale YBCO di tipo p allo stato normale con una pasta d'argento di tipo n forma, molto probabilmente, una giunzione quasi-pn che è responsabile del comportamento fotovoltaico delle ceramiche YBCO ad alte temperature. Le nostre osservazioni gettano ulteriore luce sull'origine dell'effetto PV nella ceramica superconduttrice YBCO ad alta temperatura e aprono la strada alla sua applicazione in dispositivi optoelettronici quali i rilevatori di luce passivi rapidi, ecc.
Le Figure 1a–c mostrano le caratteristiche IV del campione ceramico YBCO a 50 K. In assenza di illuminazione, la tensione ai capi del campione rimane a zero al variare della corrente, come ci si può aspettare da un materiale superconduttore. Un evidente effetto fotovoltaico si manifesta quando il raggio laser viene diretto al catodo (Fig. 1a): le curve IV parallele all'asse I si muovono verso il basso all'aumentare dell'intensità laser. È evidente che è presente una tensione fotoindotta negativa anche in assenza di corrente (spesso chiamata tensione a circuito aperto Voc). La pendenza nulla della curva IV 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 facendo passare la corrente da -10 mA a +10 mA nel vuoto. Per maggiore chiarezza, viene presentata solo una parte dei dati sperimentali. a, Caratteristiche corrente-tensione di YBCO misurate con il raggio 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 muove verso il basso con l'aumentare dell'intensità del laser, indicando che esiste un potenziale negativo (Voc) tra i due terminali di tensione anche a corrente nulla. 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 muove verso l'alto quando l'anodo è illuminato (c). Un modello schematico di una 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. Contrariamente ai risultati a 50 K, la pendenza diversa da zero delle linee rette indica che YBCO è in stato normale; i valori di Voc variano con l'intensità luminosa in direzione opposta, indicando un diverso meccanismo di separazione delle cariche. Una possibile struttura di interfaccia a 300 K è rappresentata in hj. 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 assorbimento di fotoni, è necessario separare spazialmente le coppie eh generate dalla foto prima che avvenga la ricombinazione18. La Voc negativa, relativa al catodo e all'anodo come indicato in Fig. 1i, suggerisce che esista un potenziale elettrico attraverso l'interfaccia metallo-superconduttore, che trascina gli elettroni verso l'anodo e le lacune verso il catodo. Se così fosse, 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 viene puntato verso aree lontane dagli elettrodi. Ciò è certamente vero, 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 IV né alcuna Voc aumentando l'intensità 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. Coppie elettrone-lacuna possono essere create ogni volta che il campione viene illuminato, ma la maggior parte delle coppie e-h verrà annichilata e non si osserva alcun effetto fotovoltaico se il punto luminoso laser cade su aree lontane da uno qualsiasi degli elettrodi. Spostando il punto luminoso verso gli elettrodi anodici, le curve IV parallele all'asse I si muovono verso l'alto con l'aumentare dell'intensità laser (Fig. 1c). Un campo elettrico interno simile esiste nella giunzione metallo-superconduttore all'anodo. Tuttavia, questa volta l'elettrodo metallico si collega al terminale positivo del sistema di test. Le lacune prodotte dal laser vengono spinte verso il terminale anodico e quindi si osserva una Voc positiva. I risultati qui presentati forniscono una solida prova del fatto che esiste effettivamente un potenziale di interfaccia che punta dal superconduttore all'elettrodo metallico.
L'effetto fotovoltaico nella ceramica YBa2Cu3O6.96 a 300 K è mostrato nelle Fig. 1e–g. In assenza di illuminazione, la curva IV del campione è una retta che attraversa l'origine. Questa retta si muove verso l'alto parallelamente a quella originale con l'aumentare dell'intensità laser che irradia i terminali del catodo (Fig. 1e). Esistono due casi limite di interesse per un dispositivo fotovoltaico. La condizione di cortocircuito si verifica quando V = 0. La corrente in questo caso è definita 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 una Isc negativa aumenta di magnitudine con l'illuminazione, un comportamento tipico delle normali celle solari.
Analogamente, quando il raggio laser viene puntato verso aree lontane dagli elettrodi, la curva V(I) è indipendente dall'intensità laser e non si verifica alcun effetto fotovoltaico (Fig. 1f). Analogamente alla misurazione a 50 K, le curve IV si muovono 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 laser irradiato in diverse posizioni del campione sono coerenti con un potenziale di interfaccia opposto a quello osservato a 50 K.
La maggior parte degli elettroni condensa in coppie di Cooper nel superconduttore YBCO al di sotto della sua temperatura di transizione Tc. Nell'elettrodo metallico, tutti gli elettroni rimangono allo stato singolare. Vi è un ampio gradiente di densità sia per gli elettroni singolari che per le coppie di Cooper in prossimità dell'interfaccia metallo-superconduttore. Gli elettroni singolari portatori di maggioranza nel materiale metallico diffonderanno nella regione del superconduttore, mentre le coppie di Cooper portatori di maggioranza nella regione YBCO diffonderanno nella regione del metallo. Poiché le coppie di Cooper con più cariche e una maggiore mobilità rispetto agli elettroni singolari diffondono da YBCO nella regione metallica, gli atomi carichi positivamente rimangono indietro, con conseguente creazione di un campo elettrico nella regione di carica spaziale. La direzione di questo campo elettrico è mostrata nello schema elettrico in Figura 1d. L'illuminazione incidente di fotoni in prossimità della regione di carica spaziale può creare coppie eh che verranno separate e spazzate via, producendo una fotocorrente nella direzione di polarizzazione inversa. Non appena gli elettroni escono dal campo elettrico incorporato, 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 attorno all'elettrodo negativo. Dal valore di Voc, è possibile stimare il potenziale attraverso l'interfaccia: la distanza tra i due terminali 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; assumendo il valore di Voc = 0,03 mV, il potenziale Vms all'interfaccia metallo-superconduttore viene stimato in ~10−11 V a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm², utilizzando l'equazione,
Vogliamo sottolineare qui 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 nell'intervallo SCu = 0,34–1,15 μV/K³. La temperatura del filo di rame nel punto 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 al Voc ottenuto in Figura 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 di carica. L'YBCO superconduttore in stato normale è un materiale di tipo p con lacune come portatori di carica22,23, mentre la pasta metallica di Ag ha le caratteristiche di un materiale di tipo n. Analogamente alle giunzioni pn, la diffusione degli elettroni nella pasta d'argento e delle lacune nella ceramica di YBCO formerà un campo elettrico interno che punta verso la ceramica di 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 anch'essa a un potenziale di interfaccia con la stessa polarità del modello presentato sopra24.
Per studiare il processo evolutivo dettagliato delle proprietà fotovoltaiche durante la transizione superconduttiva di YBCO, le curve IV del campione a 80 K sono state misurate con intensità laser selezionate che illuminavano l'elettrodo catodico (Fig. 2). Senza irradiazione laser, la tensione ai capi del campione si mantiene 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 muovono 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 l'asse I e l'asse V, determinando inizialmente una Voc negativa e 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 aumento molto piccolo dell'intensità luminosa, Isc viene convertito da positivo a negativo e Voc da negativo a positivo, passando per l'origine (l'elevata sensibilità delle proprietà fotovoltaiche, in particolare il valore di Isc, all'illuminazione luminosa è visibile più chiaramente nella Figura 2b). Alla massima intensità laser disponibile, le curve IV tendono a essere parallele tra loro, a indicare lo stato normale del campione di YBCO.
Il centro del punto laser è posizionato attorno agli elettrodi del catodo (vedi Fig. 1i). a, curve IV di YBCO irradiato con diverse intensità laser. b (in alto), dipendenza dell'intensità laser dalla tensione a circuito aperto Voc e dalla corrente di cortocircuito Isc. I valori Isc non possono essere ottenuti a bassa intensità luminosa (< 110 mW/cm²) perché le curve IV 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 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 a Pc. La seconda regione è compresa tra Pc e un'altra intensità critica P0, in cui Voc aumenta mentre Isc diminuisce con l'aumentare dell'intensità luminosa ed entrambi raggiungono zero a 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 allo stesso modo della regione 2, hanno polarità opposta al di sopra dell'intensità critica P0. L'importanza di P0 risiede nel fatto che non vi è alcun effetto fotovoltaico e il meccanismo di separazione delle cariche cambia qualitativamente in questo particolare punto. Il campione di YBCO diventa non superconduttore in questo intervallo di intensità luminosa, ma lo stato normale deve ancora essere 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 incorporato nell'interfaccia dovuto alla diffusione delle coppie di Cooper si sposta 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 IV inizia a inclinarsi e la resistenza del campione inizia a manifestarsi, 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. Sebbene il processo di base consista nel rompere le coppie di Cooper e distruggere la superconduttività25,26, in alcuni casi la transizione superconduttiva può essere potenziata27,28,29, e si possono persino indurre nuove fasi di superconduttività30. L'assenza di superconduttività in Pc può essere attribuita alla rottura di coppia fotoindotta. Nel punto P0, il potenziale ai capi dell'interfaccia diventa zero, indicando che la densità di carica su entrambi i lati dell'interfaccia raggiunge lo stesso livello sotto questa particolare intensità di illuminazione luminosa. Un ulteriore aumento dell'intensità laser provoca la distruzione di un maggior numero di coppie di Cooper e l'YBCO viene gradualmente trasformato 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 fino a un valore corrispondente allo stato normale e sia Voc che Isc tendono a variare linearmente con l'intensità laser (Fig. 2b). Questa osservazione rivela che l'irradiazione laser sullo stato normale dell'YBCO non ne modifica più la resistività e le caratteristiche dell'interfaccia superconduttore-metallo, ma aumenta 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 IV ottenute a temperature selezionate tra 50 e 300 K sono riportate in Fig. 3a. Da queste curve IV si possono quindi ricavare la tensione a circuito aperto Voc, la corrente di cortocircuito Isc e la resistenza differenziale, che sono mostrate in Fig. 3b. In assenza di illuminazione, tutte le curve IV misurate a diverse temperature passano per l'origine, come previsto (inserto di Fig. 3a). Le caratteristiche IV cambiano drasticamente con l'aumentare della temperatura quando il sistema è illuminato da un fascio laser relativamente intenso (502 mW/cm²). A basse temperature, le curve IV sono linee rette parallele all'asse I con valori negativi di Voc. Questa curva si muove verso l'alto con l'aumentare della temperatura e si trasforma gradualmente in una retta con pendenza diversa da zero in corrispondenza di una temperatura critica Tcp (Fig. 3a (in alto)). Sembra che tutte le curve caratteristiche IV 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 un valore negativo. Al di sopra della temperatura di transizione superconduttiva originale Tc di YBCO, la curva IV cambia in modo piuttosto diverso con la temperatura (parte inferiore della Fig. 3a). In primo luogo, il centro di rotazione delle curve IV 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 IV aumenta linearmente con la temperatura, determinando un coefficiente di temperatura di resistenza positivo per YBCO (parte inferiore della Fig. 3b).
Dipendenza dalla temperatura delle caratteristiche fotovoltaiche del sistema di pasta YBCO-Ag sotto illuminazione laser da 502 mW/cm2.
Il centro del punto laser è posizionato attorno agli elettrodi catodici (vedi Fig. 1i). a, curve IV 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. Il riquadro a mostra le caratteristiche IV 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 nulla Tcp non è indicata perché troppo prossima a Tc0.
Dalla Fig. 3b si possono riconoscere tre temperature critiche: Tcp, al di sopra della quale YBCO diventa non superconduttore; Tc0, alla quale sia Voc che Isc diventano zero, e Tc, la temperatura di transizione superconduttiva iniziale di 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 Fig. 3b) riducendo la concentrazione di coppie di Cooper oltre a produrre tensione e corrente fotovoltaiche. L'aumento di temperatura rompe anche le coppie di Cooper, determinando 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 di temperatura e raggiungerà lo zero a Tc0. In questo punto specifico non si verifica alcun effetto fotovoltaico perché non vi è alcun campo interno a separare 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. Qui 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 la superconduttività e gli effetti fotovoltaici associati al potenziale di interfaccia metallo-superconduttore. La natura di questo potenziale attraverso l'interfaccia superconduttore-metallo normale è stata al centro dell'attenzione della ricerca negli ultimi decenni, ma ci sono ancora molte domande in attesa di 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 di temperatura da Tc0 a Tc porta a una minore concentrazione di coppie di Cooper e a un aumento del potenziale di interfaccia e, di conseguenza, a un aumento di Voc. A Tc la concentrazione di coppie di Cooper diventa zero e il potenziale di accumulo all'interfaccia raggiunge un massimo, con conseguente massimo Voc e minimo Isc. Il rapido aumento di Voc e Isc (valore assoluto) in questo intervallo di temperatura corrisponde alla transizione superconduttiva che viene ampliata da ΔT ~ 3 K a ~34 K mediante irradiazione laser di intensità 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Negli stati normali superiori a 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 velocità di variazione di Voc con la temperatura (−dVoc/dT), che dipende fortemente dall'intensità del laser, sia molto inferiore a quella delle normali celle solari, 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 IV lineari osservate per questo sistema Ag-superconduttore, dovute in primo luogo al potenziale di interfaccia molto basso e in secondo luogo alla connessione back-to-back delle due eterogiunzioni, rendono difficile determinare la corrente di dispersione. Ciononostante, 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 dell'YBCO aumenta linearmente con la temperatura superiore a Tc (parte inferiore della Fig. 3b), il che contribuisce anche al valore assoluto più piccolo di Isc ad alte temperature.
Si noti che i risultati riportati nelle Figure 2 e 3 sono ottenuti irradiando con il laser l'area circostante gli elettrodi del catodo. Le misurazioni sono state ripetute anche con il laser posizionato sull'anodo e sono state osservate caratteristiche IV e proprietà fotovoltaiche simili, ad eccezione del fatto che in questo caso la polarità di Voc e Isc è stata invertita. Tutti questi dati conducono a un meccanismo per l'effetto fotovoltaico, strettamente correlato all'interfaccia superconduttore-metallo.
In sintesi, le caratteristiche IV del sistema di pasta superconduttiva 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 compreso tra 50 e 300 K. Si è riscontrato che le proprietà fotovoltaiche sono fortemente correlate alla superconduttività delle ceramiche 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 punti diversi 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 si dirige da YBCO all'elettrodo metallico quando YBCO è superconduttore e cambia direzione 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 e si stima che sia ~10−8 mV a 50 K con un'intensità laser di 502 mW/cm². Il contatto di un materiale YBCO di tipo p allo stato normale con una pasta d'argento di tipo n forma una giunzione quasi-pn che è 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 i rivelatori di luce passivi veloci e i rivelatori di singoli fotoni.
Gli esperimenti sull'effetto fotovoltaico sono stati eseguiti su un campione ceramico di YBCO di 0,52 mm di spessore e 8,64 × 2,26 mm² di forma rettangolare, illuminato da un laser blu a onda continua (λ = 450 nm) con uno spot laser di 1,25 mm di raggio. L'utilizzo di campioni in massa anziché in film sottile ci ha consentito di studiare le proprietà fotovoltaiche del superconduttore senza dover affrontare la complessa influenza del substrato6,7. Inoltre, il materiale in massa potrebbe essere vantaggioso per la sua semplice procedura di preparazione e il costo relativamente basso. I fili conduttori in rame sono coerenti sul 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 IV del campione sono state misurate utilizzando il magnetometro a campione di vibrazione (VersaLab, Quantum Design) con una finestra al quarzo. Per ottenere le curve IV è stato utilizzato il metodo standard a quattro fili. Le posizioni relative degli elettrodi e dello spot laser sono mostrate in Fig. 1i.
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Questo lavoro è stato supportato dalla National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60571063) e dai Fundamental Research Projects of Henan Province, Cina (Grant No. 122300410231).
FY ha scritto il testo dell'articolo e MYH ha preparato il campione ceramico di YBCO. FY e MYH hanno eseguito l'esperimento e analizzato i risultati. FGC ha guidato il progetto e l'interpretazione scientifica dei dati. Tutti gli autori hanno revisionato il manoscritto.
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Data di pubblicazione: 22 aprile 2020