Asal-usul efek fotovoltaik ing keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96

Matur nuwun sampun ngunjungi nature.com. Panjenengan ngginakaken versi browser kanthi dhukungan CSS winates. Kangge pikantuk pengalaman paling sae, disaranake panjenengan ngginakaken browser ingkang langkung anyar (utawi mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kangge samenika, kangge njamin dhukungan ingkang terus-terusan, kita nampilaken situs tanpa gaya lan JavaScript.

Kita nglaporake efek fotovoltaik sing luar biasa ing keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antarane 50 lan 300 K sing diinduksi dening iluminasi laser biru, sing ana hubungane langsung karo superkonduktivitas YBCO lan antarmuka elektroda logam YBCO. Ana pembalikan polaritas kanggo voltase sirkuit terbuka Voc lan arus sirkuit pendek Isc nalika YBCO ngalami transisi saka superkonduktor menyang kahanan resistif. Kita nuduhake manawa ana potensial listrik ing antarmuka logam normal superkonduktor, sing nyedhiyakake gaya pamisahan kanggo pasangan elektron-lubang sing diinduksi foto. Potensial antarmuka iki ngarahake saka YBCO menyang elektroda logam nalika YBCO superkonduktor lan ngalih menyang arah sing ngelawan nalika YBCO dadi nonsuperkonduktor. Asal potensial bisa uga gampang digandhengake karo efek jarak ing antarmuka logam-superkonduktor nalika YBCO superkonduktor lan nilaine dikira-kira ~10-8 mV ing 50 K kanthi intensitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi bahan tipe-p YBCO ing kahanan normal karo bahan tipe-n Ag-paste mbentuk sambungan kuasi-pn sing tanggung jawab kanggo prilaku fotovoltaik keramik YBCO ing suhu dhuwur. Temuan kita bisa mbukak dalan kanggo aplikasi anyar piranti foton-elektronik lan menehi cahya luwih lanjut babagan efek jarak ing antarmuka superkonduktor-logam.

Tegangan foto-induced ing superkonduktor suhu dhuwur wis dilapurake ing awal taun 1990-an lan wis diselidiki sacara ekstensif wiwit kuwi, nanging sifat lan mekanismene tetep durung ditemtokake1,2,3,4,5. Film tipis YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, utamane, ditliti kanthi intensif ing bentuk sel fotovoltaik (PV) amarga celah energi sing bisa diatur9,10,11,12,13. Nanging, resistensi substrat sing dhuwur mesthi nyebabake efisiensi konversi piranti sing kurang lan nutupi sifat PV utama YBCO8. Ing kene kita nglaporake efek fotovoltaik sing luar biasa sing disebabake dening iluminasi laser biru (λ = 450 nm) ing keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antarane 50 lan 300 K (Tc ~ 90 K). Kita nuduhake yen efek PV ana hubungane langsung karo superkonduktivitas YBCO lan sifat antarmuka elektroda logam YBCO. Ana pembalikan polaritas kanggo voltase sirkuit terbuka Voc lan arus sirkuit pendek Isc nalika YBCO ngalami transisi saka fase superkonduktor menyang kahanan resistif. Diusulake manawa ana potensial listrik ing antarmuka logam normal superkonduktor, sing nyedhiyakake gaya pamisahan kanggo pasangan elektron-lubang sing diinduksi foto. Potensial antarmuka iki ngarah saka YBCO menyang elektroda logam nalika YBCO dadi superkonduktor lan ngalih menyang arah sing ngelawan nalika sampel dadi nonsuperkonduktor. Asal potensial kasebut bisa uga ana gandhengane karo efek jarak 14,15,16,17 ing antarmuka logam-superkonduktor nalika YBCO dadi superkonduktor lan nilaine dikira-kira ~10−8 mV ing 50 K kanthi intensitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi bahan tipe-p YBCO ing kahanan normal karo bahan tipe-n Ag-paste mbentuk, kemungkinan gedhe, sambungan kuasi-pn sing tanggung jawab kanggo prilaku PV keramik YBCO ing suhu dhuwur. Pengamatan kita menehi katrangan luwih lanjut babagan asal-usul efek PV ing keramik YBCO superkonduktor suhu dhuwur lan mbukak dalan kanggo aplikasi kasebut ing piranti optoelektronik kayata detektor cahya pasif cepet, lan liya-liyane.

Gambar 1a–c nuduhake karakteristik IV saka sampel keramik YBCO ing 50 K. Tanpa cahya, voltase ing sampel tetep nol kanthi owah-owahan arus, kaya sing bisa diarepake saka bahan superkonduktor. Efek fotovoltaik sing jelas katon nalika sinar laser diarahake ing katoda (Gambar 1a): kurva IV sejajar karo sumbu I obah mudhun kanthi nambah intensitas laser. Katon yen ana voltase foto-induced negatif sanajan tanpa arus (asring diarani voltase sirkuit terbuka Voc). Kemiringan nol saka kurva IV nuduhake yen sampel isih superkonduktor ing cahya laser.

(a–c) lan 300 K (e–g). Nilai V(I) dipikolehi kanthi nyapu arus saka −10 mA nganti +10 mA ing vakum. Mung sebagian saka data eksperimen sing diwenehake kanggo kajelasan. a, Karakteristik tegangan arus YBCO diukur nganggo titik laser sing diposisikake ing katoda (i). Kabeh kurva IV minangka garis lurus horisontal sing nuduhake sampel isih superkonduktor nganggo iradiasi laser. Kurva kasebut obah mudhun kanthi intensitas laser sing saya tambah, nuduhake yen ana potensial negatif (Voc) antarane rong kabel tegangan sanajan arus nol. Kurva IV tetep ora owah nalika laser diarahake ing tengah sampel ing eter 50 K (b) utawa 300 K (f). Garis horisontal obah munggah nalika anoda dipadhangi (c). Model skematis sambungan logam-superkonduktor ing 50 K dituduhake ing d. Karakteristik tegangan arus saka kahanan normal YBCO ing 300 K sing diukur nganggo sinar laser sing diarahake ing katoda lan anoda diwenehake ing e lan g. Beda karo asil ing 50 K, kemiringan non-nol saka garis lurus nuduhake yen YBCO ana ing kahanan normal; nilai Voc beda-beda karo intensitas cahya ing arah sing ngelawan, nuduhake mekanisme pamisahan muatan sing beda. Struktur antarmuka sing bisa ditindakake ing 300 K digambarake ing hj Gambaran nyata sampel karo kabel.

YBCO sing sugih oksigen ing kahanan superkonduktor bisa nyerep spektrum sinar srengenge meh kabeh amarga celah energi sing cilik banget (Eg)9,10, saengga nggawe pasangan elektron-bolongan (e-h). Kanggo ngasilake voltase sirkuit terbuka Voc kanthi panyerepan foton, perlu misahake pasangan eh sing diasilake foto kanthi spasial sadurunge rekombinasi kedadeyan18. Voc negatif, relatif marang katoda lan anoda kaya sing dituduhake ing Gambar 1i, nuduhake yen ana potensial listrik ing antarmuka logam-superkonduktor, sing nyapu elektron menyang anoda lan bolongan menyang katoda. Yen iki kedadeyan, uga kudu ana titik potensial saka superkonduktor menyang elektroda logam ing anoda. Akibate, Voc positif bakal dipikolehi yen area sampel cedhak anoda disinari. Salajengipun, ora kudu ana voltase sing diinduksi foto nalika titik laser dituduhake menyang area sing adoh saka elektroda. Mesthi wae kaya sing bisa dideleng saka Gambar 1b,c!.

Nalika titik cahya pindhah saka elektroda katoda menyang tengah sampel (udakara 1,25 mm saka antarmuka), ora ana variasi kurva IV lan ora ana Voc sing bisa diamati kanthi nambah intensitas laser nganti nilai maksimal sing kasedhiya (Gambar 1b). Lumrahe, asil iki bisa disebabake dening umur operator sing diinduksi foto sing winates lan kurang gaya pamisahan ing sampel. Pasangan elektron-lubang bisa digawe kapan wae sampel disinari, nanging umume pasangan e-h bakal dirusak lan ora ana efek fotovoltaik sing diamati yen titik laser tiba ing area sing adoh saka elektroda. Ngobahake titik laser menyang elektroda anoda, kurva IV sejajar karo sumbu I obah munggah kanthi nambah intensitas laser (Gambar 1c). Medan listrik bawaan sing padha ana ing sambungan logam-superkonduktor ing anoda. Nanging, elektroda logam nyambung menyang kabel positif sistem uji wektu iki. Lubang sing diasilake dening laser didorong menyang kabel anoda lan kanthi mangkono Voc positif diamati. Asil sing ditampilake ing kene menehi bukti sing kuwat yen pancen ana potensial antarmuka sing nuduhake saka superkonduktor menyang elektroda logam.

Efek fotovoltaik ing keramik YBa2Cu3O6.96 ing 300 K dituduhake ing Gambar 1e–g. Tanpa cahya, kurva IV sampel minangka garis lurus sing nyebrang titik asal. Garis lurus iki obah munggah sejajar karo titik asal kanthi intensitas laser sing saya tambah ing kabel katoda (Gambar 1e). Ana rong kasus pembatas sing menarik kanggo piranti fotovoltaik. Kondisi sirkuit pendek kedadeyan nalika V = 0. Arus ing kasus iki diarani arus sirkuit pendek (Isc). Kasus pembatas kapindho yaiku kondisi sirkuit terbuka (Voc) sing kedadeyan nalika R→∞ utawa arus nol. Gambar 1e kanthi jelas nuduhake yen Voc positif lan mundhak kanthi intensitas cahya sing saya tambah, beda karo asil sing dipikolehi ing 50 K; dene Isc negatif diamati mundhak gedhene kanthi cahya, prilaku khas sel surya normal.

Semono uga, nalika sinar laser ditujokake menyang area sing adoh saka elektroda, kurva V(I) ora gumantung saka intensitas laser lan ora ana efek fotovoltaik sing katon (Gambar 1f). Padha karo pangukuran ing 50 K, kurva IV obah menyang arah sing ngelawan nalika elektroda anoda disinari (Gambar 1g). Kabeh asil sing dipikolehi kanggo sistem pasta YBCO-Ag iki ing 300 K kanthi iradiasi laser ing posisi sampel sing beda-beda konsisten karo potensial antarmuka sing ngelawan karo sing diamati ing 50 K.

Sebagéan gedhé èlèktron ngembun ing pasangan Cooper ing superkonduktor YBCO ing ngisor suhu transisi Tc. Nalika ing èlèktroda logam, kabèh èlèktron tetep ing wujud tunggal. Ana gradien kapadhetan sing gedhé kanggo èlèktron tunggal lan pasangan Cooper ing cedhak antarmuka logam-superkonduktor. Èlektron tunggal pembawa mayoritas ing bahan logam bakal nyebar menyang wilayah superkonduktor, déné pasangan Cooper pembawa mayoritas ing wilayah YBCO bakal nyebar menyang wilayah logam. Nalika pasangan Cooper sing nggawa muatan luwih akèh lan duwé mobilitas sing luwih gedhé tinimbang èlèktron tunggal nyebar saka YBCO menyang wilayah logam, atom sing diisi positif ditinggal, sing nyebabaké medan listrik ing wilayah muatan ruang. Arah medan listrik iki dituduhake ing diagram skematis Gambar 1d. Iluminasi foton insiden cedhak wilayah muatan ruang bisa nggawé pasangan eh sing bakal dipisahaké lan disapu metu ngasilaké arus foto ing arah bias mbalikke. Sanalika èlèktron metu saka medan listrik sing dibangun, èlèktron kasebut dikondensasi dadi pasangan lan mili menyang èlèktroda liyané tanpa resistensi. Ing kasus iki, Voc iku ngelawan polaritas sing wis disetel lan nampilake nilai negatif nalika sinar laser nuduhake area ing sekitar elektroda negatif. Saka nilai Voc, potensial ing antarmuka bisa diestimasikake: jarak antarane rong kabel voltase d yaiku ~5 × 10−3 m, kekandelan antarmuka logam-superkonduktor, di, kudu padha karo dawa koherensi superkonduktor YBCO (~1 nm)19,20, njupuk nilai Voc = 0,03 mV, potensial Vms ing antarmuka logam-superkonduktor dievaluasi dadi ~10−11 V ing 50 K kanthi intensitas laser 502 mW/cm2, nggunakake persamaan,

Kita pengin nandheske ing kene yen voltase sing diinduksi foto ora bisa diterangake dening efek fototermal. Wis ditetepake kanthi eksperimen yen koefisien Seebeck saka superkonduktor YBCO yaiku Ss = 021. Koefisien Seebeck kanggo kabel timbal tembaga ana ing kisaran SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Suhu kabel tembaga ing titik laser bisa ditambah kanthi jumlah cilik 0,06 K kanthi intensitas laser maksimum sing kasedhiya ing 50 K. Iki bisa ngasilake potensial termoelektrik 6,9 × 10−8 V sing telung urutan luwih cilik tinimbang Voc sing dipikolehi ing Gambar 1 (a). Katon yen efek termoelektrik cilik banget kanggo nerangake asil eksperimen. Nyatane, variasi suhu amarga iradiasi laser bakal ilang sajrone kurang saka siji menit saengga kontribusi saka efek termal bisa diabaikan kanthi aman.

Efek fotovoltaik saka YBCO ing suhu kamar iki nuduhake yen mekanisme pamisahan muatan sing beda digunakake ing kene. Superkonduktor YBCO ing kahanan normal minangka bahan tipe-p kanthi bolongan minangka pembawa muatan22,23, dene pasta Ag logam nduweni karakteristik bahan tipe-n. Padha karo sambungan pn, difusi elektron ing pasta perak lan bolongan ing keramik YBCO bakal mbentuk medan listrik internal sing nuduhake keramik YBCO ing antarmuka (Gambar 1h). Medan internal iki sing nyedhiyakake gaya pamisahan lan nyebabake Voc positif lan Isc negatif kanggo sistem pasta YBCO-Ag ing suhu kamar, kaya sing dituduhake ing Gambar 1e. Utawa, Ag-YBCO bisa mbentuk sambungan Schottky tipe-p sing uga nyebabake potensial antarmuka kanthi polaritas sing padha karo model sing ditampilake ing ndhuwur24.

Kanggo nyelidiki proses evolusi rinci saka sifat fotovoltaik sajrone transisi superkonduktor YBCO, kurva IV sampel ing 80 K diukur nganggo intensitas laser sing dipilih sing madhangi elektroda katoda (Gambar 2). Tanpa iradiasi laser, voltase ing sampel tetep nol tanpa preduli arus, nuduhake kahanan superkonduktor sampel ing 80 K (Gambar 2a). Padha karo data sing dipikolehi ing 50 K, kurva IV sejajar karo sumbu I obah mudhun kanthi intensitas laser sing saya tambah nganti tekan nilai kritis Pc. Ing ndhuwur intensitas laser kritis iki (Pc), superkonduktor ngalami transisi saka fase superkonduktor menyang fase resistif; voltase wiwit mundhak karo arus amarga anané resistensi ing superkonduktor. Akibaté, kurva IV wiwit motong karo sumbu I lan sumbu V sing ndadékaké Voc negatif lan Isc positif ing wiwitan. Saiki sampel katon ana ing kahanan khusus ing ngendi polaritas Voc lan Isc sensitif banget marang intensitas cahya; kanthi paningkatan intensitas cahya sing sithik banget, Isc diowahi saka positif dadi negatif lan Voc saka negatif dadi positif, ngliwati titik asal (sensitivitas dhuwur saka sifat fotovoltaik, utamane nilai Isc, kanggo cahya cahya bisa dideleng kanthi luwih jelas ing Gambar 2b). Ing intensitas laser paling dhuwur sing kasedhiya, kurva IV dimaksudake sejajar karo siji liyane, sing nuduhake kahanan normal sampel YBCO.

Pusat titik laser diselehake ing sekitar elektroda katoda (deleng Gambar 1i). a, kurva IV YBCO sing disinari nganggo intensitas laser sing beda. b (ndhuwur), Ketergantungan intensitas laser saka voltase sirkuit terbuka Voc lan arus sirkuit pendek Isc. Nilai Isc ora bisa dipikolehi kanthi intensitas cahya sing kurang (< 110 mW/cm2) amarga kurva IV sejajar karo sumbu I nalika sampel ana ing kahanan superkonduktor. b (ngisor), resistensi diferensial minangka fungsi saka intensitas laser.

Ketergantungan intensitas laser saka Voc lan Isc ing 80 K dituduhake ing Gambar 2b (ndhuwur). Sifat fotovoltaik bisa dirembug ing telung wilayah intensitas cahya. Wilayah pertama ana ing antarane 0 lan Pc, ing ngendi YBCO minangka superkonduktor, Voc negatif lan mudhun (nilai absolut mundhak) kanthi intensitas cahya lan tekan minimal ing Pc. Wilayah kapindho yaiku saka Pc menyang intensitas kritis liyane P0, ing ngendi Voc mundhak nalika Isc mudhun kanthi intensitas cahya sing mundhak lan loro-lorone tekan nol ing P0. Wilayah katelu ana ing ndhuwur P0 nganti kahanan normal YBCO tekan. Sanajan Voc lan Isc beda-beda karo intensitas cahya kanthi cara sing padha karo ing wilayah 2, dheweke duwe polaritas sing ngelawan ing ndhuwur intensitas kritis P0. Pentinge P0 dumunung ing ora ana efek fotovoltaik lan mekanisme pamisahan muatan owah kanthi kualitatif ing titik tartamtu iki. Sampel YBCO dadi non-superkonduktor ing kisaran intensitas cahya iki nanging kahanan normal durung tekan.

Temenan, karakteristik fotovoltaik sistem kasebut ana hubungane karo superkonduktivitas YBCO lan transisi superkonduktivitase. Resistensi diferensial, dV/dI, saka YBCO dituduhake ing Gambar 2b (ngisor) minangka fungsi saka intensitas laser. Kaya sing wis kasebut sadurunge, potensial listrik sing dibangun ing antarmuka amarga titik difusi pasangan Cooper saka superkonduktor menyang logam. Padha karo sing diamati ing 50 K, efek fotovoltaik ditambah kanthi nambah intensitas laser saka 0 nganti Pc. Nalika intensitas laser tekan nilai sing rada ndhuwur Pc, kurva IV wiwit miring lan resistensi sampel wiwit katon, nanging polaritas potensial antarmuka durung owah. Efek eksitasi optik ing superkonduktivitas wis diselidiki ing wilayah sing katon utawa cedhak IR. Nalika proses dhasar yaiku misahake pasangan Cooper lan ngrusak superkonduktivitas25,26, ing sawetara kasus transisi superkonduktivitas bisa ditambah27,28,29, fase superkonduktivitas anyar malah bisa diinduksi30. Anane superkonduktivitas ing Pc bisa disebabake dening pecahing pasangan sing diinduksi foto. Ing titik P0, potensial ing antarmuka dadi nol, nuduhake kapadhetan muatan ing loro-lorone antarmuka tekan tingkat sing padha ing intensitas cahya tartamtu iki. Peningkatan intensitas laser luwih lanjut nyebabake luwih akeh pasangan Cooper sing rusak lan YBCO mboko sithik malih dadi bahan tipe-p. Tinimbang difusi elektron lan pasangan Cooper, fitur antarmuka saiki ditemtokake dening difusi elektron lan bolongan sing nyebabake pembalikan polaritas medan listrik ing antarmuka lan akibate Voc positif (bandhingake Gambar 1d, h). Ing intensitas laser sing dhuwur banget, resistensi diferensial YBCO jenuh karo nilai sing cocog karo kahanan normal lan Voc lan Isc cenderung beda-beda sacara linier karo intensitas laser (Gambar 2b). Pengamatan iki nuduhake yen iradiasi laser ing kahanan normal YBCO ora bakal ngganti resistivitas lan fitur antarmuka superkonduktor-logam nanging mung nambah konsentrasi pasangan elektron-bolongan.

Kanggo nyelidiki efek suhu ing sifat fotovoltaik, sistem logam-superkonduktor diiradiasi ing katoda nganggo laser biru kanthi intensitas 502 mW/cm2. Kurva IV sing dipikolehi ing suhu sing dipilih antarane 50 lan 300 K diwenehake ing Gambar 3a. Tegangan sirkuit terbuka Voc, arus sirkuit pendek Isc lan resistensi diferensial banjur bisa dipikolehi saka kurva IV iki lan dituduhake ing Gambar 3b. Tanpa cahya, kabeh kurva IV sing diukur ing suhu sing beda-beda ngliwati titik asal kaya sing dikarepake (sisipan Gambar 3a). Karakteristik IV owah drastis kanthi suhu sing saya tambah nalika sistem disinari dening sinar laser sing relatif kuwat (502 mW/cm2). Ing suhu sing kurang, kurva IV minangka garis lurus sing sejajar karo sumbu I kanthi nilai negatif Voc. Kurva iki obah munggah kanthi suhu sing saya tambah lan mboko sithik dadi garis kanthi lereng nonnol ing suhu kritis Tcp (Gambar 3a (ndhuwur)). Katon yen kabeh kurva karakteristik IV muter ing sekitar titik ing kuadran katelu. Voc mundhak saka nilai negatif dadi positif dene Isc mudhun saka nilai positif dadi negatif. Ing ndhuwur suhu transisi superkonduktor asli Tc saka YBCO, kurva IV owah rada beda karo suhu (ngisor Gambar 3a). Kapisan, pusat rotasi kurva IV obah menyang kuadran pertama. Kapindho, Voc terus mudhun lan Isc mundhak karo suhu sing mundhak (ndhuwur Gambar 3b). Katelu, kemiringan kurva IV mundhak kanthi linier karo suhu sing nyebabake koefisien resistensi suhu positif kanggo YBCO (ngisor Gambar 3b).

Katergantungan suhu saka karakteristik fotovoltaik kanggo sistem pasta YBCO-Ag ing sangisore iluminasi laser 502 mW/cm2.

Pusat titik laser diposisikake ing sekitar elektroda katoda (deleng Gambar 1i). a, kurva IV sing dipikolehi saka 50 nganti 90 K (ndhuwur) lan saka 100 nganti 300 K (ngisor) kanthi kenaikan suhu 5 K lan 20 K, masing-masing. Sisipan a nuduhake karakteristik IV ing sawetara suhu ing peteng. Kabeh kurva nyebrang titik asal. b, voltase sirkuit terbuka Voc lan arus sirkuit pendek Isc (ndhuwur) lan resistensi diferensial, dV/dI, saka YBCO (ngisor) minangka fungsi suhu. Suhu transisi superkonduktor resistensi nol Tcp ora diwenehake amarga cedhak banget karo Tc0.

Telung suhu kritis bisa dikenali saka Gambar 3b: Tcp, ing ndhuwure YBCO dadi non-superkonduktor; Tc0, ing ngendi Voc lan Isc dadi nol lan Tc, suhu transisi superkonduktor wiwitan asli YBCO tanpa iradiasi laser. Ing ngisor Tcp ~ 55 K, YBCO sing diiradiasi laser ana ing kahanan superkonduktor kanthi konsentrasi pasangan Cooper sing relatif dhuwur. Efek iradiasi laser yaiku nyuda suhu transisi superkonduktor resistensi nol saka 89 K dadi ~ 55 K (ngisor Gambar 3b) kanthi nyuda konsentrasi pasangan Cooper saliyane ngasilake voltase lan arus fotovoltaik. Suhu sing saya tambah uga ngrusak pasangan Cooper sing nyebabake potensial sing luwih murah ing antarmuka. Akibate, nilai absolut Voc bakal dadi luwih cilik, sanajan intensitas iluminasi laser sing padha ditrapake. Potensial antarmuka bakal dadi luwih cilik kanthi kenaikan suhu luwih lanjut lan tekan nol ing Tc0. Ora ana efek fotovoltaik ing titik khusus iki amarga ora ana medan internal kanggo misahake pasangan elektron-lubang sing diinduksi foto. Pembalikan polaritas potensial kedadeyan ing ndhuwur suhu kritis iki amarga kapadhetan muatan bebas ing pasta Ag luwih gedhe tinimbang ing YBCO sing mboko sithik ditransfer bali menyang materi tipe-p. Ing kene kita pengin nandheske manawa pembalikan polaritas Voc lan Isc kedadeyan langsung sawise transisi superkonduktor resistensi nol, preduli saka panyebab transisi kasebut. Pengamatan iki nuduhake kanthi jelas, kanggo pisanan, korelasi antarane superkonduktivitas lan efek fotovoltaik sing ana gandhengane karo potensial antarmuka logam-superkonduktor. Sifat potensial iki ing antarmuka logam normal superkonduktor wis dadi fokus riset sajrone pirang-pirang dekade pungkasan nanging ana akeh pitakonan sing isih nunggu dijawab. Pangukuran efek fotovoltaik bisa dadi metode sing efektif kanggo njelajah rincian (kayata kekuwatan lan polaritas, lsp.) saka potensial penting iki lan mula menehi cahya babagan efek jarak superkonduktor suhu dhuwur.

Peningkatan suhu luwih lanjut saka Tc0 menyang Tc nyebabake konsentrasi pasangan Cooper sing luwih cilik lan peningkatan potensial antarmuka lan akibate Voc sing luwih gedhe. Ing Tc, konsentrasi pasangan Cooper dadi nol lan potensial sing dibangun ing antarmuka tekan maksimum, sing nyebabake Voc maksimum lan Isc minimum. Peningkatan Voc lan Isc kanthi cepet (nilai absolut) ing kisaran suhu iki cocog karo transisi superkonduktor sing dilebarake saka ΔT ~ 3 K nganti ~ 34 K kanthi iradiasi laser kanthi intensitas 502 mW/cm2 (Gambar 3b). Ing kahanan normal ing ndhuwur Tc, voltase sirkuit terbuka Voc mudhun karo suhu (ndhuwur Gambar 3b), padha karo prilaku linier Voc kanggo sel surya normal adhedhasar sambungan pn31,32,33. Sanajan tingkat owah-owahan Voc karo suhu (−dVoc/dT), sing gumantung banget karo intensitas laser, luwih cilik tinimbang sel surya normal, koefisien suhu Voc kanggo sambungan YBCO-Ag duwe urutan gedhene sing padha karo sel surya. Arus bocor saka sambungan pn kanggo piranti sel surya normal mundhak karo mundhake suhu, sing nyebabake penurunan Voc nalika suhu mundhak. Kurva IV linier sing diamati kanggo sistem Ag-superkonduktor iki, amarga pisanan potensial antarmuka sing cilik banget lan kapindho sambungan back-to-back saka rong heterojunction, ndadekake angel nemtokake arus bocor. Nanging, kemungkinan gedhe yen katergantungan suhu sing padha karo arus bocor tanggung jawab kanggo prilaku Voc sing diamati ing eksperimen kita. Miturut definisi kasebut, Isc minangka arus sing dibutuhake kanggo ngasilake voltase negatif kanggo ngimbangi Voc supaya voltase total nol. Nalika suhu mundhak, Voc dadi luwih cilik saengga arus sing dibutuhake luwih sithik kanggo ngasilake voltase negatif. Salajengipun, resistensi YBCO mundhak kanthi linier karo suhu ing ndhuwur Tc (ngisor Gambar 3b), sing uga nyumbang kanggo nilai absolut Isc sing luwih cilik ing suhu dhuwur.

Elinga yen asil sing diwenehake ing Gambar 2,3 dipikolehi kanthi iradiasi laser ing area sekitar elektroda katoda. Pangukuran uga wis diulang kanthi titik laser sing diposisikake ing anoda lan karakteristik IV sing padha lan sifat fotovoltaik wis diamati kajaba polaritas Voc lan Isc wis diwalik ing kasus iki. Kabeh data iki ndadékaké mekanisme kanggo efek fotovoltaik, sing ana hubungane karo antarmuka superkonduktor-logam.

Ringkesane, karakteristik IV saka sistem pasta YBCO-Ag superkonduktor sing diiradiasi laser wis diukur minangka fungsi suhu lan intensitas laser. Efek fotovoltaik sing luar biasa wis diamati ing kisaran suhu saka 50 nganti 300 K. Ditemokake manawa sifat fotovoltaik berkorelasi banget karo superkonduktivitas keramik YBCO. Pembalikan polaritas Voc lan Isc kedadeyan langsung sawise transisi superkonduktor sing diinduksi foto menyang non-superkonduktor. Ketergantungan suhu Voc lan Isc sing diukur ing intensitas laser tetep uga nuduhake pembalikan polaritas sing jelas ing suhu kritis ing ndhuwur sampel dadi resistif. Kanthi nempatake titik laser menyang bagean sampel sing beda, kita nuduhake manawa ana potensial listrik ing antarmuka, sing nyedhiyakake gaya pamisahan kanggo pasangan elektron-lubang sing diinduksi foto. Potensial antarmuka iki ngarah saka YBCO menyang elektroda logam nalika YBCO superkonduktor lan ngalih menyang arah sing ngelawan nalika sampel dadi non-superkonduktor. Asal-usul potensial kasebut bisa uga ana gandheng cenenge karo efek jarak ing antarmuka logam-superkonduktor nalika YBCO dadi superkonduktor lan dikira-kira dadi ~10−8 mV ing 50 K kanthi intensitas laser 502 mW/cm2. Kontak bahan tipe-p YBCO ing kahanan normal karo bahan tipe-n Ag-paste mbentuk sambungan kuasi-pn sing tanggung jawab kanggo prilaku fotovoltaik keramik YBCO ing suhu dhuwur. Pengamatan ing ndhuwur menehi cahya babagan efek PV ing keramik YBCO superkonduktor suhu dhuwur lan mbukak dalan kanggo aplikasi anyar ing piranti optoelektronik kayata detektor cahya pasif cepet lan detektor foton tunggal.

Eksperimen efek fotovoltaik ditindakake ing sampel keramik YBCO kanthi kekandelan 0,52 mm lan bentuk persegi panjang 8,64 × 2,26 mm2 lan disinari dening laser biru gelombang terus-terusan (λ = 450 nm) kanthi ukuran titik laser radius 1,25 mm. Nggunakake sampel film massal tinimbang tipis ngidini kita nyinaoni sifat fotovoltaik superkonduktor tanpa kudu ngatasi pengaruh substrat sing kompleks6,7. Kajaba iku, bahan massal bisa kondusif kanggo prosedur persiapan sing prasaja lan biaya sing relatif murah. Kabel timbal tembaga digabungake ing sampel YBCO karo pasta perak sing mbentuk papat elektroda bunder kanthi diameter sekitar 1 mm. Jarak antarane rong elektroda voltase yaiku sekitar 5 mm. Karakteristik IV sampel diukur nggunakake magnetometer sampel getaran (VersaLab, Quantum Design) kanthi jendela kristal kuarsa. Metode papat kawat standar digunakake kanggo entuk kurva IV. Posisi relatif elektroda lan titik laser dituduhake ing Gambar 1i.

Cara ngutip artikel iki: Yang, F. et al. Asal-usul efek fotovoltaik ing keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Tegangan sing diinduksi laser sing dilarang simetri ing YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asal-usul sinyal fotovoltaik anomali ing Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pangukuran voltase superkonduktor Bi-Sr-Ca-Cu-O sing diinduksi laser. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Tegangan sing diinduksi laser sementara ing film suhu ruangan YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Respon fotovoltaik anomali ing YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeksi pembawa bolongan fotogenerasi menyang YBa2Cu3O7−x ing heterostruktur oksida. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Panliten fotoemisi film tipis YBa2Cu3Oy ing sangisore cahya. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Efek fotovoltaik saka heterojunction YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb sing dipanasake ing tekanan parsial oksigen sing beda. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Struktur Rong-Gap ing kristal tunggal Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika relaksasi kuasipartikel ing superkonduktor kanthi struktur celah sing beda: Teori lan eksperimen babagan YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Sifat-sifat rektifikasi saka heterojunction YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Panyerapan eksitonik lan superkonduktivitas ing YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Konduktivitas fotoinduced transien ing kristal tunggal semikonduktor YBa2Cu3O6.3: nggoleki kahanan logam fotoinduced lan superkonduktivitas fotoinduced. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Model tunneling saka efek jarak superkonduktor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Efek jarak superkonduktor sing ditliti ing skala dawa mesoskopik. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Efek jarak karo superkonduktor nonsentrosimetris. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Efek jarak superkonduktor sing kuwat ing struktur hibrida Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fotosel sambungan silikon pn anyar kanggo ngowahi radiasi surya dadi daya listrik. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Efek pengotor ing dawa koherensi superkonduktor ing kristal tunggal YBa2Cu3O6.9 sing didoping Zn- utawa Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistance kristal tunggal YBa2Cu3Oy sing ora kembar ing macem-macem doping: katergantungan doping bolongan anomali saka dawa koherensi. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika ing daya termoelektrik oksida T-dhuwur. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Owah-owahan momentum sing gumantung saka kapadhetan pembawa saka puncak koheren lan mode fonon LO ing superkonduktor Tc dhuwur tipe-p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Reduksi bolongan lan akumulasi elektron ing film tipis YBa2Cu3Oy nggunakake teknik elektrokimia: Bukti kanggo kahanan logam tipe-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fisika lan kimia saka dhuwur alangan Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efek saka Pecahe Pasangan Eksternal Dinamis ing Film Superkonduktor. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Peningkatan superkonduktivitas sing diinduksi foto. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Fotokonduktivitas persisten ing film YBa2Cu3O6+x minangka metode photodoping tumrap fase logam lan superkonduktor. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Dinamika kisi nonlinier minangka dhasar kanggo superkonduktivitas sing ditingkatake ing YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Superkonduktivitas sing diinduksi cahya ing cuprat sing diurutake garis. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Ketergantungan fungsional suhu VOC kanggo sel surya gegayutan karo efisiensi pendekatan anyar. Desalinasi 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Efek suhu ing sel surya silikon Schottky-barrier. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Katergantungan suhu kanggo parameter piranti fotovoltaik sel surya polimer-fullerene ing kahanan operasi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Karya iki wis didhukung dening Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok (Hibah No. 60571063), Proyek Riset Fundamental Provinsi Henan, Tiongkok (Hibah No. 122300410231).

FY nulis teks makalah lan MYH nyiapake sampel keramik YBCO. FY lan MYH nindakake eksperimen lan nganalisis asil. FGC mimpin proyek lan interpretasi ilmiah data kasebut. Kabeh penulis nliti manuskrip kasebut.

Karya iki dilisensi miturut Lisensi Internasional Creative Commons Attribution 4.0. Gambar utawa materi pihak katelu liyane ing artikel iki kalebu ing lisensi Creative Commons artikel kasebut, kajaba dituduhake liya ing baris kredit; yen materi kasebut ora kalebu ing lisensi Creative Commons, pangguna kudu njaluk idin saka sing duwe lisensi kanggo ngasilake maneh materi kasebut. Kanggo ndeleng salinan lisensi iki, bukak http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asal-usul efek fotovoltaik ing keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Kanthi ngirim komentar, sampeyan setuju kanggo netepi Katentuan lan Pandhuan Komunitas kita. Yen sampeyan nemokake ana sing kasar utawa ora tundhuk karo katentuan utawa pandhuan kita, tandhani minangka ora pantes.