Çavkaniya bandora fotovoltaîk di seramîkên YBa2Cu3O6.96 ên superconductor de

Spas ji bo serdana nature.com. Hûn guhertoyek gerokê bi piştgiriya sînorkirî ji bo CSS bikar tînin. Ji bo bidestxistina ezmûna çêtirîn, em pêşniyar dikin ku hûn gerokek nûjentir bikar bînin (an jî moda lihevhatinê di Internet Explorer de vemirînin). Di vê navberê de, ji bo misogerkirina piştgiriya domdar, em malperê bê şêwaz û JavaScript nîşan didin.

Em bandorek fotovoltaîk a berbiçav di seramîka YBa2Cu3O6.96 (YBCO) de di navbera 50 û 300 K de radigihînin ku ji hêla ronîkirina lazerê şîn ve hatî çêkirin, ku rasterast bi superguhêzbariya YBCO û navrûya YBCO-elektroda metalîk ve girêdayî ye. Dema ku YBCO ji superguhêzbariyê derbasî rewşa berxwedanê dibe, ji bo voltaja çerxa vekirî Voc û herika kurteguhêzbar Isc berevajîbûnek polarîteyê heye. Em nîşan didin ku li seranserê navrûya superguhêzbar-metalê ya normal potansiyelek elektrîkê heye, ku hêza veqetandinê ji bo cotên elektron-qulikê yên bi foto-çêkirî peyda dike. Ev potansiyela navrûyê ji YBCO ber bi elektroda metal ve diçe dema ku YBCO superguhêzbar e û dema ku YBCO ne-superguhêzbar dibe ber bi alîyê berevajî ve diguhere. Çavkaniya potansiyelê dikare bi hêsanî bi bandora nêzîkbûnê li navrûya metal-superguhêzbar ve were girêdan dema ku YBCO superguhêzbar e û nirxa wê bi qasî ~10-8 mV li 50 K bi şîdeta lazerê ya 502 mW/cm2 tê texmîn kirin. Têkelkirina materyalek tîpa-p YBCO di rewşa normal de bi materyalek tîpa-n Ag-paste re girêdanek kvazî-pn çêdike ku berpirsiyarê tevgera fotovoltaîk a seramîkên YBCO di germahiyên bilind de ye. Dîtina me dibe ku rê li ber sepanên nû yên cîhazên foton-elektronîkî veke û ronîkirina bêtir li ser bandora nêzîkbûnê li ser rûbera superconductor-metal biavêje.

Voltaja foto-çêkirî di superconductorên germahiya bilind de di destpêka salên 1990-an de hatiye ragihandin û ji hingê ve bi berfirehî hatiye lêkolîn kirin, lê xweza û mekanîzmaya wê hîn jî nezelal in1,2,3,4,5. Bi taybetî, fîlmên tenik ên YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 di forma hucreya fotovoltaîk (PV) de ji ber valahiya enerjiya wê ya verastkirî bi tundî têne lêkolîn kirin9,10,11,12,13. Lêbelê, berxwedana bilind a substratê her gav dibe sedema karîgeriya veguherîna kêm a cîhazê û taybetmendiyên sereke yên PV yên YBCO8 vedişêre. Li vir em bandora fotovoltaîk a berbiçav a ku ji hêla ronîkirina lazerê şîn (λ = 450 nm) ve di seramîka YBa2Cu3O6.96 (YBCO) de di navbera 50 û 300 K (Tc ~ 90 K) de çêdibe radigihînin. Em nîşan didin ku bandora PV rasterast bi superconductoriya YBCO û xwezaya navbeynkariya elektroda YBCO-metalîk ve girêdayî ye. Dema ku YBCO ji qonaxa superconductor derbasî rewşa berxwedanê dibe, ji bo voltaja çerxa vekirî Voc û herika kurteçûna Isc berevajîbûnek polarîteyê heye. Tê pêşniyarkirin ku li seranserê navrûya superconductor-metalê normal potansiyelek elektrîkê heye, ku hêza veqetandinê ji bo cotên elektron-qulikê yên bi foto-çêkirî peyda dike. Ev potansiyela navrûyê ji YBCO ber bi elektroda metalê ve diçe dema ku YBCO superconductor e û dema ku nimûne ne-superconductor dibe ber bi alîyê berevajî ve diçe. Çavkaniya potansiyelê dibe ku bi xwezayî bi bandora nêzîkbûnê ve girêdayî be14,15,16,17 li navrûya metal-superconductor dema ku YBCO superconductor e û nirxa wê wekî ~10-8 mV li 50 K bi şîddeta lazerê ya 502 mW/cm2 tê texmîn kirin. Têkelbûna materyalek celeb-p YBCO di rewşa normal de bi materyalek celeb-n Ag-paste, bi îhtîmaleke mezin, girêdanek kvazî-pn çêdike ku berpirsiyarê tevgera PV ya seramîkên YBCO di germahiyên bilind de ye. Çavdêriyên me ronîyek zêdetir diavêjin ser çavkaniya bandora PV di seramîkên YBCO yên superguhêzbar ên germahiya bilind de û rê li ber sepandina wê di cîhazên optoelektronîkî de wekî detektora ronahiya pasîf a bilez û hwd vedikin.

Wêne 1a–c taybetmendiyên IV yên nimûneya seramîk a YBCO di 50 K de nîşan dide. Bêyî ronîkirina bi ronahiyê, voltaja li seranserê nimûneyê bi herikîna guherbar re sifir dimîne, wekî ku ji materyalek superconductor tê hêvî kirin. Bandora fotovoltaîk a eşkere xuya dike dema ku tîrêjên lazerê ber bi katodê ve têne rêve kirin (Wêne 1a): xêzên IV paralel bi eksena I re bi zêdebûna şîdeta lazerê ber bi jêr ve diçin. Diyar e ku voltajek neyînî ya ji hêla wêneyê ve hatî çêkirin heye, tewra bêyî herikînê jî (pir caran jê re voltaja çerxa vekirî Voc tê gotin). Şêweya sifir a xêza IV nîşan dide ku nimûne di bin ronîkirina lazerê de hîn jî superconductor e.

(a–c) û 300 K (e–g). Nirxên V(I) bi rêya veguhastina herikê ji −10 mA ber bi +10 mA di valahiyê de hatin bidestxistin. Ji bo zelalbûnê tenê beşek ji daneyên ceribandinê têne pêşkêş kirin. a, Taybetmendiyên voltaja herikê ya YBCO-yê ku bi xala lazerê ya li katodê hatî bicihkirin (i) hatine pîvandin. Hemî xêzên IV xetên rasterast ên horizontî ne ku nîşan didin ku nimûne bi tîrêjiya lazerê hîn jî superconductor e. Xêz bi zêdebûna şîdeta lazerê ber bi jêr ve diçe, ku nîşan dide ku potansiyelek neyînî (Voc) di navbera her du rêberên voltaja de heye, tewra bi herikîna sifir jî. Xêzên IV bêguher dimînin dema ku lazer li navenda nimûneyê li eter 50 K (b) an 300 K (f) tê rêve kirin. Xeta horizontî dema ku anodê tê ronî kirin ber bi jor ve diçe (c). Modelek şematîk a girêdana metal-superconductor li 50 K di d de tê nîşandan. Taybetmendiyên voltaja herikê ya YBCO-yê ya rewşa normal li 300 K ku bi tîrêjên lazerê yên li katodê û anodê hatine nîşankirin hatine pîvandin, bi rêzê ve di e û g de têne dayîn. Berevajî encamên li 50 K, meyla ne-sifir a xetên rast nîşan dide ku YBCO di rewşa normal de ye; nirxên Voc bi şîddeta ronahiyê re di aliyekî berevajî de diguherin, ku mekanîzmayek veqetandina bargiraniyê ya cûda nîşan dide. Avahiyek navrûyê ya gengaz li 300 K di hj de tê xuyang kirin. Wêneya rastîn a nimûneyê bi rêberan.

YBCOya dewlemend bi oksîjenê di rewşa superconductor de dikare hema hema tevahiya spektruma tîrêjên rojê bimijîne ji ber valahiya enerjiyê ya pir piçûk (Eg)9,10, bi vî rengî cotên elektron-qulikê (e-h) çêdike. Ji bo ku voltaja Voc ya çerxa vekirî bi mijandina fotonan were hilberandin, pêdivî ye ku cotên eh yên ji hêla fotonê ve hatine çêkirin berî ku ji nû ve kombînasyon çêbibe bi cîhî werin veqetandin18. Voc-ya neyînî, li gorî katod û anodê wekî ku di Şekil 1i de hatî destnîşan kirin, nîşan dide ku potansiyelek elektrîkê li seranserê navrûya metal-superconductor heye, ku elektronan ber bi anodê û qulikan ber bi katod ve dişîne. Ger rewş ev be, divê potansiyelek ji superconductor ber bi elektroda metalê ya li anodê ve jî hebe. Di encamê de, Voc-yek erênî dê were bidestxistin ger qada nimûneyê ya nêzîkî anodê ronî bibe. Wekî din, divê voltajên ji hêla fotonê ve hatine çêkirin tune bin dema ku xala lazerê ber bi deverên dûrî elektrodan ve tê nîşandan. Bê guman rewş wisa ye wekî ku ji Şekil 1b,c! tê dîtin.

Dema ku xala ronahiyê ji elektroda katodê ber bi navenda nimûneyê ve diçe (nêzîkî 1.25 mm ji navberan dûr), bi zêdebûna şîdeta lazerê heya nirxa herî zêde ya berdest, tu guherîna xêzên IV û tu Voc nayê dîtin (Wêne 1b). Bi xwezayî, ev encam dikare bi temenê sînorkirî yê hilgirên foto-çêkirî û nebûna hêza veqetandinê di nimûneyê de were vegotin. Her gava ku nimûne tê ronîkirin, cotên elektron-qulikê dikarin werin afirandin, lê piraniya cotên e-h dê werin tunekirin û heke xala lazerê li deverên dûrî yek ji elektrodan bikeve, bandorek fotovoltaîk nayê dîtin. Bi veguheztina xala lazerê ber bi elektrodên anodê ve, xêzên IV paralel bi eksena I re bi zêdebûna şîdeta lazerê ber bi jor ve diçin (Wêne 1c). Qadeke elektrîkê ya çêkirî ya wekhev di girêdana metal-superconductor a li anodê de heye. Lêbelê, vê carê elektroda metalîk bi rêbera erênî ya pergala ceribandinê ve girêdide. Qulikên ku ji hêla lazerê ve têne hilberandin ber bi rêbera anodê ve têne kişandin û bi vî rengî Voc-yek erênî tê dîtin. Encamên ku li vir hatine pêşkêşkirin delîlên xurt peyda dikin ku bi rastî jî potansiyeleke navrûyî heye ku ji superconductor ber bi elektroda metalî ve nîşan dide.

Bandora fotovoltaîk di seramîkên YBa2Cu3O6.96 de di 300 K de di Şekil 1e–g de tê nîşandan. Bêyî ronîkirina ronahiyê, xêza IV ya nimûneyê xêzek rast e ku ji eslê xwe derbas dibe. Ev xeta rast bi zêdebûna şîdeta lazerê ku li ser rêberên katodê tîrêjê dide, paralel bi ya eslî ber bi jor ve diçe (Şekil 1e). Ji bo cîhazek fotovoltaîk du rewşên sînordar ên balkêş hene. Rewşa kurteçûnê dema ku V = 0 çêdibe çêdibe. Herikîn di vê rewşê de wekî herikîna kurteçûnê (Isc) tê binavkirin. Rewşa sînordar a duyemîn rewşa vekirî-çûneyê (Voc) ye ku dema ku R→∞ an jî herikîn sifir be çêdibe. Şekil 1e bi zelalî nîşan dide ku Voc erênî ye û bi zêdebûna şîdeta ronahiyê zêde dibe, berevajî encama ku di 50 K de hatî bidestxistin; dema ku Isc-yek neyînî tê dîtin ku bi ronîkirina ronahiyê re di mezinahiyê de zêde dibe, tevgerînek tîpîk a şaneyên rojê yên normal e.

Bi heman awayî, dema ku tîrêjên lazerê ber bi deverên dûrî elektrodan ve têne arastekirin, xêza V(I) ji şîdeta lazerê serbixwe ye û bandora fotovoltaîk xuya nake (Wêne 1f). Mîna pîvandina li 50 K, xêzên IV ber bi aliyekî berevajî ve diçin dema ku elektroda anodê tê tîrêjkirin (Wêne 1g). Hemû encamên ku ji bo vê pergala pasta YBCO-Ag li 300 K bi lazerê ku li cihên cûda yên nimûneyê tê tîrêjkirin hatine bidestxistin, lihevhatî ne bi potansiyeleke navrûyê ya berevajî ya ku di 50 K de tê dîtin.

Piraniya elektronan di YBCOya superconductor de di cotên Cooper de li jêr germahiya veguherîna wê Tc têne kondens kirin. Dema ku di elektroda metalî de ne, hemî elektron di forma yekane de dimînin. Ji bo hem elektronên yekane û hem jî cotên Cooper li nêzîkî rûbera metal-superconductor gradyantek densiteyê ya mezin heye. Elektronên yekane yên hilgirê piraniyan di materyalê metalî de dê di herêma superconductor de belav bibin, lê cotên Cooper ên hilgirê piraniyan di herêma YBCO de dê di herêma metalî de belav bibin. Ji ber ku cotên Cooper ên ku bargiraniyên zêdetir hildigirin û ji elektronên yekane tevgerînek mezintir heye, ji YBCOyê ber bi herêma metalî ve belav dibin, atomên bi barkirina erênî li paş dimînin, ku di encamê de zeviyek elektrîkê di herêma barkirina fezayê de çêdibe. Rêça vê zeviya elektrîkê di diyagrama şematîk a Fig. 1d de tê nîşandan. Ronahiya fotonê ya qewimî li nêzî herêma barkirina fezayê dikare cotên eh biafirîne ku dê ji hev werin veqetandin û werin avêtin û fotoherêkek di rêça berevajî ya meyldariyê de çêbikin. Gava ku elektron ji zeviya elektrîkê ya çêkirî derdikevin, ew dibin cot û bêyî berxwedanê diherikin elektroda din. Di vê rewşê de, Voc berevajî polarîteya pêşwext-sazkirî ye û dema ku tîrêjên lazerê ber bi herêma li dora elektroda neyînî ve nîşan didin nirxek neyînî nîşan dide. Ji nirxa Voc, potansiyela li seranserê rûberê dikare were texmîn kirin: dûrahiya di navbera her du rêberên voltaja d de ~5 × 10−3 m ye, qalindahiya rûbera metal-superconductor, di, divê bi heman rêza mezinahiyê wekî dirêjahiya hevgirtinê ya superconductorê YBCO (~1 nm)19,20 be, nirxa Voc = 0.03 mV bigirin, potansiyela Vms li rûbera metal-superconductor wekî ~10−11 V li 50 K bi şîdeta lazerê ya 502 mW/cm2 tê nirxandin, bi karanîna hevkêşeya,

Em dixwazin li vir tekez bikin ku voltaja ji ber foto-çêkirinê nikare bi bandora termal a foto-çêkirinê were ravekirin. Bi ceribandinî hatiye destnîşankirin ku katsayiya Seebeck a superconductor YBCO Ss = 021 e. Katsayiya Seebeck ji bo têlên pêşeng ên sifir di navbera SCu = 0.34–1.15 μV/K3 de ye. Germahiya têla sifir li xala lazerê dikare bi mîqdarek piçûk a 0.06 K bi şîdeta lazerê ya herî zêde ya li 50 K-ê were bilind kirin. Ev dikare potansiyelek termoelektrîkî ya 6.9 × 10−8 V hilberîne ku sê rêz mezinahî ji Voc-ya ku di Wêne 1 (a) de hatî bidestxistin piçûktir e. Diyar e ku bandora termoelektrîkî pir piçûk e ku encamên ceribandinê rave bike. Bi rastî, guherîna germahiyê ji ber tîrêjên lazerê dê di nav kêmtirî yek deqîqeyê de winda bibe, ji ber vê yekê beşdariya ji bandora termal dikare bi ewlehî were paşguh kirin.

Ev bandora fotovoltaîk a YBCOyê di germahiya odeyê de nîşan dide ku mekanîzmayeke cuda ya veqetandina bargiraniyê li vir heye. YBCOya superconductor di rewşa normal de materyalek celebê p ye ku qulên wekî hilgirê bargiraniyê hene22,23, lê Ag-pasteya metalîk xwedî taybetmendiyên materyalek celebê n e. Mîna girêdanên pn, belavbûna elektronan di pasteya zîv de û qulên di seramîka YBCOyê de dê zeviyek elektrîkê ya navxweyî çêbike ku ber bi seramîka YBCOyê ve li ser rûberê nîşan dide (Wêne 1h). Ev zeviya navxweyî ye ku hêza veqetandinê peyda dike û dibe sedema Voc-yek erênî û Isc-yek neyînî ji bo pergala pasteya YBCO-Ag di germahiya odeyê de, wekî ku di Wêne 1e de tê xuyang kirin. Wekî din, Ag-YBCO dikare girêdanek Schottky ya celebê p çêbike ku di heman demê de dibe sedema potansiyelek rûberê bi heman polarîteyê wekî di modela jorîn de hatî pêşkêş kirin24.

Ji bo lêkolîna pêvajoya pêşveçûna berfireh a taybetmendiyên fotovoltaîk di dema veguherîna superconductor a YBCO de, xêzên IV yên nimûneyê li 80 K bi şîdeta lazerê ya bijartî ku li elektroda katodê ronî dikirin hatin pîvandin (Wêne 2). Bêyî tîrêjkirina lazerê, voltaja li seranserê nimûneyê bêyî ku herikîn çi be sifir dimîne, ku rewşa superconductor a nimûneyê li 80 K nîşan dide (Wêne 2a). Mîna daneyên ku di 50 K de hatine bidestxistin, xêzên IV yên paralel bi eksena I re bi zêdebûna şîdeta lazerê ber bi jêr ve diçin heya ku nirxek krîtîk Pc bigihîje. Li jor vê şîdeta lazerê ya krîtîk (Pc), superconductor ji qonaxek superconductor ber bi qonaxek berxwedêr ve diçe; voltaja ji ber xuya bûna berxwedanê di superconductor de bi herikînê re dest pê dike zêde bibe. Di encamê de, xêza IV dest pê dike ku bi eksena I û eksena V re hevber bibe, ku di destpêkê de dibe sedema Voc-yek neyînî û Isc-yek erênî. Naha xuya ye ku nimûne di rewşek taybetî de ye ku tê de polarîteya Voc û Isc ji şîdeta ronahiyê re pir hesas e; bi zêdebûneke pir piçûk di şîdeta ronahiyê de, Isc ji nirxê erênî vediguhere nirxê neyînî û Voc ji nirxê neyînî vediguhere nirxê erênî, û ji eslê xwe derbas dibe (hesasiyeta bilind a taybetmendiyên fotovoltaîk, bi taybetî nirxa Isc, li hember ronîkirina ronahiyê di Şekil 2b de zelaltir tê dîtin). Di şîdeta lazerê ya herî bilind a berdest de, xêzên IV dixwazin bi hev re paralel bin, ku rewşa normal a nimûneya YBCO nîşan dide.

Navenda xala lazerê li dora elektrodên katodê ye (li Şekil 1i binêre). a, Xêzên IV yên YBCO yên bi şîddetên lazerê yên cuda hatine tîrêjkirin. b (jor), Girêdayîbûna şîddeta lazerê ya voltaja çerxa vekirî Voc û herika çerxa kurt Isc. Nirxên Isc di şîddeta ronahiya kêm de (< 110 mW/cm2) nayên bidestxistin ji ber ku xêzên IV paralel bi eksena I re ne dema ku nimûne di rewşa superconductor de ye. b (jêr), berxwedana cûda wekî fonksiyonek şîddeta lazerê.

Girêdayîbûna Voc û Isc bi şîddeta lazerê re li 80 K di Şekil 2b (jor) de tê nîşandan. Taybetmendiyên fotovoltaîk dikarin di sê herêmên şîddeta ronahiyê de werin nîqaş kirin. Herêma yekem di navbera 0 û Pc de ye, ku tê de YBCO superconductor e, Voc neyînî ye û bi şîddeta ronahiyê re kêm dibe (nirxa mutleq zêde dibe) û li Pc digihîje asta herî kêm. Herêma duyem ji Pc ber bi şîddeta krîtîk a din P0 ye, ku tê de Voc zêde dibe dema ku Isc bi zêdebûna şîddeta ronahiyê re kêm dibe û her du jî li P0 digihîjin sifirê. Herêma sêyem li jor P0 ye heya ku rewşa normal a YBCO bigihîje. Her çend hem Voc û hem jî Isc bi şîddeta ronahiyê re bi heman awayî wekî li herêma 2 diguherin jî, polarîteya wan a dijber li jor şîddeta krîtîk P0 heye. Girîngiya P0 ev e ku bandora fotovoltaîk tune ye û mekanîzmaya veqetandina bargiraniyê di vê xala taybetî de bi awayekî kalîteyî diguhere. Nimûneya YBCO di vê rêza şîddeta ronahiyê de dibe ne-superconductor lê rewşa normal hîn nehatiye gihîştin.

Bi awayekî zelal, taybetmendiyên fotovoltaîk ên pergalê bi superconductivity ya YBCO û veguherîna wê ya superconductive ve girêdayî ne. Berxwedana cuda, dV/dI, ya YBCO di Şekil 2b (jêr) de wekî fonksiyonek ji şîdeta lazerê tê nîşandan. Wekî ku berê jî hate gotin, potansiyela elektrîkê ya di navrûyê de ji ber belavbûna cotek Cooper ji superconductor ber bi metalê ve diçe. Mîna ya ku di 50 K de tê dîtin, bandora fotovoltaîk bi zêdebûna şîdeta lazerê ji 0 heta Pc zêde dibe. Dema ku şîdeta lazerê digihîje nirxek hinekî li jor Pc, xêza IV dest pê dike ku bizivire û berxwedana nimûneyê dest pê dike xuya bibe, lê polarîteya potansiyela navrûyê hîn nehatiye guhertin. Bandora teşwîqkirina optîkî li ser superconductivity di herêma xuya an nêzîkî IR de hatiye lêkolîn kirin. Her çend pêvajoya bingehîn ew e ku cotên Cooper werin parçekirin û superconductivity were hilweşandin25,26, di hin rewşan de veguherîna superconductivity dikare were zêdekirin27,28,29, qonaxên nû yên superconductivity jî dikarin werin çalak kirin30. Nebûna superconductivity li Pc dikare bi şikestina cotê ya ji ber fotoyê ve girêdayî be. Li xala P0, potansiyela li seranserê rûberê sifir dibe, ku nîşan dide ku dendika barkirinê li her du aliyên rûberê di bin vê şîdeta taybetî ya ronîkirina ronahiyê de digihîje heman astê. Zêdebûna bêtir di şîdeta lazerê de dibe sedema hilweşandina bêtir cotên Cooper û YBCO hêdî hêdî vediguhere materyalek celeb-p. Li şûna belavbûna elektron û cotê Cooper, taybetmendiya rûberê niha bi belavbûna elektron û qulikan tê destnîşankirin ku dibe sedema berevajîkirina polarîteya zeviya elektrîkê di rûberê de û di encamê de Voc-yek erênî (berawird bike Şekil 1d, h). Di şîdeta lazerê ya pir bilind de, berxwedana cûda ya têrkirî ya YBCO digihîje nirxek ku bi rewşa normal re têkildar e û hem Voc û hem jî Isc meyla dikin ku bi şîdeta lazerê re bi xêzikî biguherin (Şekil 2b). Ev çavdêrî eşkere dike ku tîrêjên lazerê li ser rewşa normal YBCO êdî berxwedana xwe û taybetmendiya rûbera superconductor-metal naguherîne lê tenê rêjeya cotên elektron-qulik zêde dike.

Ji bo lêkolîna bandora germahiyê li ser taybetmendiyên fotovoltaîk, sîstema metal-superconductor li katodê bi lazera şîn a bi şîddeta 502 mW/cm2 hate tîrêjkirin. Xêzên IV yên ku di germahiyên bijartî yên di navbera 50 û 300 K de hatine bidestxistin di Şekil 3a de hatine dayîn. Voltaja çerxa vekirî Voc, herika çerxa kurt Isc û berxwedana cûdahiyê dûv re dikarin ji van xêzên IV werin bidestxistin û di Şekil 3b de têne nîşandan. Bêyî ronîkirina ronahiyê, hemî xêzên IV yên ku di germahiyên cûda de hatine pîvandin wekî ku tê hêvîkirin ji eslê xwe derbas dibin (navbera Şekil 3a). Taybetmendiyên IV bi zêdebûna germahiyê re bi girîngî diguherin dema ku pergal ji hêla tîrêjek lazer a nisbeten bihêz (502 mW/cm2) ve tê ronîkirin. Di germahiyên nizm de xêzên IV xetên rast in ku paralel bi eksena I-yê re ne ku nirxên neyînî yên Voc hene. Ev xêz bi zêdebûna germahiyê ber bi jor ve diçe û hêdî hêdî di germahiyek krîtîk Tcp de vediguhere xêzek bi meyla ne-sifir (Şekil 3a (jor)). Wisa xuya dike ku hemî xêzên taybetmendiya IV li dora xalek di çaryeka sêyemîn de dizivirin. Voc ji nirxek neyînî ber bi nirxek erênî ve zêde dibe, di heman demê de Isc ji nirxek erênî ber bi nirxek neyînî ve dadikeve. Li jor germahiya veguherîna superconductor a orîjînal Tc ya YBCO, xêza IV bi germahiyê re bi awayekî cûda diguhere (binê Şekil 3a). Pêşîn, navenda zivirîna xêzên IV ber bi çaryeka yekem ve diçe. Ya duyemîn, Voc bi zêdebûna germahiyê re kêm dibe û Isc zêde dibe (jorê Şekil 3b). Ya sêyemîn, meyla xêzên IV bi germahiyê re bi awayekî xêzikî zêde dibe, ku di encamê de ji bo YBCO koefîsyenteke berxwedanê ya germahiyê ya erênî çêdibe (binê Şekil 3b).

Girêdayîbûna germahiyê ya taybetmendiyên fotovoltaîk ji bo pergala pasta YBCO-Ag di bin ronahiya lazerê ya 502 mW/cm2 de.

Navenda xala lazerê li dora elektrodên katodê ye (li Şekil 1i binêre). a, xêzên IV ji 50 heta 90 K (jor) û ji 100 heta 300 K (jêr) bi zêdebûna germahiyê ya 5 K û 20 K, bi rêzê ve hatine bidestxistin. Inset a taybetmendiyên IV di çend germahiyên di tariyê de nîşan dide. Hemî xêz ji xala destpêkê derbas dibin. b, voltaja çerxa vekirî Voc û herika çerxa kurt Isc (jor) û berxwedana cûdahiyê, dV/dI, ya YBCO (jêr) wekî fonksiyonek germahiyê. Germahiya veguherîna superconductor a berxwedana sifir Tcp nayê dayîn ji ber ku ew pir nêzîkî Tc0 ye.

Sê germahiyên krîtîk dikarin ji Şekil 3b werin naskirin: Tcp, ku li jor wê YBCO dibe ne-superconductor; Tc0, ku hem Voc û hem jî Isc dibin sifir û Tc, germahiya veguherîna superconductor a destpêkê ya orîjînal a YBCO bêyî tîrêjkirina lazer. Li jêr Tcp ~ 55 K, YBCO ya bi lazerê hatiye tîrêjkirin di rewşa superconductor de ye ku xwedî rêjeyek nisbeten bilind a cotên Cooper e. Bandora tîrêjkirina lazer ew e ku germahiya veguherîna superconductor a berxwedana sifir ji 89 K heta ~55 K (binê Şekil 3b) kêm bike bi kêmkirina rêjeya cotên Cooper û her weha hilberandina voltaja û herika fotovoltaîk. Zêdebûna germahiyê di heman demê de cotên Cooper jî dişkîne û dibe sedema potansiyelek kêmtir di navrûyê de. Di encamê de, nirxa mutleq a Voc dê piçûktir bibe, her çend heman şîdeta ronîkirina lazerê were sepandin. Potansiyela navrûyê dê bi zêdebûna germahiyê re piçûktir û piçûktir bibe û li Tc0 digihîje sifirê. Li vê xala taybetî bandorek fotovoltaîk tune ye ji ber ku zeviyek navxweyî tune ku cotên elektron-qûna foto-çêkirî ji hev veqetîne. Guhertineke polarîteya potansiyelê li jor vê germahiya krîtîk çêdibe ji ber ku dendika barkirina azad di pasta Ag de ji ya di YBCO de mezintir e ku hêdî hêdî vedigere materyalek celeb-p. Li vir em dixwazin tekez bikin ku guhertina polarîteya Voc û Isc yekser piştî veguherîna superconductor a berxwedana sifir çêdibe, bêyî ku sedema veguherînê çi be. Ev çavdêrî, ji bo cara yekem, bi zelalî têkiliya di navbera superconductorîte û bandorên fotovoltaîk ên bi potansiyela navbeynkariya metal-superconductor ve girêdayî eşkere dike. Cewhera vê potansiyelê li seranserê navbeynkariya metalê superconductor-normal di çend dehsalên dawî de bûye mijara lêkolînê lê gelek pirs hene ku hîn jî li benda bersivdayînê ne. Pîvandina bandora fotovoltaîk dibe ku bibe rêbazek bi bandor ji bo lêkolîna hûrguliyên (wek hêz û polarîteya wê hwd.) vê potansiyela girîng û ji ber vê yekê ronî bike ser bandora nêzîkbûna superconductor a germahiya bilind.

Zêdebûna germahiyê ji Tc0 ber bi Tc ve dibe sedema kêmtirbûna konsantrasyona cotên Cooper û zêdebûnek di potansiyela navrûyê de û di encamê de Voc mezintir dibe. Li Tc konsantrasyona cotek Cooper dibe sifir û potansiyela avakirinê li navrûyê digihîje herî zêde, di encamê de Voc herî zêde û Isc herî kêm dibe. Zêdebûna bilez a Voc û Isc (nirxa mutleq) di vê rêza germahiyê de bi veguherîna superconductor re têkildar e ku ji ΔT ~ 3 K ber bi ~34 K ve bi tîrêjên lazerê yên bi şîddeta 502 mW/cm2 berfireh dibe (Wêne 3b). Di rewşên normal ên li jor Tc de, voltaja çerxa vekirî Voc bi germahiyê re kêm dibe (jorê Wêne 3b), dişibihe tevgera xêzikî ya Voc ji bo şaneyên rojê yên normal li ser bingeha girêdanên pn31,32,33. Her çend rêjeya guheztina Voc bi germahiyê re (−dVoc/dT), ku bi tundî bi şîddeta lazerê ve girêdayî ye, ji ya şaneyên rojê yên normal pir piçûktir e, katsayiya germahiyê ya Voc ji bo girêdana YBCO-Ag xwedî heman rêza mezinahiyê ye wekî ya şaneyên rojê. Herika rijandinê ya girêdana pn ji bo cîhazek hucreya rojê ya normal bi zêdebûna germahiyê re zêde dibe, û dibe sedema kêmbûna Voc dema ku germahî zêde dibe. Xêzên xêzikî yên IV yên ku ji bo vê pergala Ag-superconductor têne dîtin, pêşî ji ber potansiyela navrûyê ya pir piçûk û duyemîn ji ber girêdana pişt-bi-paş a her du heterojînksiyonan, diyarkirina herika rijandinê dijwar dike. Digel vê yekê, pir mimkûn xuya dike ku heman girêdayîbûna germahiyê ya herika rijandinê berpirsiyarê tevgera Voc ya ku di ceribandina me de hatî dîtin e. Li gorî pênaseyê, Isc herika ku ji bo hilberandina voltaja neyînî hewce ye da ku Voc telafî bike da ku voltaja giştî sifir be. Her ku germahî zêde dibe, Voc piçûktir dibe, ji ber vê yekê ji bo hilberandina voltaja neyînî herikek kêmtir hewce ye. Wekî din, berxwedana YBCO bi germahiya li jor Tc (jêrê Şekil 3b) bi xêzikî zêde dibe, ku ev jî dibe sedema nirxa mutleq a piçûktir a Isc di germahiyên bilind de.

Bala xwe bidinê ku encamên ku di Şekil 2, 3 de hatine dayîn bi tîrêjkirina lazerê li devera li dora elektrodên katodê hatine bidestxistin. Pîvandin bi xala lazerê ya li anodê jî hatine dubarekirin û taybetmendiyên IV û taybetmendiyên fotovoltaîk ên wekhev hatine dîtin, lê di vê rewşê de polarîteya Voc û Isc berevajî bûye. Hemû ev daneyên hanê dibin sedema mekanîzmayek ji bo bandora fotovoltaîk, ku bi têkiliya superconductor-metal ve girêdayî ye.

Bi kurtasî, taybetmendiyên IV yên sîstema pasta YBCO-Ag ya superconductor a bi lazerê hatiye tîrêjkirin wekî fonksiyonên germahî û şîdeta lazerê hatine pîvandin. Bandorek fotovoltaîk a berbiçav di navbera germahiyê de ji 50 heta 300 K hatiye dîtin. Hat dîtin ku taybetmendiyên fotovoltaîk bi tundî bi superconductoriya seramîkên YBCO re têkildar in. Guhertinek polarîteyê ya Voc û Isc di cih de piştî veguherîna superconductor a bi foto-çalakkirinê berbi ne-superconductor çêdibe. Girêdayîbûna germahiyê ya Voc û Isc ku bi şîdeta lazerê ya sabît tê pîvandin, di heman demê de berevajîkirinek polarîteyê ya cihêreng di germahiyek krîtîk de nîşan dide ku li jor wê nimûne berxwedêr dibe. Bi bicihkirina xala lazerê li beşek cûda ya nimûneyê, em nîşan didin ku li seranserê rûberê potansiyelek elektrîkê heye, ku hêza veqetandinê ji bo cotên elektron-qulikê yên bi foto-çalakkirinê peyda dike. Ev potansiyela rûberê ji YBCO ber bi elektroda metal ve diçe dema ku YBCO superconductor e û dema ku nimûne ne-superconductor dibe berbi alîyê berevajî ve diçe. Dibe ku çavkaniya potansiyelê bi xwezayî bi bandora nêzîkbûnê li ser rûbera metal-superconductor ve girêdayî be dema ku YBCO superconductor e û tê texmînkirin ku li 50 K bi şîddeta lazerê 502 mW/cm2 ~10-8 mV be. Têkiliya materyalek celeb-p YBCO di rewşa normal de bi materyalek celeb-n Ag-paste re girêdanek kvazî-pn çêdike ku berpirsiyarê tevgera fotovoltaîk a seramîkên YBCO di germahiyên bilind de ye. Çavdêriyên jorîn ronî li ser bandora PV di seramîkên YBCO yên superconductor ên germahiya bilind de diavêjin û rê li ber sepanên nû di cîhazên optoelektronîkî de vedikin wekî detektora ronahiya pasîf a bilez û detektora fotonê ya yekane.

Ceribandinên bandora fotovoltaîk li ser nimûneyek seramîk a YBCO bi qalindahiya 0.52 mm û şiklê çargoşeyî yê 8.64 × 2.26 mm2 hatin kirin û bi lazera şîn a pêla domdar (λ = 450 nm) bi mezinahiya xala lazerê ya 1.25 mm di radiusê de hatin ronîkirin. Bikaranîna nimûneya girseyî li şûna nimûneya fîlma zirav dihêle ku em taybetmendiyên fotovoltaîk ên superconductor lêkolîn bikin bêyî ku em bi bandora tevlihev a substratê re mijûl bibin6,7. Wekî din, materyalê girseyî dikare ji bo prosedûra amadekirina wê ya hêsan û lêçûna wê ya nisbeten kêm guncan be. Têlên pêşeng ên sifir li ser nimûneya YBCO bi pasta zîv ve girêdayî ne ku çar elektrodên dorhêl ên bi qasî 1 mm di qutrê de çêdikin. Dûrahiya di navbera her du elektrodên voltaja de bi qasî 5 mm ye. Taybetmendiyên IV yên nimûneyê bi karanîna magnetometreya nimûneya lerizînê (VersaLab, Quantum Design) bi pencereyek krîstala quartz hatin pîvandin. Rêbaza çar-têl a standard ji bo bidestxistina xêzên IV hate bikar anîn. Cihên nisbî yên elektrodan û xala lazerê di Wêne 1i de têne nîşandan.

Çawa vê gotarê binav bikin: Yang, F. û yên din. Origin of photovoltaic effect in superconducting YBa2Cu3O6.96 seramics. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Voltaja lazerê ya ku ji hêla sîmetrîyê ve hatî qedexekirin di YBa2Cu3O7 de hatî çêkirin. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Jêderka sînyala fotovoltaîk a anormal di Y-Ba-Cu-O de. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pîvandina voltaja bi lazerê ya superconductor Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, û yên din. Voltajên demkî yên ji hêla lazerê ve hatine çêkirin di fîlimên germahiya odeyê yên YBa2Cu3O7-x de. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Bersiva fotovoltaîk a anormal di YBa2Cu3O7 de. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Derzîkirina hilgirê qulikê ya fotogenerkirî ji bo YBa2Cu3O7−x di heterostruktura oksîdê de. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. û yên din. Lêkolîna fotoemîsyonê ya fîlmên tenik ên YBa2Cu3Oy di bin ronahiya ronahiyê de. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. û yên din. Bandora fotovoltaîk a heterojunctiona YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb ku di zexta qismî ya oksîjenê ya cuda de hatiye germkirin. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA û yên din. Avahiya Du-Gap di krîstalên yekane yên Yb(Y)Ba2Cu3O7-x de. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dînamîkên rihetbûna kuasîpartikulan di superconductorên bi avahiyên valahiyan ên cûda de: Teorî û ceribandinên li ser YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Taybetmendiyên rastkirinê yên heterojunctiona YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Vegirtin û superraguhêzbariya eksîtonîk di YBa2Cu3O7-δ de. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Rêkxerîya demkî ya fotoînduktîf di krîstalên yekane yên nîvconductor ên YBa2Cu3O6.3 de: lêgerîna rewşa metalîk a fotoînduktîf û superconductivîteya fotoînduktîf. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Modela tunelkirinê ya bandora nêzîkbûna superconductor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. û yên din. Bandora nêzîkbûna superconductor li ser pîvanek dirêjahiya mezoskopîk hate lêkolîn kirin. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Bandora nêzîkbûnê bi superconductorên ne-navendî-sîmetrîk re. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM û yên din. Bandora nêzîkbûna superconductor a bihêz di avahiyên hîbrîd ên Pb-Bi2Te3 de. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fotohucreyek nû ya girêdana pn ya silîkonê ji bo veguherandina tîrêjên rojê bo enerjiya elektrîkê. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Bandorên nepakiyê li ser dirêjahiya hevgirtinê ya superconductor di krîstalên yekane yên YBa2Cu3O6.9 ên bi Zn- an Ni-dopkirî de. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Berxwedana magnetîkî ya krîstalên yekane yên YBa2Cu3Oy yên necêwî di rêzek fireh a dopingê de: girêdayîbûna anormal a dopinga qul-dopingê ya dirêjahiya hevgirtinê. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Sîstematîk di hêza termoelektrîkî ya oksîdên T-ya bilind de. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. û yên din. Guhertina momentûmê ya girêdayî dendika hilgirê ya lûtkeya hevgirtî û moda fononê ya LO di superconductorên Tc-ya bilind ên celebê-p de. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. û yên din. Kêmkirina qulan û kombûna elektronan di fîlmên tenik ên YBa2Cu3Oy de bi karanîna teknîkek elektroşîmyayî: Delîl ji bo rewşek metalîk a celebê-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fîzîk û kîmyaya bilindahiya astengiya Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Bandorên Şikestina Cotên Dînamîk ên Derveyî li Fîlmên Superconductor. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. û yên din. Zêdebûna fotoînduktîvîteya superconductivity. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI û yên din. Fotokonduktîvîteya domdar di fîlmên YBa2Cu3O6+x de wekî rêbazek ji bo fotodopkirina ber bi qonaxên metalîk û superkonduktîv ve. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. û yên din. Dînamîkên torê yên ne-xêzî wekî bingehek ji bo zêdekirina superconductivity di YBa2Cu3O6.5 de. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. û yên din. Superguhêzbariya ji ber ronahiyê di kaprate-yek rêzkirî de. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Girêdana fonksiyonel a germahiyê ya VOC ji bo şaneyek rojê di têkiliya bi karîgeriya wê re rêbaza nû. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Bandorên germahiyê li ser xaneyên rojê yên silîkonê yên bi astengiya Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Girêdayîbûna germahiyê ji bo parametreyên cîhaza fotovoltaîk a şaneyên rojê yên polîmer-fullerene di bin şert û mercên xebitandinê de. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Ev xebat ji hêla Weqfa Zanistên Xwezayî ya Neteweyî ya Çînê (Hejmara Alîkariyê 60571063), Projeyên Lêkolînên Bingehîn ên Parêzgeha Henan, Çînê (Hejmara Alîkariyê 122300410231) ve hatiye piştgirîkirin.

FY nivîsa gotarê nivîsand û MYH nimûneya seramîk a YBCO amade kir. FY û MYH ceribandin pêk anîn û encam analîz kirin. FGC projeyê û şîrovekirina zanistî ya daneyan bi rê ve bir. Hemû nivîskaran destnivîs nirxandin.

Ev xebat di bin Lîsansa Navneteweyî ya Creative Commons Attribution 4.0 de hatiye lîsanskirin. Wêne an materyalên din ên aliyên sêyemîn ên di vê gotarê de di lîsansa Creative Commons a gotarê de cih digirin, heya ku di xeta krediyê de tiştekî din neyê destnîşan kirin; heke materyal di bin lîsansa Creative Commons de cih negire, bikarhêner dê hewce bikin ku ji xwediyê lîsansê destûr bistînin da ku materyalê ji nû ve hilberînin. Ji bo dîtina kopiyek ji vê lîsansê, serdana http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ bikin.

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Jêdera bandora fotovoltaîk di seramîkên YBa2Cu3O6.96 ên superconductor de. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Bi şandina şîroveyekê hûn qebûl dikin ku hûn Merc û Rêbernameyên Civaka me pabend bin. Heke hûn tiştek destdirêjker bibînin an jî ne li gorî merc an rêbernameyên me be, ji kerema xwe wê wekî ne guncaw nîşan bikin.