Urspronk vum photovoltaeschen Effekt a supraleitender YBa2Cu3O6.96 Keramik

Merci fir Äre Besuch op nature.com. Dir benotzt eng Browserversioun mat limitéierter Ënnerstëtzung fir CSS. Fir déi bescht Erfahrung ze kréien, empfeele mir Iech e méi aktuellen Browser ze benotzen (oder de Kompatibilitéitsmodus am Internet Explorer auszeschalten). An der Zwëschenzäit, fir weider Ënnerstëtzung ze garantéieren, weisen mir d'Säit ouni Stiler a JavaScript un.

Mir berichten iwwer en bemierkenswäerte photovoltaeschen Effekt an der YBa2Cu3O6.96 (YBCO) Keramik tëscht 50 an 300 K, induzéiert duerch Blo-Laserbeliichtung, wat direkt mat der Supraleitung vun YBCO an der YBCO-Metall-Elektroden-Grenzfläche zesummenhänkt. Et gëtt eng Polaritéitsumkéierung fir d'Open-Circuit-Spannung Voc an de Kuerzschlussstroum Isc, wann YBCO en Iwwergang vum supraleitenden an de resistive Zoustand mécht. Mir weisen, datt et en elektrescht Potenzial iwwer d'Grenzfläche tëscht Supraleiter a Normalmetall gëtt, wat d'Trennungskraaft fir d'Fotoinduzéiert Elektron-Lach-Pairen ubitt. Dëst Grenzflächepotenzial riicht sech vun YBCO op d'Metallelektrod, wann YBCO supraleitend ass, a wiesselt an déi entgéintgesate Richtung, wann YBCO net-supraleitend gëtt. Den Urspronk vum Potenzial kann einfach mam Proximitéitseffekt op der Metall-Supraleiter-Grenzfläche verbonnen sinn, wann YBCO supraleitend ass, a säi Wäert gëtt op ~10–8 mV bei 50 K mat enger Laserintensitéit vu 502 mW/cm2 geschat. D'Kombinatioun vun engem p-Typ Material YBCO am Normalzoustand mat engem n-Typ Material Ag-Paste bilt eng Quasi-pn-Iwwergank, déi fir dat photovoltaescht Verhale vun der YBCO Keramik bei héijen Temperaturen verantwortlech ass. Eis Erkenntnisser kéinten de Wee fir nei Uwendungen vu Photonen-Elektronen-Bauelementer fräimaachen a weider Liicht op den Noperschaftseffekt op der Grenzfläch tëscht Supraleiter a Metall werfen.

Photoinduzéiert Spannung an Héichtemperatur-Supraleeder gouf an den fréien 1990er Joren beschriwwen a gouf zënterhier extensiv ënnersicht, awer hir Natur a Mechanismus bleiwen onkloer1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) Dënnschichten6,7,8 gi besonnesch a Form vu photovoltaeschen (PV) Zellen intensiv ënnersicht wéinst hirem justierbaren Energielück9,10,11,12,13. Wéinst hirem héije Widderstand vum Substrat féiert awer ëmmer zu enger gerénger Konversiounseffizienz vum Apparat a maskéiert déi primär PV-Eegeschafte vum YBCO8. Hei bericht mir iwwer e bemierkenswäerte photovoltaeschen Effekt, deen duerch Blo-Laser (λ = 450 nm) Beliichtung an YBa2Cu3O6.96 (YBCO) Keramik tëscht 50 an 300 K (Tc ~ 90 K) induzéiert gëtt. Mir weisen, datt de PV-Effekt direkt mat der Supraleitung vum YBCO an der Natur vun der YBCO-Metallelektrode-Grenzfläche zesummenhänkt. Et gëtt eng Polaritéitsumkéierung fir d'Open-Circuit-Spannung Voc an de Kuerzschlussstroum Isc, wann YBCO en Iwwergang vun enger supraleitender Phas an en ohmschen Zoustand mécht. Et gëtt proposéiert, datt et en elektrescht Potenzial iwwer d'Grenzfläche tëscht Supraleiter a Normalmetall gëtt, wat d'Trennkraaft fir d'Foto-induzéiert Elektron-Lach-Pairen ubitt. Dëst Grenzflächepotenzial riicht sech vun YBCO op d'Metallelektrod, wann YBCO supraleitend ass, a wiesselt an déi entgéintgesate Richtung, wann d'Prouf net supraleitend gëtt. Den Urspronk vum Potenzial kéint natierlech mam Proximitéitseffekt14,15,16,17 op der Metall-Supraleiter-Grenzfläche verbonne sinn, wann YBCO supraleitend ass, a säi Wäert gëtt op ~10−8 mV bei 50 K mat enger Laserintensitéit vu 502 mW/cm2 geschat. D'Kombinatioun vun engem p-Typ-Material YBCO am Normalzoustand mat engem n-Typ-Material Ag-Paste bilt héchstwahrscheinlech eng Quasi-pn-Iwwergank, déi fir d'PV-Verhale vun der YBCO-Keramik bei héijen Temperaturen verantwortlech ass. Eis Observatioune werfen weider Liicht op den Urspronk vum PV-Effekt a supraleitender YBCO-Keramik mat héijen Temperaturen a maachen de Wee fräi fir seng Uwendung an optoelektroneschen Apparater wéi séier passiv Liichtdetektoren etc.

Figur 1a-c weist d'IV-Charakteristike vun der YBCO-Keramikprouf bei 50 K. Ouni Liichtbeliichtung bleift d'Spannung iwwer d'Prouf bei ännernder Stroum op Null, wéi een vun engem supraleitende Material erwaart. E kloere photovoltaeschen Effekt trëtt op, wann de Laserstrahl op d'Kathode geriicht gëtt (Fig. 1a): d'IV-Kurve parallel zur I-Achs beweege sech mat zouhuelender Laserintensitéit no ënnen. Et ass kloer, datt et eng negativ photoinduzéiert Spannung gëtt, och ouni Stroum (dacks Open-Circuit-Spannung Voc genannt). D'Nullsteigung vun der IV-Kurve weist drop hin, datt d'Prouf ënner Laserbeliichtung nach ëmmer supraleitend ass.

(a–c) an 300 K (e–g). D'Wäerter vu V(I) goufen duerch d'Ausbreedung vum Stroum vun −10 mA op +10 mA am Vakuum kritt. Nëmmen en Deel vun den experimentellen Donnéeën gëtt aus Grënn vun der Kloerheet presentéiert. a, Stroum-Spannungs-Charakteristike vum YBCO gemooss mat engem Laserpunkt, deen op der Kathod positionéiert ass (i). All IV-Kurven sinn horizontal riicht Linnen, déi uginn, datt d'Prouf nach ëmmer supraleitend ass mat Laserbestrahlung. D'Kurv beweegt sech mat zouhuelender Laserintensitéit no ënnen, wat uginn, datt et e negativt Potenzial (Voc) tëscht den zwou Spannungsleitungen gëtt, och bei Nullstroum. D'IV-Kurven bleiwen onverännert, wann de Laser op d'Mëtt vun der Prouf geriicht ass, entweder bei 50 K (b) oder 300 K (f). Déi horizontal Linn beweegt sech no uewen, wann d'Anod beliicht gëtt (c). E schematescht Modell vun der Metall-Supraleiter-Verbindung bei 50 K gëtt an d gewisen. Stroum-Spannungs-Charakteristike vum YBCO am Normalzoustand bei 300 K, gemooss mat engem Laserstral, deen op d'Kathode an d'Anod geriicht ass, ginn an e respektiv g uginn. Am Géigesaz zu de Resultater bei 50 K weist eng net-Nullsteigung vun de riichte Linnen drop hin, datt YBCO sech am Normalzoustand befënnt; d'Wäerter vu Voc variéiere mat der Liichtintensitéit an eng entgéintgesate Richtung, wat op en anere Ladungstrepnungsmechanismus hiweist. Eng méiglech Grenzflächenstruktur bei 300 K ass an hj duergestallt. Dat reellt Bild vun der Prouf mat Béid.

Sauerstoffräiche YBCO am supraleitenden Zoustand kann wéinst senger ganz klenger Energielück (Eg)9,10 bal de ganze Spektrum vum Sonneliicht absorbéieren, wouduerch Elektron-Lach-Pairen (e-h) entstinn. Fir eng Open-Circuit-Spannung Voc duerch d'Absorptioun vu Photonen ze produzéieren, ass et néideg, d'photogeneréiert eh-Pairen raimlech ze trennen, ier d'Rekombinatioun stattfënnt18. Déi negativ Voc, relativ zur Kathod an der Anod, wéi an der Fig. 1i ugewise gëtt, weist drop hin, datt et en elektrescht Potenzial iwwer d'Grenzfläche Metall-Supraleiter gëtt, dat d'Elektronen op d'Anode an d'Lächer op d'Kathode féiert. Wann dëst de Fall ass, sollt et och e Potenzial ginn, dat vum Supraleiter op d'Metallelektrode bei der Anode weist. Dofir géif e positiven Voc kritt ginn, wann de Proufberäich no bei der Anode beliicht gëtt. Ausserdeem sollt et keng photoinduzéiert Spannungen ginn, wann de Laserpunkt op Beräicher wäit vun den Elektroden geriicht gëtt. Dat ass sécherlech de Fall, wéi an der Fig. 1b,c! ze gesinn ass.

Wann de Liichtfleck vun der Kathodelektrod an d'Mëtt vun der Prouf beweegt (ongeféier 1,25 mm vun den Grenzflächen ewech), kënne keng Variatioun vun den IV-Kurven a kee Voc bei zouhuelender Laserintensitéit bis zum maximal verfügbare Wäert observéiert ginn (Fig. 1b). Natierlech kann dëst Resultat op déi limitéiert Liewensdauer vun de photoinduzéierte Ladungsträger an de Manktem u Trennkraaft an der Prouf zréckgefouert ginn. Elektrone-Lach-Pairen kënnen entstoen, wa ëmmer d'Prouf beliicht gëtt, awer déi meescht vun den e-h-Pairen ginn annihiléiert an et gëtt kee photovoltaeschen Effekt observéiert, wann de Laserfleck op Beräicher fällt, déi wäit vun enger vun den Elektroden ewech sinn. Wann de Laserfleck op d'Anodelektroden beweegt gëtt, beweege sech d'IV-Kurven parallel zur I-Achs mat zouhuelender Laserintensitéit no uewen (Fig. 1c). E ähnlecht agebauten elektrescht Feld existéiert an der Metall-Supraleiter-Verbindung op der Anod. Dës Kéier verbënnt sech awer déi metallesch Elektrod mat der positiver Leedung vum Testsystem. D'Lächer, déi vum Laser produzéiert ginn, ginn op d'Anode-Leedung gedréckt an doduerch gëtt eng positiv Voc observéiert. D'Resultater, déi hei presentéiert ginn, liwweren e staarke Beweis dofir, datt et tatsächlech e Grenzflächepotenzial gëtt, dat vum Supraleeder op d'Metallelektrod weist.

De photovoltaeschen Effekt an YBa2Cu3O6.96 Keramik bei 300 K gëtt an der Fig. 1e-g gewisen. Ouni Liichtbeliichtung ass d'IV-Kurve vun der Prouf eng riicht Linn, déi den Urspronk kräizt. Dës riicht Linn beweegt sech no uewen parallel zu der ursprénglecher Linn mat zouhuelender Laserintensitéit, déi op d'Kathodenleitungen ausstraalt (Fig. 1e). Et ginn zwéi Grenzfäll vun Interessi fir e photovoltaeschen Apparat. De Kuerzschlusszoustand trëtt op wann V = 0. De Stroum gëtt an dësem Fall als Kuerzschlussstroum (Isc) bezeechent. Den zweete Grenzfall ass den oppene Circuitzoustand (Voc), deen trëtt op wann R→∞ oder de Stroum null ass. Figur 1e weist kloer, datt Voc positiv ass a mat zouhuelender Liichtintensitéit eropgeet, am Géigesaz zum Resultat bei 50 K; während en negativen Isc mat Liichtbeliichtung an der Gréisst eropgeet, e typescht Verhale vun normalen Solarzellen.

Ähnlech, wann de Laserstrahl op Beräicher wäit vun den Elektroden ewech geriicht ass, ass d'V(I)-Kurve onofhängeg vun der Laserintensitéit an et gëtt kee photovoltaeschen Effekt (Fig. 1f). Ähnlech wéi bei der Miessung bei 50 K beweege sech d'IV-Kurven an déi entgéintgesate Richtung, wann d'Anodeelektrode bestraalt gëtt (Fig. 1g). All dës Resultater, déi fir dëst YBCO-Ag-Pastesystem bei 300 K mat Laser bestraalt op verschiddene Positioune vun der Prouf kritt goufen, stëmmen mat engem Grenzflächepotenzial iwwereneen, dat entgéintgesat ass zu deem, dat bei 50 K observéiert gouf.

Déi meescht Elektrone kondenséiere sech a Cooper-Paarer a supraleitendem YBCO ënner senger Iwwergangstemperatur Tc. Wärend se an der Metallelektrod sinn, bleiwen all d'Elektronen a Singularform. Et gëtt e groussen Dichtgradient fir souwuel Singularelektronen wéi och Cooper-Paarer an der Géigend vun der Metall-Supraleeder-Grenzfläche. Majoritéits-Carrier-Singularelektronen a metalleschem Material diffundéieren an d'Supraleederregioun, während Majoritéits-Carrier-Cooper-Paarer an der YBCO-Regioun an d'Metallregioun diffundéieren. Well Cooper-Paarer, déi méi Ladungen droen an eng méi grouss Mobilitéit wéi Singularelektronen hunn, vum YBCO an d'Metallregioun diffundéieren, bleiwen positiv gelueden Atomer zréck, wat zu engem elektresche Feld an der Raumladungsregioun féiert. D'Richtung vun dësem elektresche Feld ass am schematesche Diagramm Abb. 1d gewisen. Afalend Photonenbeliichtung an der Géigend vun der Raumladungsregioun kann eh-Paarer bilden, déi getrennt a gewéckelt ginn, wouduerch e Photostroum an der ëmgedréinter Richtung produzéiert gëtt. Soubal d'Elektronen aus dem agebauten elektresche Feld erauskommen, kondenséiere se sech a Paarer a fléissen ouni Widderstand op déi aner Elektrod. An dësem Fall ass de Voc géint d'virausgesate Polaritéit a weist e negativen Wäert un, wann de Laserstrahl op d'Géigend ronderëm déi negativ Elektrod geriicht ass. Aus dem Wäert vum Voc kann de Potenzial iwwer d'Grenzfläch geschat ginn: den Ofstand tëscht den zwou Spannungsleitungen d ass ~5 × 10−3 m, d'Déckt vun der Metall-Supraleiter-Grenzfläch, di, soll vun der selwechter Gréisstenuerdnung sinn wéi d'Kohärenzlängt vum YBCO-Supraleiter (~1 nm)19,20, huelt de Wäert vum Voc = 0,03 mV, de Potenzial Vms op der Metall-Supraleiter-Grenzfläch gëtt op ~10−11 V bei 50 K mat enger Laserintensitéit vu 502 mW/cm2 evaluéiert, mat Hëllef vun der Equatioun,

Mir wëlle hei betounen, datt déi photoinduzéiert Spannung net duerch de photothermeschen Effekt erkläert ka ginn. Et gouf experimentell festgestallt, datt de Seebeck-Koeffizient vum Supraleiter YBCO Ss = 021 ass. De Seebeck-Koeffizient fir Kupferleiter läit am Beräich vun SCu = 0,34–1,15 μV/K3. D'Temperatur vum Kupferdrot um Laserpunkt kann ëm e klenge Betrag vun 0,06 K erhéicht ginn, mat enger maximaler Laserintensitéit, déi bei 50 K verfügbar ass. Dëst kéint en thermoelektrescht Potenzial vu 6,9 × 10−8 V produzéieren, wat dräi Gréisstenuerdnungen méi kleng ass wéi de Voc, deen an der Fig. 1 (a) kritt gëtt. Et ass kloer, datt den thermoelektreschen Effekt ze kleng ass, fir déi experimentell Resultater z'erklären. Tatsächlech géif d'Temperaturvariatioun duerch Laserbestrahlung a manner wéi enger Minutt verschwannen, sou datt de Bäitrag vum thermeschen Effekt sécher ignoréiert ka ginn.

Dësen photovoltaeschen Effekt vum YBCO bei Raumtemperatur weist, datt hei en anere Ladungstrennungsmechanismus involvéiert ass. Supraleitend YBCO am normalen Zoustand ass e p-Typ Material mat Lächer als Ladungsträger22,23, während metallesch Ag-Paste Charakteristike vun engem n-Typ Material huet. Ähnlech wéi pn-Jerngäng, wäert d'Diffusioun vun Elektronen an der Sëlwerpaste a Lächer an der YBCO-Keramik en internt elektrescht Feld bilden, dat op d'YBCO-Keramik op der Grenzfläch weist (Fig. 1h). Et ass dëst internt Feld, dat d'Trennungskraaft liwwert a féiert zu engem positiven Voc an engem negativen Isc fir den YBCO-Ag-Pastesystem bei Raumtemperatur, wéi an der Fig. 1e gewisen. Alternativ kéint Ag-YBCO eng p-Typ Schottky-Jerngäng bilden, déi och zu engem Grenzflächepotenzial mat der selwechter Polaritéit wéi am uewe presentéierte Modell24 féiert.

Fir den detailléierte Prozess vun der Evolutioun vun de photovoltaeschen Eegeschafte während dem supraleitenden Iwwergang vun YBCO z'ënnersichen, goufen IV-Kurven vun der Prouf bei 80 K mat ausgewählten Laserintensitéiten gemooss, déi op der Kathodelektrode beliicht goufen (Fig. 2). Ouni Laserbestrahlung bleift d'Spannung iwwer d'Prouf op Null, onofhängeg vum Stroum, wat den supraleitenden Zoustand vun der Prouf bei 80 K ugeet (Fig. 2a). Ähnlech wéi d'Donnéeën, déi bei 50 K kritt goufen, beweege sech IV-Kurven parallel zur I-Achs mat zouhuelender Laserintensitéit no ënnen, bis e kritesche Wäert Pc erreecht gëtt. Iwwer dëser kritescher Laserintensitéit (Pc) mécht de Supraleeder en Iwwergang vun enger supraleitender Phas an eng resistent Phas; d'Spannung fänkt mam Stroum un ze klammen wéinst dem Optriede vu Widderstand am Supraleeder. Dofir fänkt d'IV-Kurve un, sech mat der I-Achs an der V-Achs ze schneiden, wat ufanks zu engem negativen Voc an engem positiven Isc féiert. Elo schéngt d'Prouf an engem speziellen Zoustand ze sinn, an deem d'Polaritéit vu Voc an Isc extrem empfindlech op d'Liichtintensitéit ass; Mat enger ganz klenger Erhéijung vun der Liichtintensitéit gëtt den Isc vu positiv an negativ an de Voc vu negativ an de positiven Wäert ëmgewandelt, andeems den Urspronk passéiert gëtt (déi héich Empfindlechkeet vun de photovoltaeschen Eegeschaften, besonnesch de Wäert vun Isc, fir Liichtbeliichtung kann an der Fig. 2b méi kloer gesi ginn). Bei der héchster verfügbarer Laserintensitéit sollen d'IV-Kurven parallel zueneen sinn, wat den normalen Zoustand vun der YBCO-Prouf bedeit.

Den Zentrum vum Laserfleck ass ronderëm d'Kathodeelektroden positionéiert (kuckt Fig. 1i). a, IV-Kurven vun YBCO, déi mat verschiddene Laserintensitéiten bestraalt goufen. b (uewen), Ofhängegkeet vun der Laserintensitéit vun der Open-Circuit-Spannung Voc a vum Kuerzschlussstroum Isc. D'Isc-Wäerter kënnen net bei gerénger Liichtintensitéit (< 110 mW/cm2) kritt ginn, well d'IV-Kurven parallel zur I-Achs sinn, wann d'Prouf am supraleitenden Zoustand ass. b (ënnen), Differenzwiderstand als Funktioun vun der Laserintensitéit.

D'Ofhängegkeet vun der Laserintensitéit vu Voc an Isc bei 80 K gëtt an der Fig. 2b (uewen) gewisen. Déi photovoltaesch Eegeschafte kënnen an dräi Regioune vun der Liichtintensitéit diskutéiert ginn. Déi éischt Regioun läit tëscht 0 a Pc, an där YBCO supraleitend ass, Voc negativ ass a mat der Liichtintensitéit hëlt of (den Absolutwäert klëmmt) a bei Pc e Minimum erreecht. Déi zweet Regioun läit vu Pc bis zu enger anerer kritescher Intensitéit P0, an där Voc eropgeet, während Isc mat zouhuelender Liichtintensitéit ofhëlt a béid Null bei P0 erreechen. Déi drëtt Regioun läit iwwer P0, bis den normalen Zoustand vun YBCO erreecht gëtt. Och wann souwuel Voc wéi och Isc mat der Liichtintensitéit op déiselwecht Aart a Weis wéi an der Regioun 2 variéieren, hunn si eng Géigepolaritéit iwwer der kritescher Intensitéit P0. D'Bedeitung vu P0 läit doran, datt et kee photovoltaeschen Effekt gëtt an de Ladungstrennenmechanismus sech op dësem spezifesche Punkt qualitativ ännert. D'YBCO-Prouf gëtt an dësem Beräich vun der Liichtintensitéit net supraleitend, awer den normalen Zoustand muss nach erreecht ginn.

Kloer sinn déi photovoltaesch Charakteristike vum System enk mat der Supraleitung vum YBCO a sengem supraleitenden Iwwergang verbonnen. Den differentiellen Widderstand, dV/dI, vum YBCO gëtt an der Fig. 2b (ënnen) als Funktioun vun der Laserintensitéit gewisen. Wéi virdru scho gesot, ass dat agebauten elektrescht Potenzial an der Grenzfläch wéinst Cooper-Paar-Diffusiounspunkten vum Supraleiter zum Metall. Ähnlech wéi bei 50 K observéiert, gëtt de photovoltaeschen Effekt mat steigender Laserintensitéit vun 0 op Pc verstäerkt. Wann d'Laserintensitéit e Wäert liicht iwwer Pc erreecht, fänkt d'IV-Kurve un ze kippen an de Widderstand vun der Prouf fänkt un ze erschéngen, awer d'Polaritéit vum Grenzflächepotenzial ass nach net geännert. Den Effekt vun der optescher Anregung op d'Supraleitung gouf am visuelle oder no-IR-Beräich ënnersicht. Wärend de Basisprozess ass, d'Cooper-Paarer opzebriechen an d'Supraleitung ze zerstéieren25,26, kann a verschiddene Fäll den Iwwergang vun der Supraleitung verbessert ginn27,28,29, nei Phasen vun der Supraleitung kënnen souguer induzéiert ginn30. D'Feele vu Supraleitung um Pc kann op de photoinduzéierte Paarbroch zréckgefouert ginn. Um Punkt P0 gëtt de Potenzial iwwer d'Grenzfläche Null, wat beweist datt d'Ladungsdicht op béide Säite vun der Grenzfläche ënner dëser spezifescher Intensitéit vun der Liichtbeliichtung datselwecht Niveau erreecht. Eng weider Erhéijung vun der Laserintensitéit féiert dozou, datt méi Cooper-Paarer zerstéiert ginn an YBCO graduell zréck an e p-Typ Material transforméiert gëtt. Amplaz vun der Diffusioun vun Elektronen a Cooper-Paarer gëtt d'Eegeschaft vun der Grenzfläche elo duerch d'Diffusioun vun Elektronen a Lach bestëmmt, wat zu enger Polaritéitsumkéierung vum elektresche Feld an der Grenzfläche a folglech zu engem positiven Voc féiert (vergläicht Abb. 1d, h). Bei ganz héijer Laserintensitéit saturéiert den differentiellen Widderstand vum YBCO op e Wäert, deen dem Normalzoustand entsprécht, a souwuel Voc wéi och Isc tendéieren linear mat der Laserintensitéit ze variéieren (Abb. 2b). Dës Observatioun weist, datt d'Laserbestrahlung op YBCO am Normalzoustand säi Widderstand an d'Eegeschaft vun der Supraleiter-Metall-Grenzfläche net méi ännert, mä nëmmen d'Konzentratioun vun den Elektron-Lach-Paarer erhéicht.

Fir den Afloss vun der Temperatur op d'photovoltaesch Eegeschafte z'ënnersichen, gouf de Metall-Supraleiter-System un der Kathod mat engem bloe Laser mat enger Intensitéit vu 502 mW/cm2 bestraalt. IV-Kurven, déi bei ausgewählten Temperaturen tëscht 50 an 300 K kritt goufen, sinn an der Fig. 3a gewisen. D'Open-Circuit-Spannung Voc, de Kuerzschlussstroum Isc an den Differentialwiderstand kënnen dann aus dësen IV-Kurven ofgeleet ginn a sinn an der Fig. 3b gewisen. Ouni Liichtbeliichtung passéieren all IV-Kurven, déi bei verschiddenen Temperaturen gemooss goufen, den Urspronk wéi erwaart (Inset vun der Fig. 3a). D'IV-Charakteristiken änneren sech drastesch mat eropgoender Temperatur, wann de System vun engem relativ staarke Laserstrahl (502 mW/cm2) beliicht gëtt. Bei niddregen Temperaturen sinn d'IV-Kurven riicht Linnen parallel zu der I-Achs mat negativen Wäerter vu Voc. Dës Kurv beweegt sech mat eropgoender Temperatur no uewen a verwandelt sech lues a lues an eng Linn mat enger Null-ënnerscheedender Steigung bei enger kritescher Temperatur Tcp (Fig. 3a (uewen)). Et schéngt, datt all IV-Charakteristikkurven ëm e Punkt am drëtte Quadrant dréien. Voc klëmmt vun engem negativen Wäert op e positiven, während Isc vun engem positiven op en negativen Wäert ofhëlt. Iwwer der ursprénglecher supraleitender Iwwergangstemperatur Tc vum YBCO ännert sech d'IV-Kurve mat der Temperatur zimmlech anescht (ënnen an der Fig. 3a). Éischtens beweegt sech de Rotatiounszentrum vun den IV-Kurven an den éischte Quadrant. Zweetens hëlt Voc weider of an Isc klëmmt mat zouhuelender Temperatur (uewen an der Fig. 3b). Drëttens hëlt d'Steigung vun den IV-Kurven linear mat der Temperatur zou, wat zu engem positiven Temperaturwidderstandskoeffizient fir YBCO féiert (ënnen an der Fig. 3b).

Temperaturabhängegkeet vun de photovoltaesche Charakteristike fir e YBCO-Ag-Pastesystem ënner 502 mW/cm2 Laserbeliichtung.

Den Zentrum vum Laserpunkt ass ronderëm d'Kathodeelektroden positionéiert (kuckt Abb. 1i). a, IV-Kurven, déi vu 50 bis 90 K (uewen) a vun 100 bis 300 K (ënnen) mat engem Temperaturzouschlag vu 5 K respektiv 20 K kritt goufen. Den Asaz a weist d'IV-Charakteristiken bei verschiddenen Temperaturen am Däischteren. All d'Kurven kräizen den Urspronkpunkt. b, Open-Circuit-Spannung Voc a Kuerzschlussstroum Isc (uewen) an den Differentialwiderstand, dV/dI, vum YBCO (ënnen) als Funktioun vun der Temperatur. D'Nullwiderstands-Iwwergangstemperatur Tcp fir supraleitend Elementer gëtt net uginn, well se ze no bei Tc0 läit.

Dräi kritesch Temperaturen kënnen aus der Fig. 3b erkannt ginn: Tcp, iwwer deem YBCO net-supraleitend gëtt; Tc0, bei deem souwuel Voc wéi och Isc null ginn an Tc déi ursprénglech Ufankstemperatur fir den supraleitenden Iwwergang vun YBCO ouni Laserbestrahlung ass. Ënner Tcp ~ 55 K ass den mat Laser bestraalten YBCO an engem supraleitenden Zoustand mat enger relativ héijer Konzentratioun vu Cooper-Paaren. Den Effekt vun der Laserbestrahlung ass d'Reduktioun vun der Nullwiderstandstemperatur fir den supraleitenden Iwwergang vun 89 K op ~ 55 K (ënnen Deel vun der Fig. 3b) andeems d'Konzentratioun vum Cooper-Paar reduzéiert gëtt, zousätzlech zur Produktioun vu photovoltaescher Spannung a Stroum. Eng Erhéijung vun der Temperatur brécht och d'Cooper-Paaren of, wat zu engem méi niddrege Potenzial an der Grenzfläch féiert. Dofir gëtt den Absolutwäert vu Voc méi kleng, obwuel déiselwecht Intensitéit vun der Laserbeliichtung ugewannt gëtt. De Grenzflächepotenzial gëtt ëmmer méi kleng mat weiderer Temperaturerhéijung an erreecht Null bei Tc0. Et gëtt kee photovoltaeschen Effekt op dësem spezielle Punkt, well et kee internt Feld gëtt fir d'photoinduzéiert Elektron-Lach-Paaren ze trennen. Iwwer dëser kritescher Temperatur geschitt eng Polaritéitsumkéierung vum Potenzial, well d'fräi Ladungsdicht an der Ag-Paste méi grouss ass wéi déi an YBCO, déi graduell zréck op e p-Typ Material transferéiert gëtt. Hei wëlle mir betounen, datt d'Polaritéitsumkéierung vu Voc an Isc direkt nom Nullwiderstands-Supraleeder-Iwwergang geschitt, onofhängeg vun der Ursaach vum Iwwergang. Dës Observatioun weist fir d'éischt Kéier kloer d'Korrelatioun tëscht Supraleitung an de photovoltaeschen Effekter, déi mam Metall-Supraleiter-Grenzflächepotenzial verbonne sinn. D'Natur vun dësem Potenzial iwwer d'Supraleiter-Normalmetall-Grenzfläche ass an de leschte Joerzéngten e Fuerschungsfokus gewiescht, awer et ginn nach vill Froen, déi nach ëmmer op eng Äntwert waarden. D'Miessung vum photovoltaeschen Effekt kéint sech als eng effektiv Method erweisen, fir d'Detailer (wéi seng Stäerkt a Polaritéit etc.) vun dësem wichtege Potenzial z'ënnersichen an domat den Héichtemperatur-supraleitende Proximitéitseffekt ze beliichten.

Eng weider Temperaturerhéijung vun Tc0 op Tc féiert zu enger méi klenger Konzentratioun vu Cooper-Paarer an enger Verbesserung vum Grenzflächepotenzial a folglech zu méi groussen Voc. Bei Tc gëtt d'Cooper-Paarkonzentratioun Null an den agebaute Potenzial op der Grenzfläch erreecht e Maximum, wat zu maximalen Voc a minimalen Isc féiert. Déi séier Erhéijung vu Voc an Isc (Absolutwäert) an dësem Temperaturberäich entsprécht dem supraleitenden Iwwergang, deen duerch Laserbestrahlung mat enger Intensitéit vu 502 mW/cm2 vun ΔT ~ 3 K op ~ 34 K erweidert gëtt (Fig. 3b). An den normalen Zoustänn iwwer Tc hëlt d'Open-Circuit-Spannung Voc mat der Temperatur of (uewen an der Fig. 3b), ähnlech wéi dat lineart Verhale vu Voc fir normal Solarzellen baséiert op pn-Jüngungen31,32,33. Och wann d'Ännerungsquote vu Voc mat der Temperatur (−dVoc/dT), déi staark vun der Laserintensitéit ofhänkt, vill méi kleng ass wéi déi vun normalen Solarzellen, huet den Temperaturkoeffizient vu Voc fir d'YBCO-Ag-Jüngung déiselwecht Gréisstenuerdnung wéi déi vun de Solarzellen. De Leckstroum vun enger PN-Jernübergang fir en normalen Solarzellbauelement klëmmt mat eropgoender Temperatur, wat zu engem Réckgang vun de Voc féiert, wann d'Temperatur eropgeet. Déi linear IV-Kurven, déi fir dëst Ag-Supraleeder-System observéiert goufen, éischtens wéinst dem ganz klenge Grenzflächepotenzial an zweetens der Back-to-Back-Verbindung vun den zwou Heterojektiounen, maachen et schwéier, de Leckstroum ze bestëmmen. Trotzdem schéngt et ganz wahrscheinlech, datt déiselwecht Temperaturabhängegkeet vum Leckstroum fir d'Voc-Verhale verantwortlech ass, dat an eisem Experiment observéiert gouf. No der Definitioun ass Isc de Stroum, deen néideg ass, fir eng negativ Spannung ze produzéieren, fir Voc ze kompenséieren, sou datt d'Gesamtspannung null ass. Wann d'Temperatur eropgeet, gëtt Voc méi kleng, sou datt manner Stroum gebraucht gëtt, fir déi negativ Spannung ze produzéieren. Ausserdeem klëmmt de Widderstand vum YBCO linear mat der Temperatur iwwer Tc (ënnen Deel vun der Fig. 3b), wat och zum méi klenge Absolutwäert vun Isc bei héijen Temperaturen bäidréit.

Bedenkt datt d'Resultater an de Fig. 2 an 3 duerch Laserbestrahlung an der Géigend ronderëm d'Kathodeelektroden kritt goufen. Miessunge goufen och mat engem Laserpunkt op der Anode widderholl, an ähnlech IV-Charakteristiken a photovoltaesch Eegeschafte goufen observéiert, ausser datt d'Polaritéit vu Voc an Isc an dësem Fall ëmgedréint gouf. All dës Donnéeë féieren zu engem Mechanismus fir de photovoltaeschen Effekt, deen enk mat der Grenzfläch tëscht Supraleiter a Metall verbonnen ass.

Zesummegefaasst goufen d'IV-Charakteristike vum laserbestraalten supraleitenden YBCO-Ag-Pastesystem als Funktioune vun der Temperatur an der Laserintensitéit gemooss. E bemierkenswäerte photovoltaeschen Effekt gouf am Temperaturberäich vu 50 bis 300 K observéiert. Et huet sech erausgestallt, datt d'photovoltaesch Eegeschafte staark mat der Supraleitung vun der YBCO-Keramik korreléieren. Eng Polaritéitsumkéierung vu Voc an Isc geschitt direkt nom photoinduzéierten Iwwergang vu supraleitend zu net-supraleitend. D'Temperaturabhängegkeet vu Voc an Isc, gemooss bei enger fester Laserintensitéit, weist och eng däitlech Polaritéitsumkéierung bei enger kritescher Temperatur, iwwer där d'Prouf resistiv gëtt. Indem mir de Laserfleck op engem aneren Deel vun der Prouf lokaliséieren, weise mir, datt et en elektrescht Potenzial iwwer d'Grenzfläche gëtt, wat d'Trennungskraaft fir déi photoinduzéiert Elektron-Lach-Pairen liwwert. Dëst Grenzflächepotenzial riicht sech vun YBCO op d'Metallelektrode wann YBCO supraleitend ass a wiesselt an déi entgéintgesate Richtung wann d'Prouf net-supraleitend gëtt. Den Urspronk vum Potenzial kéint natierlech mam Proximitéitseffekt op der Grenzfläche tëscht Metall a Supraleiter verbonne sinn, wann YBCO supraleitend ass, a gëtt op ~10−8 mV bei 50 K mat enger Laserintensitéit vu 502 mW/cm2 geschat. De Kontakt vun engem p-Typ Material YBCO am Normalzoustand mat engem n-Typ Material Ag-Paste bilt eng Quasi-pn-Iwwergank, déi fir dat photovoltaescht Verhale vun der YBCO-Keramik bei héijen Temperaturen verantwortlech ass. Déi uewe genannten Observatioune beliichten de PV-Effekt an der Héichtemperatur-supraleitender YBCO-Keramik a maachen de Wee fräi fir nei Uwendungen an optoelektroneschen Apparater, wéi z. B. séier passiv Liichtdetektoren an Eenzelphotondetektoren.

D'Experimenter mam photovoltaeschen Effekt goufen op enger YBCO-Keramikprouf mat enger Déckt vun 0,52 mm an enger rechteckeger Form vun 8,64 × 2,26 mm2 duerchgefouert, déi mat engem kontinuéierleche Blolaser (λ = 450 nm) mat enger Laserpunktgréisst vun 1,25 mm am Radius beliicht gouf. D'Benotzung vu Bulk- amplaz vun enger Dënnfilmprouf erméiglecht et eis, d'photovoltaesch Eegeschafte vum Supraleiter ze studéieren, ouni mam komplexen Afloss vum Substrat ze dinn ze hunn6,7. Ausserdeem kéint dat bulkmaterial wéinst senger einfacher Virbereedungsprozedur a relativ niddreger Käschte gëeegent sinn. D'Kupferleitunge sinn op der YBCO-Prouf mat Sëlwerpaste zesummegebonnen, wouduerch véier kreesfërmeg Elektroden mat engem Duerchmiesser vun ongeféier 1 mm entstinn. Den Ofstand tëscht den zwou Spannungselektroden ass ongeféier 5 mm. D'IV-Charakteristike vun der Prouf goufen mat dem Vibratiounsproufmagnetometer (VersaLab, Quantum Design) mat engem Quarzkristallfënster gemooss. Eng Standard-Véierdrotmethod gouf benotzt, fir d'IV-Kurven ze kréien. Déi relativ Positioune vun den Elektroden an dem Laserpunkt sinn an der Fig. 1i gewisen.

Wéi een dësen Artikel zitéiert: Yang, F. et al. Urspronk vum photovoltaeschen Effekt a supraleitender YBa2Cu3O6.96 Keramik. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetrie-verbueden Laser-induzéiert Spannungen an YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Urspronk vum anomale photovoltaesche Signal an Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Miessung vu Laser-induzéierte Spannungen vu supraleitendem Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Transient Laser-induzéiert Spannungen a Raumtemperaturfilmer aus YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Anomal photovoltaesch Äntwert an YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Photogeneréiert Lächerträgerinjektioun zu YBa2Cu3O7−x an enger Oxidheterostruktur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Photoemissiounsstudie vun YBa2Cu3Oy Dënnschichten ënner Liichtbeliichtung. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Photovoltaeschen Effekt vun der YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb Heterojunction, déi bei verschiddene Sauerstoffpartialdrock geglüht gouf. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Zwei-Lückenstruktur an Yb(Y)Ba2Cu3O7-x Eenzelkristaller. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasipartikel-Relaxatiounsdynamik a Supraleiter mat verschiddene Spaltstrukturen: Theorie an Experimenter iwwer YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG. Gläichrichtend Eegeschafte vun der YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb Heterojunction. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Exzitonesch Absorptioun a Supraleitung an YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transient photoinduzéiert Konduktivitéit an halbleitenden Eenzelkristaller vun YBa2Cu3O6.3: Sich no photoinduzéiertem metalleschen Zoustand a no photoinduzéierter Supraleitung. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Tunneling-Modell vum supraleitende Proximitéitseffekt. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Supraleitende Proximitéitseffekt op enger mesoskopescher Längteskala ënnersicht. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Proximitéitseffekt mat netzentrosymmetresche Supraleiter. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Staarken supraleitenden Proximitéitseffekt an Pb-Bi2Te3 Hybridstrukturen. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Eng nei Silizium-PN-Verbindungs-Fotozell fir d'Ëmwandlung vu Sonnestralung an elektresch Energie. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Auswierkunge vun Onreinheeten op d'supraleitend Kohärenzlängt an Zn- oder Ni-dotierten YBa2Cu3O6.9 Eenzelkristaller. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistenz vun ongezwillten YBa2Cu3Oy Eenzelkristaller an engem breede Beräich vun Dotierung: anomal Lächer-Dotierungsabhängegkeet vun der Kohärenzlängt. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Systematik an der thermoelektrischer Kraaft vun Oxiden mat héijem Tg-Wäert. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Trägerdichte-ofhängeg Impulsverschiebung vum kohärente Peak an dem LO-Phononmodus a p-Typ High-Tc-Supraleeder. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Lächerreduktioun an Elektroneakkumulatioun an YBa2Cu3Oy Dënnschichten mat Hëllef vun enger elektrochemescher Technik: Beweis fir en n-Typ metalleschen Zoustand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT D'Physik a Chimie vun der Schottky-Barrièrehéicht. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekter vun dynamescher externer Paarbrechung a supraleitende Filmer. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Photoinduzéiert Verbesserung vun der Supraleitung. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Persistent Photoleitfäegkeet a YBa2Cu3O6+x-Filmer als Method fir Photodotierung a Richtung metallesch a supraleitend Phasen. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Netlinear Gitterdynamik als Basis fir verbessert Supraleitung an YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Liichtinduzéiert Supraleitung an engem sträifengeuerdnete Kuprat. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Déi temperaturfunktionell Ofhängegkeet vu VOC fir eng Solarzell a Bezuch op hir Effizienz (nei Approche). Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Temperatureffekter a Schottky-Barrière-Silicium-Solarzellen. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturabhängegkeet fir d'Parametere vun de photovoltaeschen Apparater vu Polymer-Fulleren-Solarzellen ënner Betribsbedingungen. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Dës Aarbecht gouf vun der National Natural Science Foundation of China (Subventiounsnummer 60571063) an de Fundamental Research Projects vun der Provënz Henan a China (Subventiounsnummer 122300410231) ënnerstëtzt.

Den FY huet den Text vun der Aarbecht geschriwwen an den MYH huet d'YBCO-Keramikprouf virbereet. Den FY an den MYH hunn den Experiment duerchgefouert an d'Resultater analyséiert. Den FGC huet de Projet an d'wëssenschaftlech Interpretatioun vun den Donnéeën geleet. All Autoren hunn de Manuskript iwwerpréift.

Dëst Wierk ass ënner enger Creative Commons Attribution 4.0 International Lizenz lizenzéiert. D'Biller oder aner Material vun Drëttpersounen an dësem Artikel sinn an der Creative Commons Lizenz vum Artikel abegraff, ausser et ass anescht an der Kreditlinn uginn; wann d'Material net ënner der Creative Commons Lizenz abegraff ass, mussen d'Benotzer d'Erlaabnes vum Lizenzhalter kréien fir d'Material ze reproduzéieren. Fir eng Kopie vun dëser Lizenz ze gesinn, besicht http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Urspronk vum photovoltaeschen Effekt a supraleitender YBa2Cu3O6.96 Keramik. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Wann Dir e Kommentar ofgitt, stëmmt Dir zou, eis Benotzungsbedingungen a Gemeinschaftsrichtlinnen ze respektéieren. Wann Dir eppes Beleideges fannt oder wat net mat eise Konditiounen oder Richtlinnen entsprécht, da markéiert et w.e.g. als onpassend.