초전도 YBa2Cu3O 6.96 세라믹에서의 광전효과의 기원

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본 연구에서는 청색 레이저 조사에 의해 50~300 K 온도 범위에서 YBa2Cu3O6.96 (YBCO) 세라믹에서 유도된 놀라운 광전 효과를 보고합니다. 이는 YBCO의 초전도성 및 YBCO-금속 전극 계면과 직접적인 관련이 있습니다. YBCO가 초전도 상태에서 저항 상태로 전이될 때 개방 회로 전압 Voc와 단락 회로 전류 Isc의 극성 반전이 발생합니다. 본 연구에서는 초전도체-정상 금속 계면 양단에 전기적 전위가 존재하며, 이 전위가 광유도 전자-정공 쌍을 분리하는 힘을 제공한다는 것을 보여줍니다. 이 계면 전위는 YBCO가 초전도 상태일 때는 YBCO에서 금속 전극으로 흐르고, YBCO가 비초전도 상태가 되면 반대 방향으로 흐릅니다. YBCO가 초전도체일 때 발생하는 전위의 원인은 금속-초전도체 계면에서 발생하는 근접 효과와 쉽게 연관될 수 있으며, 그 값은 50 K에서 502 mW/cm²의 레이저 강도로 약 10–8 mV로 추정됩니다. 정상 상태의 p형 물질인 YBCO와 n형 물질인 Ag 페이스트의 결합은 준-pn 접합을 형성하며, 이는 고온에서 YBCO 세라믹의 광전지 거동을 결정합니다. 본 연구 결과는 광전자 소자의 새로운 응용 분야를 개척하고 초전도체-금속 계면에서 발생하는 근접 효과에 대한 추가적인 이해를 제공할 수 있습니다.

고온 초전도체에서 광유도 전압은 1990년대 초에 보고되었고 그 이후로 광범위하게 연구되었지만 그 본질과 메커니즘은 여전히 ​​​​정해지지 않았습니다.1,2,3,4,5. 특히 YBa2Cu3O7-δ (YBCO) 박막6,7,8은 조절 가능한 에너지 갭9,10,11,12,13으로 인해 태양광(PV) 전지 형태로 집중적으로 연구되고 있습니다. 그러나 기판의 높은 저항은 항상 소자의 낮은 변환 효율로 이어지고 YBCO8의 주요 PV 특성을 가립니다. 본 연구에서는 50~300K(Tc ~ 90K)의 온도에서 YBa2Cu3O6.96 (YBCO) 세라믹에 청색 레이저(λ = 450 nm) 조사로 유도된 놀라운 광전지 효과를 보고합니다. 본 연구에서는 PV 효과가 YBCO의 초전도성과 YBCO-금속 전극 계면의 특성과 직접적인 관련이 있음을 보여줍니다. YBCO가 초전도 상태에서 저항 상태로 전이할 때 개방 회로 전압 Voc와 단락 회로 전류 Isc의 극성 반전이 발생합니다. 초전도체-정상 금속 계면에는 전기적 퍼텐셜이 존재하며, 이 퍼텐셜이 광유도 전자-정공 쌍을 분리하는 힘을 제공한다고 제안됩니다. 이 계면 퍼텐셜은 YBCO가 초전도 상태일 때 YBCO에서 금속 전극으로 흐르고, 시료가 비초전도 상태가 되면 반대 방향으로 전환됩니다. 이 퍼텐셜의 원인은 YBCO가 초전도 상태일 때 금속-초전도체 계면에서 발생하는 근접 효과14,15,16,17와 자연스럽게 연관될 수 있으며, 그 값은 502 mW/cm²의 레이저 강도에서 50 K에서 약 10−8 mV로 추정됩니다. 정상 상태의 p형 물질 YBCO와 n형 물질인 Ag-페이스트의 결합은 고온에서 YBCO 세라믹의 PV 거동을 담당하는 준-pn 접합을 형성할 가능성이 높습니다. 우리의 관찰은 고온 초전도 YBCO 세라믹에서 PV 효과의 기원에 대해 더욱 자세히 밝혀냈으며, 이를 고속 수동 광 검출기 등과 같은 광전자 소자에 응용할 수 있는 길을 열어주었습니다.

그림 1a–c는 50K에서 YBCO 세라믹 샘플의 IV 특성을 보여줍니다. 빛이 조사되지 않으면, 초전도 물질에서 예상할 수 있듯이 전류가 변함에 따라 샘플 양단의 전압은 0으로 유지됩니다. 레이저 빔이 음극에 조사되면(그림 1a), 명확한 광기전 효과가 나타납니다. I축에 평행한 IV 곡선은 레이저 강도가 증가함에 따라 아래로 이동합니다. 전류가 없어도 음의 광유도 전압(종종 개방 회로 전압(Voc)이라고 함)이 존재함을 알 수 있습니다. IV 곡선의 기울기가 0인 것은 샘플이 레이저 조사 하에서도 여전히 초전도 상태를 유지함을 나타냅니다.

(a–c) 및 300 K (e–g). V(I) 값은 진공에서 전류를 -10 mA에서 +10 mA로 스위핑하여 얻었습니다. 명확성을 위해 실험 데이터의 일부만 제시합니다. a, 음극에 위치한 레이저 스팟으로 측정한 YBCO의 전류-전압 특성(i). 모든 IV 곡선은 수평 직선으로, 레이저 조사로 샘플이 여전히 초전도 상태임을 나타냅니다. 곡선은 레이저 강도가 증가함에 따라 아래로 이동하여 전류가 0이더라도 두 전압 리드 사이에 음전위(Voc)가 존재함을 나타냅니다. 레이저를 50 K(b) 또는 300 K(f)에서 샘플의 중앙으로 향하게 하면 IV 곡선이 변하지 않습니다. 양극에 조명이 비추면 수평선이 위로 이동합니다(c). 50 K에서 금속-초전도체 접합의 개략적인 모델이 d에 나와 있습니다. 음극과 양극에 레이저 빔을 향하게 하여 측정한 300 K에서 정상 상태 YBCO의 전류-전압 특성은 각각 e와 g에 나와 있습니다. 50K에서의 결과와는 대조적으로, 직선의 기울기가 0이 아닌 것은 YBCO가 정상 상태임을 나타냅니다. Voc 값은 빛의 세기에 따라 반대 방향으로 변화하는데, 이는 다른 전하 분리 메커니즘을 나타냅니다. 300K에서의 가능한 계면 구조는 hj에 도시되어 있습니다. 리드가 있는 샘플의 실제 사진입니다.

초전도 상태의 산소가 풍부한 YBCO는 매우 작은 에너지 갭(Eg)9,10으로 인해 거의 모든 태양광 스펙트럼을 흡수하여 전자-정공 쌍(e–h)을 생성합니다. 광자를 흡수하여 개방 회로 전압 Voc를 생성하려면 재결합이 일어나기 전에 광으로 생성된 eh 쌍을 공간적으로 분리해야 합니다. 그림 1i에서 볼 수 있듯이 음극과 양극에 대한 음의 Voc는 금속-초전도체 계면에 전기적 퍼텐셜이 존재하여 전자를 양극으로, 정공을 음극으로 이동시킨다는 것을 시사합니다. 만약 그렇다면, 양극에서는 초전도체에서 금속 전극으로 향하는 퍼텐셜도 존재해야 합니다. 결과적으로, 양극 근처의 샘플 영역에 빛을 비추면 양의 Voc를 얻을 수 있습니다. 또한, 레이저 스팟이 전극에서 멀리 떨어진 영역을 향할 때는 광유도 전압이 발생하지 않아야 합니다. 그림 1b, c에서 볼 수 있듯이 이는 확실히 사실입니다.

광점이 음극 전극에서 시료 중앙(계면에서 약 1.25mm 떨어짐)으로 이동하면, 레이저 강도를 최대값까지 증가시켜도 IV 곡선의 변화나 Voc는 관찰되지 않습니다(그림 1b). 이러한 결과는 광유도 캐리어의 제한된 수명과 시료 내 분리력 부족에 기인할 수 있습니다. 시료에 빛을 비추면 전자-정공 쌍이 생성될 수 있지만, 레이저가 전극에서 멀리 떨어진 영역에 조사되면 대부분의 전자-정공 쌍이 소멸되고 광기전력 효과는 관찰되지 않습니다. 레이저를 양극 전극으로 이동시키면 I축에 평행한 IV 곡선이 레이저 강도가 증가함에 따라 위쪽으로 이동합니다(그림 1c). 금속-초전도체 접합의 양극에도 유사한 내부 전기장이 존재합니다. 그러나 이번에는 금속 전극이 테스트 시스템의 양극 리드에 연결됩니다. 레이저에 의해 생성된 정공이 양극 리드로 밀려나므로 양의 Voc가 관찰됩니다. 여기에 제시된 결과는 초전도체에서 금속 전극을 가리키는 계면 전위가 실제로 존재한다는 강력한 증거를 제공합니다.

그림 1e-g는 300K에서 YBa2Cu3O6.96 세라믹의 광전지 효과를 보여줍니다. 빛이 조사되지 않으면 샘플의 IV 곡선은 원점을 가로지르는 직선입니다. 이 직선은 음극 리드에 조사되는 레이저 강도가 증가함에 따라 원래 직선과 평행하게 위쪽으로 이동합니다(그림 1e). 광전지 소자에 대해 두 가지 제한적인 경우가 있습니다. 단락 회로 조건은 V = 0일 때 발생합니다. 이 경우 전류를 단락 회로 전류(Isc)라고 합니다. 두 번째 제한적인 경우는 R→∞이거나 전류가 0일 때 발생하는 개방 회로 조건(Voc)입니다. 그림 1e는 Voc가 양수이고 빛의 강도가 증가함에 따라 증가함을 명확히 보여주는데, 이는 50K에서 얻은 결과와 대조적입니다. 반면 음의 Isc는 빛이 조사됨에 따라 크기가 증가하는 것으로 관찰되었으며, 이는 일반 태양 전지의 일반적인 특성입니다.

마찬가지로, 레이저 빔을 전극에서 멀리 떨어진 곳에 조사하면 V(I) 곡선은 레이저 강도와 무관하며 광전지 효과는 나타나지 않습니다(그림 1f). 50K에서 측정한 결과와 유사하게, IV 곡선은 양극 전극에 레이저가 조사됨에 따라 반대 방향으로 이동합니다(그림 1g). 300K에서 샘플의 여러 위치에 레이저를 조사한 이 YBCO-Ag 페이스트 시스템에서 얻은 이러한 모든 결과는 50K에서 관찰된 것과 반대되는 계면 전위와 일치합니다.

초전도 YBCO에서 대부분의 전자는 전이 온도 Tc 이하에서 쿠퍼 쌍으로 응축됩니다. 금속 전극에서는 모든 전자가 단일 형태로 유지됩니다. 금속-초전도체 계면 근처에서는 단일 전자와 쿠퍼 쌍 모두에 큰 밀도 구배가 있습니다. 금속 재료의 다수 캐리어 단일 전자는 초전도체 영역으로 확산되는 반면, YBCO 영역의 다수 캐리어 쿠퍼 쌍은 금속 영역으로 확산됩니다. 단일 전자보다 더 많은 전하를 운반하고 이동도가 더 큰 쿠퍼 쌍이 YBCO에서 금속 영역으로 확산됨에 따라 양전하를 띤 원자가 남게 되어 공간 전하 영역에 전기장이 형성됩니다. 이 전기장의 방향은 그림 1d의 모식도에 나와 있습니다. 공간 전하 영역 근처의 입사 광자 조사는 eh 쌍을 생성할 수 있으며, 이 eh 쌍은 분리되어 휩쓸려 나가 역방향 바이어스 방향으로 광전류를 생성합니다. 전자는 내장된 전기장을 벗어나자마자 쌍으로 응축되어 저항 없이 다른 전극으로 흐릅니다. 이 경우, Voc는 미리 설정된 극성과 반대이며, 레이저 빔이 음극 주변 영역을 향할 때 음의 값을 나타냅니다. Voc 값으로부터 계면 양단의 전위를 추정할 수 있습니다. 두 전압 리드 사이의 거리 d는 ~5 × 10−3 m이고, 금속-초전도체 계면의 두께 di는 YBCO 초전도체의 결맞음 길이(~1 nm)와 같은 자릿수여야 합니다.19,20 Voc 값을 0.03 mV로 가정하면, 금속-초전도체 계면의 전위 Vms는 다음 방정식을 사용하여 50 K에서 레이저 강도 502 mW/cm²일 때 ~10−11 V로 계산됩니다.

여기서 광유도 전압은 광열 효과로 설명할 수 없다는 점을 강조하고 싶습니다. 초전도체 YBCO의 제벡 계수는 Ss = 021이라는 것이 실험적으로 입증되었습니다. 구리 리드선의 제벡 계수는 SCu = 0.34–1.15 μV/K3 범위에 있습니다. 레이저 스팟에서 구리선의 온도는 0.06 K만큼 약간 높일 수 있으며 최대 레이저 강도는 50 K에서 사용할 수 있습니다. 이는 그림 1 (a)에서 얻은 Voc보다 3개 크기가 작은 6.9 × 10−8 V의 열전 퍼텐셜을 생성할 수 있습니다. 열전 효과가 실험 결과를 설명하기에는 너무 작다는 것이 분명합니다. 실제로 레이저 조사로 인한 온도 변화는 1분 이내에 사라지므로 열 효과의 기여는 안전하게 무시할 수 있습니다.

실온에서 YBCO의 이러한 광전 효과는 다른 전하 분리 메커니즘이 관여함을 보여줍니다. 정상 상태에서 초전도성 YBCO는 정공을 전하 캐리어로 갖는 p형 물질인 반면, 금속성 Ag 페이스트는 n형 물질의 특성을 갖습니다. pn 접합과 유사하게, 은 페이스트 내 전자와 YBCO 세라믹 내 정공의 확산은 계면에서 YBCO 세라믹을 향하는 내부 전기장을 형성합니다(그림 1h). 이 내부 전기장이 분리력을 제공하고 그림 1e에서 볼 수 있듯이 실온에서 YBCO-Ag 페이스트 시스템에 양의 Voc와 음의 Isc를 발생시킵니다. 또는 Ag-YBCO는 p형 쇼트키 접합을 형성할 수 있으며, 이는 위에 제시된 모델과 동일한 극성을 갖는 계면 전위를 발생시킵니다.

YBCO의 초전도 전이 동안 광전지 특성의 자세한 진화 과정을 조사하기 위해, 80K에서 음극 전극에 선택된 레이저 강도를 조사하여 샘플의 IV 곡선을 측정했습니다(그림 2). 레이저 조사가 없으면 샘플 양단의 전압은 전류에 관계없이 0으로 유지되어 80K에서 샘플이 초전도 상태를 나타냅니다(그림 2a). 50K에서 얻은 데이터와 유사하게, I축에 평행한 IV 곡선은 임계값 Pc에 도달할 때까지 레이저 강도가 증가함에 따라 아래로 이동합니다. 이 임계 레이저 강도(Pc) 이상에서 초전도체는 초전도 상태에서 저항 상태로 전이합니다. 초전도체에 저항이 나타나기 때문에 전압이 전류와 함께 증가하기 시작합니다. 결과적으로 IV 곡선은 I축 및 V축과 교차하기 시작하여 처음에는 음의 Voc와 양의 Isc를 나타냅니다. 이제 샘플은 Voc와 Isc의 극성이 광 세기에 매우 민감한 특수한 상태에 있는 것으로 보입니다. 광 세기에 매우 작은 증가만으로도 Isc는 양에서 음으로, Voc는 음에서 양으로 변환되어 원점을 통과합니다(태양전지 특성, 특히 Isc 값이 광 조사에 얼마나 민감하게 반응하는지 그림 2b에서 더욱 명확하게 확인할 수 있습니다). 사용 가능한 최대 레이저 세기에서 IV 곡선은 서로 평행하게 나타나는데, 이는 YBCO 샘플의 정상 상태를 나타냅니다.

레이저 스팟 중심은 음극 전극 주위에 위치합니다(그림 1i 참조). a, 다양한 레이저 강도로 조사된 YBCO의 IV 곡선. b (위), 개방 회로 전압 Voc와 단락 회로 전류 Isc에 대한 레이저 강도 의존성. 시료가 초전도 상태에 있을 때 IV 곡선이 I축과 평행하기 때문에 낮은 광 강도(<110 mW/cm2)에서는 Isc 값을 얻을 수 없습니다. b (아래), 레이저 강도에 따른 미분 저항.

80K에서 Voc와 Isc의 레이저 세기 의존성은 그림 2b(위)에 나와 있습니다. 광전지 특성은 세 가지 광세기 영역에서 논의할 수 있습니다. 첫 번째 영역은 0과 Pc 사이로, YBCO는 초전도 상태이며, Voc는 음수이고 광세기에 따라 감소(절대값이 증가)하여 Pc에서 최소값에 도달합니다. 두 번째 영역은 Pc에서 또 다른 임계 세기 P0까지로, 광세기가 증가함에 따라 Voc는 증가하고 Isc는 감소하며 둘 다 P0에서 0에 도달합니다. 세 번째 영역은 YBCO가 정상 상태에 도달할 때까지 P0 이상입니다. Voc와 Isc는 영역 2와 같은 방식으로 광세기에 따라 변하지만, 임계 세기 P0 이상에서는 반대 극성을 갖습니다. P0의 중요성은 광전지 효과가 없고 이 특정 지점에서 전하 분리 메커니즘이 질적으로 변한다는 것입니다. YBCO 샘플은 이 광세기 범위에서 비초전도 상태가 되지만 정상 상태에는 아직 도달하지 않았습니다.

분명히, 이 시스템의 광전지 특성은 YBCO의 초전도도 및 초전도 전이와 밀접한 관련이 있습니다. YBCO의 차등 저항 dV/dI는 레이저 강도의 함수로 그림 2b(하단)에 나와 있습니다. 앞서 언급했듯이, 쿠퍼 쌍 확산으로 인한 계면의 내장 전기 퍼텐셜은 초전도체에서 금속으로 향합니다. 50K에서 관찰된 것과 유사하게, 광전지 효과는 레이저 강도가 0에서 Pc까지 증가함에 따라 향상됩니다. 레이저 강도가 Pc보다 약간 높은 값에 도달하면 IV 곡선이 기울기 시작하고 샘플의 저항이 나타나기 시작하지만 계면 퍼텐셜의 극성은 아직 변하지 않습니다. 초전도도에 대한 광학 여기의 영향은 가시광선 또는 근적외선 영역에서 조사되었습니다. 기본 과정은 쿠퍼 쌍을 파괴하고 초전도성을 파괴하는 것이지만,25,26 경우에 따라 초전도 전이가 향상될 수 있으며,27,28,29 새로운 초전도상이 유도될 수도 있습니다.30. Pc에서 초전도성이 없는 것은 광유도 쌍 파괴 때문일 수 있습니다. P0 지점에서 계면 양단의 전위는 0이 되는데, 이는 이 특정 광 조사 강도에서 계면 양쪽의 전하 밀도가 동일한 수준에 도달함을 나타냅니다. 레이저 강도가 더 증가하면 더 많은 쿠퍼 쌍이 파괴되고 YBCO는 점차 p형 물질로 다시 변환됩니다. 전자와 쿠퍼 쌍 확산 대신, 계면의 특성은 이제 전자와 정공 확산에 의해 결정되며, 이는 계면의 전기장의 극성 반전을 초래하고 결과적으로 양의 Voc를 발생시킵니다(그림 1d, h 비교). 매우 높은 레이저 강도에서 YBCO의 차동 저항은 정상 상태에 해당하는 값으로 포화되고, Voc와 Isc는 레이저 강도에 따라 선형적으로 변하는 경향이 있습니다(그림 2b). 이러한 관찰 결과는 정상 상태 YBCO에 레이저를 조사해도 저항률과 초전도체-금속 계면의 특성은 더 이상 변하지 않고 전자-정공 쌍의 농도만 증가함을 보여줍니다.

온도가 광전지 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 금속-초전도체 시스템의 음극에 502 mW/cm2 강도의 청색 레이저를 조사했습니다. 50~300 K 사이의 선택된 온도에서 얻은 IV 곡선이 그림 3a에 나와 있습니다. 개방 회로 전압 Voc, 단락 회로 전류 Isc 및 차동 저항은 이 IV 곡선에서 구할 수 있으며 그림 3b에 나와 있습니다. 빛이 조사되지 않은 경우, 다양한 온도에서 측정된 모든 IV 곡선은 예상대로 원점을 통과합니다(그림 3a의 삽입 그림). 시스템에 비교적 강한 레이저 빔(502 mW/cm2)이 조사되면 IV 특성은 온도가 증가함에 따라 급격히 변합니다. 저온에서 IV 곡선은 Voc의 값이 음수인 I축에 평행한 직선입니다. 이 곡선은 온도가 증가함에 따라 위쪽으로 이동하다가 임계 온도 Tcp에서 점차 기울기가 0이 아닌 선으로 변합니다(그림 3a(위)). 모든 IV 특성 곡선은 제3사분면의 한 점을 중심으로 회전하는 것처럼 보입니다. Voc는 음수에서 양수 값으로 증가하는 반면, Isc는 양수에서 음수 값으로 감소합니다. YBCO의 초기 초전도 전이 온도 Tc 이상에서는 IV 곡선이 온도에 따라 다소 다르게 변화합니다(그림 3a 하단). 첫째, IV 곡선의 회전 중심이 1사분면으로 이동합니다. 둘째, 온도가 증가함에 따라 Voc는 계속 감소하고 Isc는 증가합니다(그림 3b 상단). 셋째, IV 곡선의 기울기는 온도에 따라 선형적으로 증가하여 YBCO의 저항 온도 계수가 양수입니다(그림 3b 하단).

502 mW/cm2 레이저 조사 하에서 YBCO-Ag 페이스트 시스템의 광전지 특성의 온도 의존성.

레이저 스팟 중심은 음극 전극 주위에 위치합니다(그림 1i 참조). a, 50~90K(위)와 100~300K(아래)에서 각각 5K와 20K씩 온도를 증가시키면서 얻은 IV 곡선입니다. 삽입 그림 a는 어두운 환경에서 여러 온도에서의 IV 특성을 보여줍니다. 모든 곡선은 원점을 통과합니다. b, 개방 회로 전압 Voc와 단락 회로 전류 Isc(위), 그리고 온도에 따른 YBCO의 미분 저항 dV/dI(아래)입니다. 영저항 초전도 전이 온도 Tcp는 Tc0에 너무 가까워서 제공되지 않았습니다.

그림 3b에서 세 가지 임계 온도를 확인할 수 있습니다. Tcp는 YBCO가 초전도 상태가 되지 않는 온도입니다. Tc0는 Voc와 Isc가 모두 0이 되는 온도이며, Tc는 레이저 조사가 없는 YBCO의 원래 초전도 전이 온도입니다. Tcp ~ 55 K 미만에서 레이저로 조사된 YBCO는 쿠퍼 쌍 농도가 비교적 높은 초전도 상태에 있습니다. 레이저 조사의 효과는 쿠퍼 쌍 농도를 줄이고 광전지 전압과 전류를 생성하여 저항이 없는 초전도 전이 온도를 89 K에서 ~55 K(그림 3b 하단)로 낮추는 것입니다. 온도가 증가하면 쿠퍼 쌍도 파괴되어 계면의 전위가 낮아집니다. 결과적으로 동일한 레이저 조사 강도가 적용되더라도 Voc의 절대값은 더 작아집니다. 계면 전위는 온도가 더 증가함에 따라 점점 더 작아지고 Tc0에서 0에 도달합니다. 이 특정 지점에서는 광유도 전자-정공 쌍을 분리하는 내부장이 없기 때문에 광전효과가 발생하지 않습니다. Ag 페이스트의 자유 전하 밀도가 YBCO의 자유 전하 밀도보다 크기 때문에 이 임계 온도 이상에서는 전위의 극성 반전이 발생하며, 이는 점차 p형 물질로 되돌아갑니다. 여기서 Voc와 Isc의 극성 반전은 전이 원인과 관계없이 저항이 0인 초전도 전이 직후에 발생한다는 점을 강조하고자 합니다. 이 관찰은 초전도성과 금속-초전도체 계면 전위와 관련된 광전효과 사이의 상관관계를 최초로 명확하게 보여줍니다. 초전도체-일반 금속 계면에서 나타나는 이러한 전위의 특성은 지난 수십 년 동안 연구의 초점이 되어 왔지만, 아직 풀리지 않은 많은 의문점들이 있습니다. 광전효과 측정은 이 중요한 전위의 세부 사항(예: 세기, 극성 등)을 탐구하는 효과적인 방법으로 입증될 수 있으며, 이를 통해 고온 초전도 근접효과를 규명할 수 있을 것입니다.

온도가 Tc0에서 Tc로 더 증가하면 쿠퍼 쌍의 농도가 감소하고 계면 전위가 증가하여 Voc가 증가합니다. Tc에서 쿠퍼 쌍 농도는 0이 되고 계면의 내장 전위가 최대치에 도달하여 Voc는 최대가 되고 Isc는 최소가 됩니다. 이 온도 범위에서 Voc와 Isc(절대값)의 급격한 증가는 초전도 전이에 해당하며, 이는 502 mW/cm² 강도의 레이저 조사에 의해 ΔT ~ 3 K에서 ~34 K로 확장됩니다(그림 3b). Tc 이상의 정상 상태에서는 개방 회로 전압 Voc가 온도에 따라 감소합니다(그림 3b 상단). 이는 pn 접합 기반 일반 태양 전지의 Voc 선형 거동과 유사합니다31,32,33. 온도에 따른 Voc의 변화율(−dVoc/dT)은 레이저 강도에 크게 의존하며, 일반 태양전지보다 훨씬 작지만, YBCO-Ag 접합의 Voc 온도 계수는 태양전지와 동일한 자릿수를 갖습니다. 일반 태양전지 소자의 pn 접합 누설 전류는 온도 증가에 따라 증가하여 온도가 증가함에 따라 Voc가 감소합니다. 이 Ag-초전도체 시스템에서 관찰된 선형 IV 곡선은 첫째, 매우 작은 계면 전위와 둘째, 두 이종접합의 back-to-back 연결로 인해 누설 전류를 측정하기 어렵게 만듭니다. 그럼에도 불구하고, 본 실험에서 관찰된 Voc 거동은 동일한 온도 의존성 누설 전류 때문일 가능성이 매우 높습니다. 정의에 따르면, Isc는 Voc를 보상하여 총 전압을 0으로 만드는 음전압을 생성하는 데 필요한 전류입니다. 온도가 증가함에 따라 Voc는 작아지므로 음전압을 생성하는 데 필요한 전류가 줄어듭니다. 게다가 YBCO의 저항은 Tc 이상의 온도에 따라 선형적으로 증가합니다(그림 3b 하단). 이는 고온에서 Isc의 절대값이 작아지는 데에도 영향을 미칩니다.

그림 2와 3에 제시된 결과는 음극 전극 주변에 레이저를 조사하여 얻은 결과입니다. 양극에 레이저 스팟을 위치시켜 측정을 반복한 결과, Voc와 Isc의 극성을 반대로 한 것을 제외하고는 유사한 IV 특성과 광전지 특성이 관찰되었습니다. 이러한 모든 데이터는 초전도체-금속 계면과 밀접한 관련이 있는 광전지 효과의 메커니즘을 보여줍니다.

요약하면, 레이저 조사 초전도 YBCO-Ag 페이스트 시스템의 IV 특성을 온도와 레이저 강도의 함수로 측정했습니다. 50~300K의 온도 범위에서 주목할 만한 광전 효과가 관찰되었습니다. 이러한 광전 효과는 YBCO 세라믹의 초전도성과 밀접한 상관관계를 보입니다. 광유도 초전도에서 비초전도로의 전이 직후 Voc와 Isc의 극성 반전이 발생합니다. 고정된 레이저 강도에서 측정한 Voc와 Isc의 온도 의존성 또한 시료가 저항성을 나타내는 임계 온도 이상에서 뚜렷한 극성 반전을 나타냅니다. 레이저 스팟을 시료의 다른 부분에 위치시킴으로써, 계면 전체에 전기적 전위가 존재하며, 이 전위가 광유도 전자-정공 쌍을 분리하는 힘을 제공한다는 것을 보여줍니다. 이 계면 전위는 YBCO가 초전도 상태일 때 YBCO에서 금속 전극으로 향하고, 시료가 비초전도 상태가 되면 반대 방향으로 전환됩니다. YBCO가 초전도체일 때 발생하는 전위의 원인은 금속-초전도체 계면에서 발생하는 근접 효과와 자연스럽게 연관될 수 있으며, 레이저 강도가 502 mW/cm²일 때 50 K에서 약 10−8 mV로 추정됩니다. 정상 상태에서 p형 물질인 YBCO와 n형 물질인 Ag 페이스트가 접촉하면 준pn 접합이 형성되고, 이는 고온에서 YBCO 세라믹의 광전지 거동을 결정합니다. 위의 관찰 결과는 고온 초전도 YBCO 세라믹의 PV 효과에 대한 이해를 제공하고, 고속 수동 광 검출기 및 단일 광 검출기와 같은 광전자 소자의 새로운 응용 분야로의 길을 열어줍니다.

광전지 효과 실험은 두께 0.52mm, 직사각형 모양 8.64 × 2.26mm2의 YBCO 세라믹 샘플에서 수행되었으며 반경 1.25mm의 레이저 스팟 크기를 가진 연속파 청색 레이저(λ = 450nm)로 조사되었습니다. 박막 샘플 대신 벌크 샘플을 사용하면 기판의 복잡한 영향을 다루지 않고도 초전도체의 광전지 특성을 연구할 수 있습니다.6,7 더욱이 벌크 재료는 간단한 준비 절차와 비교적 낮은 비용으로 도움이 될 수 있습니다. 구리 리드 와이어는 직경이 약 1mm인 4개의 원형 전극을 형성하는 은 페이스트와 함께 YBCO 샘플에 응집됩니다. 두 전압 전극 사이의 거리는 약 5mm입니다. 샘플의 IV 특성은 석영 수정 창이 있는 진동 샘플 자력계(VersaLab, Quantum Design)를 사용하여 측정되었습니다. 표준 4선식 방법을 사용하여 IV 곡선을 얻었습니다. 전극과 레이저 스팟의 상대적 위치는 그림 1i에 나와 있습니다.

본 논문 인용 방법: Yang, F. 외. 초전도 YBa2Cu3O6.96 세라믹에서 광전 효과의 기원. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

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본 연구는 중국 국가자연과학기금(지원번호 60571063), 중국 허난성 기초연구프로젝트(지원번호 122300410231)의 지원을 받아 수행되었습니다.

FY는 논문 본문을 작성했고 MYH는 YBCO 세라믹 샘플을 준비했습니다. FY와 MYH는 실험을 수행하고 결과를 분석했습니다. FGC는 프로젝트와 데이터의 과학적 해석을 주도했습니다. 모든 저자가 원고를 검토했습니다.

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Yang, F., Han, M. & Chang, F. 초전도 YBa2Cu3O6.96 세라믹에서 광전효과의 기원. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

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