Ви благодариме што ја посетивте страницата nature.com. Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS. За да го добиете најдоброто искуство, препорачуваме да користите посовремен прелистувач (или да го исклучите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Пријавуваме извонреден фотоволтаичен ефект во керамика YBa2Cu3O6.96 (YBCO) помеѓу 50 и 300 K индуциран со осветлување со сино ласер, што е директно поврзано со суперспроводливоста на YBCO и интерфејсот YBCO-метална електрода. Постои пресврт на поларитетот за напонот на отворено коло Voc и струјата на краток спој Isc кога YBCO поминува од суперспроводлива во отпорна состојба. Покажуваме дека постои електричен потенцијал преку интерфејсот суперспроводник-нормален метал, кој ја обезбедува силата на одвојување за фото-индуцираните парови електрон-дупка. Овој интерфејсен потенцијал се насочува од YBCO кон металната електрода кога YBCO е суперспроводлив и се префрла во спротивна насока кога YBCO станува несуперспроводлив. Потеклото на потенцијалот може лесно да се поврзе со ефектот на близина на интерфејсот метал-суперспроводник кога YBCO е суперспроводлив и неговата вредност се проценува на ~10–8 mV на 50 K со интензитет на ласерот од 502 mW/cm2. Комбинацијата на p-тип материјал YBCO во нормална состојба со n-тип материјал Ag-паста формира квази-pn спој кој е одговорен за фотоволтаичното однесување на YBCO керамиката на високи температури. Нашите наоди можат да го отворат патот за нови примени на фотонско-електронските уреди и да фрлат дополнителна светлина врз ефектот на близина на интерфејсот суперспроводник-метал.
Фото-индуцираниот напон кај високотемпературни суперпроводници е објавен во раните 1990-ти и оттогаш е опширно истражуван, но неговата природа и механизам остануваат нејасни1,2,3,4,5. Тенките филмови YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, особено, се интензивно проучувани во форма на фотоволтаични (PV) ќелии поради нивниот прилагодлив енергетски јаз9,10,11,12,13. Сепак, високиот отпор на подлогата секогаш води до ниска ефикасност на конверзија на уредот и ги маскира примарните PV својства на YBCO8. Овде објавуваме извонреден фотоволтаичен ефект предизвикан од осветлување со сино ласер (λ = 450 nm) во керамика YBa2Cu3O6.96 (YBCO) помеѓу 50 и 300 K (Tc ~ 90 K). Покажуваме дека PV ефектот е директно поврзан со суперспроводливоста на YBCO и природата на интерфејсот YBCO-метална електрода. Постои промена на поларитетот за напонот на отворено коло Voc и струјата на краток спој Isc кога YBCO поминува низ транзиција од суперспроводлива фаза во отпорна состојба. Се претпоставува дека постои електричен потенцијал низ интерфејсот суперспроводник-нормален метал, кој ја обезбедува силата на одвојување за фото-индуцираните парови електрон-дупка. Овој интерфејсен потенцијал се насочува од YBCO кон металната електрода кога YBCO е суперспроводлив и се префрла во спротивна насока кога примерокот станува несуперспроводлив. Потеклото на потенцијалот може природно да биде поврзано со ефектот на близина14,15,16,17 на интерфејсот метал-суперспроводник кога YBCO е суперспроводлив и неговата вредност се проценува на ~10−8 mV на 50 K со интензитет на ласерот од 502 mW/cm2. Комбинацијата на p-тип материјал YBCO во нормална состојба со n-тип материјал Ag-паста формира, најверојатно, квази-pn спој кој е одговорен за PV однесувањето на YBCO керамиката на високи температури. Нашите набљудувања фрлаат дополнителна светлина врз потеклото на PV ефектот кај високотемпературната суперспроводлива YBCO керамика и го отвораат патот за негова примена во оптоелектронски уреди како што се брзиот пасивен детектор на светлина итн.
Слика 1a–c ги покажува IV карактеристиките на YBCO керамички примерок на 50 K. Без светлосно осветлување, напонот низ примерокот останува нула со променлива струја, како што може да се очекува од суперспроводлив материјал. Очигледен фотоволтаичен ефект се појавува кога ласерскиот зрак е насочен кон катодата (Слика 1a): IV кривите паралелни на I-оската се движат надолу со зголемување на интензитетот на ласерот. Очигледно е дека постои негативен фото-индуциран напон дури и без струја (честопати наречен напон на отворено коло Voc). Нултиот наклон на IV кривата покажува дека примерокот е сè уште суперспроводлив под ласерско осветлување.
(a–c) и 300 K (e–g). Вредностите на V(I) се добиени со движење на струјата од −10 mA до +10 mA во вакуум. Само дел од експерименталните податоци се презентирани за јасност. a, Карактеристики на струја-напон на YBCO мерени со ласерска точка позиционирана на катодата (i). Сите IV криви се хоризонтални прави линии што укажуваат дека примерокот е сè уште суперспроводлив со ласерско зрачење. Кривата се движи надолу со зголемување на интензитетот на ласерот, што укажува дека постои негативен потенцијал (Voc) помеѓу двата напонски водови дури и со нулта струја. IV кривите остануваат непроменети кога ласерот е насочен кон центарот на примерокот на етер 50 K (b) или 300 K (f). Хоризонталната линија се движи нагоре како што анодата е осветлена (c). Шематски модел на спој метал-суперспроводник на 50 K е прикажан во d. Карактеристиките на струја-напон на нормална состојба на YBCO на 300 K мерени со ласерски зрак насочен кон катодата и анодата се дадени во e и g, соодветно. За разлика од резултатите на 50 K, ненултиот наклон на правите линии покажува дека YBCO е во нормална состојба; вредностите на Voc варираат со интензитетот на светлината во спротивна насока, што укажува на различен механизам за раздвојување на полнежот. Можна структура на интерфејсот на 300 K е прикажана во hj. Вистинската слика на примерокот со електроди.
YBCO богат со кислород во суперспроводлива состојба може да апсорбира речиси целиот спектар на сончева светлина поради неговиот многу мал енергетски јаз (Eg)9,10, со што се создаваат парови електрон-дупка (e–h). За да се произведе напон на отворено коло Voc преку апсорпција на фотони, потребно е просторно да се одделат фото-генерираните eh парови пред да се случи рекомбинација18. Негативниот Voc, во однос на катодата и анодата, како што е наведено на Слика 1i, сугерира дека постои електричен потенцијал низ интерфејсот метал-суперспроводник, кој ги носи електроните кон анодата и дупките кон катодата. Ако е тоа случај, треба да има и потенцијал насочен од суперспроводникот кон металната електрода на анодата. Следствено, би се добил позитивен Voc ако површината на примерокот во близина на анодата е осветлена. Понатаму, не треба да има фото-индуцирани напони кога ласерската точка е насочена кон области далеку од електродите. Тоа е секако случај, како што може да се види од Слика 1b,c!.
Кога светлосната точка се движи од катодната електрода до центарот на примерокот (околу 1,25 mm оддалечена од интерфејсите), не може да се забележи варијација на IV кривите и Voc со зголемување на интензитетот на ласерот до максималната достапна вредност (Сл. 1б). Секако, овој резултат може да се припише на ограничениот животен век на фото-индуцираните носители и недостатокот на сила на одвојување во примерокот. Паровите електрон-дупка можат да се создадат секогаш кога примерокот е осветлен, но повеќето од e-h паровите ќе бидат анихилирани и не се забележува фотоволтаичен ефект ако ласерската точка падне на области далеку од која било од електродите. Со поместување на ласерската точка кон анодните електроди, IV кривите паралелни со I-оската се движат нагоре со зголемување на интензитетот на ласерот (Сл. 1в). Слично вградено електрично поле постои во спојот метал-суперпроводник на анодата. Сепак, овој пат металната електрода се поврзува со позитивниот кабел на тест системот. Дупките произведени од ласерот се туркаат кон анодниот кабел и со тоа се забележува позитивен Voc. Резултатите презентирани овде даваат силен доказ дека навистина постои интерфејсен потенцијал што покажува од суперпроводникот до металната електрода.
Фотоволтаичен ефект кај керамиката YBa2Cu3O6.96 на 300 K е прикажан на Сл. 1e–g. Без светлосно осветлување, IV кривата на примерокот е права линија што го преминува почетокот. Оваа права линија се движи нагоре паралелно со оригиналната со зголемување на интензитетот на ласерот што зрачи на катодните кабли (Сл. 1e). Постојат два ограничувачки случаи од интерес за фотоволтаичен уред. Состојбата на краток спој се јавува кога V = 0. Струјата во овој случај се нарекува струја на краток спој (Isc). Вториот ограничувачки случај е состојбата на отворено коло (Voc) што се јавува кога R→∞ или струјата е нула. Слика 1e јасно покажува дека Voc е позитивен и се зголемува со зголемување на интензитетот на светлината, за разлика од резултатот добиен на 50 K; додека се забележува дека негативната Isc се зголемува по големина со светлосно осветлување, типично однесување на нормалните сончеви ќелии.
Слично на тоа, кога ласерскиот зрак е насочен кон области далеку од електродите, кривата V(I) е независна од интензитетот на ласерот и не се појавува фотоволтаичен ефект (Сл. 1f). Слично на мерењето на 50 K, IV кривите се поместуваат во спротивна насока како што се озрачува анодна електрода (Сл. 1g). Сите овие резултати добиени за овој систем од YBCO-Ag паста на 300 K со ласер озрачен на различни позиции на примерокот се во согласност со потенцијал на интерфејсот спротивен на оној забележан на 50 K.
Повеќето електрони кондензираат во Куперови парови во суперспроводливиот YBCO под неговата температура на транзиција Tc. Додека се во металната електрода, сите електрони остануваат во сингуларна форма. Постои голем градиент на густина и за сингуларните електрони и за Куперовите парови во близина на интерфејсот метал-суперспроводник. Сингуларните електрони со мнозинство-носач во метален материјал ќе дифундираат во регионот на суперспроводникот, додека Куперовите парови со мнозинство-носач во регионот YBCO ќе дифундираат во регионот на металот. Бидејќи Куперовите парови кои носат повеќе полнежи и имаат поголема подвижност од сингуларните електрони дифундираат од YBCO во металниот регион, позитивно наелектризираните атоми остануваат, што резултира со електрично поле во регионот на просторниот полнеж. Насоката на ова електрично поле е прикажана на шематскиот дијаграм на сл. 1d. Осветлувањето на инцидентните фотони во близина на регионот на просторниот полнеж може да создаде eh парови кои ќе бидат одделени и избришани, создавајќи фотоструја во насока на обратно поларизирање. Штом електроните излезат од вграденото електрично поле, тие се кондензираат во парови и течат кон другата електрода без отпор. Во овој случај, Voc е спротивен на претходно поставениот поларитет и прикажува негативна вредност кога ласерскиот зрак е насочен кон областа околу негативната електрода. Од вредноста на Voc, може да се процени потенцијалот преку интерфејсот: растојанието помеѓу двата напонски водови d е ~5 × 10−3 m, дебелината на интерфејсот метал-суперпроводник, di, треба да биде со ист ред на големина како и кохерентната должина на YBCO суперпроводникот (~1 nm)19,20, земете ја вредноста на Voc = 0,03 mV, потенцијалот Vms на интерфејсот метал-суперпроводник се проценува на ~10−11 V на 50 K со интензитет на ласерот од 502 mW/cm2, користејќи ја равенката,
Сакаме да нагласиме дека фото-индуцираниот напон не може да се објасни со фототермички ефект. Експериментално е утврдено дека коефициентот на Сибек на суперспроводникот YBCO е Ss = 021. Коефициентот на Сибек за бакарни жици е во опсегот од SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Температурата на бакарната жица на ласерската точка може да се зголеми за мала количина од 0,06 K со максимален интензитет на ласерот достапен на 50 K. Ова би можело да произведе термоелектричен потенцијал од 6,9 × 10−8 V, што е три реда помал од Voc добиен на Слика 1 (а). Очигледно е дека термоелектричниот ефект е премногу мал за да се објаснат експерименталните резултати. Всушност, варијацијата на температурата поради ласерското зрачење би исчезнала за помалку од една минута, така што придонесот од термичкиот ефект може безбедно да се игнорира.
Овој фотоволтаичен ефект на YBCO на собна температура открива дека тука е вклучен различен механизам за раздвојување на полнежот. Суперспроводливиот YBCO во нормална состојба е материјал од p-тип со дупки како носители на полнеж22,23, додека металната Ag-паста има карактеристики на материјал од n-тип. Слично на pn споевите, дифузијата на електрони во сребрената паста и дупките во YBCO керамиката ќе формира внатрешно електрично поле насочено кон YBCO керамиката на интерфејсот (Сл. 1h). Токму ова внатрешно поле ја обезбедува силата на раздвојување и води до позитивен Voc и негативен Isc за системот YBCO-Ag паста на собна температура, како што е прикажано на Сл. 1e. Алтернативно, Ag-YBCO може да формира p-тип Шоткиева спојка што исто така води до интерфејсен потенцијал со ист поларитет како во моделот презентиран погоре24.
За да се истражи деталниот процес на еволуција на фотоволтаичните својства за време на суперспроводливата транзиција на YBCO, IV кривите на примерокот на 80 K беа измерени со избрани интензитети на ласерот што осветлуваат на катодна електрода (сл. 2). Без ласерско зрачење, напонот низ примерокот останува нула без оглед на струјата, што укажува на суперспроводливата состојба на примерокот на 80 K (сл. 2а). Слично на податоците добиени на 50 K, IV кривите паралелни на I-оската се движат надолу со зголемување на интензитетот на ласерот сè додека не се достигне критична вредност Pc. Над овој критичен интензитет на ласерот (Pc), суперспроводникот поминува низ транзиција од суперспроводлива фаза во отпорна фаза; напонот почнува да се зголемува со струјата поради појавата на отпор во суперспроводникот. Како резултат на тоа, IV кривата почнува да се сече со I-оската и V-оската, што на почетокот доведува до негативен Voc и позитивен Isc. Сега примерокот се чини дека е во посебна состојба во која поларитетот на Voc и Isc е исклучително чувствителен на интензитетот на светлината; Со многу мало зголемување на интензитетот на светлината, Isc се претвора од позитивно во негативно, а Voc од негативно во позитивно, поминувајќи го почетокот (високата чувствителност на фотоволтаичните својства, особено вредноста на Isc, на осветлувањето од светлина може да се види појасно на Сл. 2б). При највисок достапен интензитет на ласерот, IV кривите имаат намера да бидат паралелни една со друга, што ја означува нормалната состојба на примерокот YBCO.
Центарот на ласерската точка е позициониран околу катодните електроди (видете Сл. 1i). a, IV криви на YBCO озрачени со различни интензитети на ласерот. b (горе), Зависност на интензитетот на ласерот од напонот на отворено коло Voc и струјата на краток спој Isc. Вредностите на Isc не можат да се добијат при низок интензитет на светлина (< 110 mW/cm2) бидејќи IV кривите се паралелни со I-оската кога примерокот е во суперспроводлива состојба. b (долу), диференцијален отпор како функција од интензитетот на ласерот.
Зависноста на Voc и Isc од интензитетот на ласерот на 80 K е прикажана на Сл. 2б (горе). Фотоволтаичните својства може да се дискутираат во три региони на интензитет на светлина. Првиот регион е помеѓу 0 и Pc, во кој YBCO е суперспроводлив, Voc е негативен и се намалува (апсолутната вредност се зголемува) со интензитетот на светлината и достигнува минимум на Pc. Вториот регион е од Pc до друг критичен интензитет P0, во кој Voc се зголемува, додека Isc се намалува со зголемување на интензитетот на светлината и двата достигнуваат нула на P0. Третиот регион е над P0 сè додека не се достигне нормална состојба на YBCO. Иако и Voc и Isc варираат со интензитетот на светлината на ист начин како во регионот 2, тие имаат спротивен поларитет над критичниот интензитет P0. Значењето на P0 лежи во тоа што нема фотоволтаичен ефект и механизмот за раздвојување на полнежот се менува квалитативно во оваа конкретна точка. Примерокот од YBCO станува несуперспроводлив во овој опсег на интензитет на светлина, но нормалната состојба сè уште не е достигната.
Јасно е дека фотоволтаичните карактеристики на системот се тесно поврзани со суперспроводливоста на YBCO и неговиот суперспроводлив премин. Диференцијалниот отпор, dV/dI, на YBCO е прикажан на Сл. 2б (долу) како функција од интензитетот на ласерот. Како што споменавме претходно, вградениот електричен потенцијал во интерфејсот поради дифузијата на Куперовиот пар се движи од суперспроводникот до металот. Слично на оној забележан на 50 K, фотоволтаичниот ефект се засилува со зголемување на интензитетот на ласерот од 0 до Pc. Кога интензитетот на ласерот достигнува вредност малку над Pc, IV кривата почнува да се навалува и отпорот на примерокот почнува да се појавува, но поларитетот на потенцијалот на интерфејсот сè уште не е променет. Ефектот на оптичкото возбудување врз суперспроводливоста е испитан во видливиот или блискиот инфрацрвен регион. Додека основниот процес е да се разбијат Куперовите парови и да се уништи суперспроводливоста25,26, во некои случаи може да се подобри транзицијата на суперспроводливоста27,28,29, па дури може да се индуцираат и нови фази на суперспроводливост30. Отсуството на суперспроводливост кај Pc може да се припише на фото-индуцираното раскинување на парот. Во точката P0, потенцијалот преку интерфејсот станува нула, што укажува дека густината на полнежот од двете страни на интерфејсот достигнува исто ниво под овој специфичен интензитет на осветлување од светлина. Понатамошното зголемување на интензитетот на ласерот резултира со уништување на повеќе Куперови парови и YBCO постепено се трансформира назад во материјал од p-тип. Наместо дифузија на електрони и Куперови парови, карактеристиката на интерфејсот сега се одредува со дифузија на електрони и дупки, што доведува до промена на поларитетот на електричното поле во интерфејсот и следствено на тоа позитивен Voc (спореди Сл. 1d, h). При многу висок интензитет на ласерот, диференцијалниот отпор на заситените YBCO до вредност што одговара на нормалната состојба и и Voc и Isc имаат тенденција линеарно да варираат со интензитетот на ласерот (Сл. 2b). Ова набљудување открива дека ласерското зрачење на нормална состојба YBCO повеќе нема да ја менува својата отпорност и карактеристиката на интерфејсот суперспроводник-метал, туку само ќе ја зголеми концентрацијата на паровите електрон-дупка.
За да се испита ефектот на температурата врз фотоволтаичните својства, метал-суперспроводничкиот систем беше озрачен на катодата со син ласер со интензитет од 502 mW/cm2. IV кривите добиени на избрани температури помеѓу 50 и 300 K се дадени на Сл. 3а. Напонот на отворено коло Voc, струјата на краток спој Isc и диференцијалниот отпор потоа може да се добијат од овие IV криви и се прикажани на Сл. 3б. Без светлосно осветлување, сите IV криви мерени на различни температури го поминуваат потеклото како што се очекуваше (вметнато на Сл. 3а). IV карактеристиките драстично се менуваат со зголемување на температурата кога системот е осветлен со релативно силен ласерски зрак (502 mW/cm2). На ниски температури, IV кривите се прави линии паралелни на I-оската со негативни вредности на Voc. Оваа крива се движи нагоре со зголемување на температурата и постепено се претвора во линија со ненулти наклон на критична температура Tcp (Сл. 3а (горе)). Се чини дека сите IV карактеристични криви ротираат околу точка во третиот квадрант. Voc се зголемува од негативна вредност на позитивна, додека Isc се намалува од позитивна на негативна вредност. Над оригиналната температура на суперспроводлив премин Tc на YBCO, IV кривата се менува доста различно со температурата (долу на сл. 3a). Прво, центарот на ротација на IV кривите се поместува во првиот квадрант. Второ, Voc продолжува да се намалува, а Isc се зголемува со зголемување на температурата (горе на сл. 3b). Трето, наклонот на IV кривите се зголемува линеарно со температурата, што резултира со позитивен температурен коефициент на отпор за YBCO (долу на сл. 3b).
Температурна зависност на фотоволтаичните карактеристики за YBCO-Ag паста систем под ласерско осветлување од 502 mW/cm2.
Центарот на ласерската точка е позициониран околу катодните електроди (видете Сл. 1i). a, IV криви добиени од 50 до 90 K (горе) и од 100 до 300 K (долу) со зголемување на температурата од 5 K и 20 K, соодветно. Вметнатото a ги прикажува IV карактеристиките на неколку температури во темнина. Сите криви ја пресекуваат почетната точка. b, напон на отворено коло Voc и струја на краток спој Isc (горе) и диференцијалниот отпор, dV/dI, на YBCO (долу) како функција од температурата. Температурата на транзиција на суперспроводливост со нулти отпор Tcp не е дадена бидејќи е премногу блиску до Tc0.
Од Сл. 3б може да се препознаат три критични температури: Tcp, над која YBCO станува несуперспроводлив; Tc0, на која и Voc и Isc стануваат нула и Tc, оригиналната температура на почеток на суперспроводлива транзиција на YBCO без ласерско зрачење. Под Tcp ~ 55 K, YBCO озрачениот со ласер е во суперспроводлива состојба со релативно висока концентрација на Куперови парови. Ефектот на ласерското зрачење е да се намали температурата на суперспроводлива транзиција со нулти отпор од 89 K на ~55 K (долу на Сл. 3б) со намалување на концентрацијата на Куперовиот пар, покрај производство на фотоволтаичен напон и струја. Зголемувањето на температурата, исто така, ги разградува Куперовите парови, што доведува до помал потенцијал во интерфејсот. Следствено, апсолутната вредност на Voc ќе стане помала, иако се применува ист интензитет на ласерско осветлување. Потенцијалот на интерфејсот ќе станува сè помал и помал со понатамошно зголемување на температурата и ќе достигне нула на Tc0. Нема фотоволтаичен ефект во оваа посебна точка бидејќи нема внатрешно поле за одвојување на фото-индуцираните електрон-дупка парови. Превртување на поларитетот на потенцијалот се јавува над оваа критична температура бидејќи густината на слободниот полнеж во Ag пастата е поголема од онаа во YBCO, која постепено се враќа на материјал од p-тип. Овде сакаме да нагласиме дека превртувањето на поларитетот на Voc и Isc се случува веднаш по транзицијата на суперспроводливост со нулта отпорност, без оглед на причината за транзицијата. Ова набљудување јасно ја открива, за прв пат, корелацијата помеѓу суперспроводливоста и фотоволтаичните ефекти поврзани со потенцијалот на интерфејсот метал-суперспроводник. Природата на овој потенцијал низ интерфејсот суперспроводник-нормален метал е фокус на истражување во последните неколку децении, но има многу прашања што сè уште чекаат одговор. Мерењето на фотоволтаичниот ефект може да се покаже како ефикасен метод за истражување на деталите (како што се неговата јачина и поларитет итн.) на овој важен потенцијал и со тоа да фрли светлина врз ефектот на близина на суперспроводливост на висока температура.
Понатамошното зголемување на температурата од Tc0 до Tc доведува до помала концентрација на Куперови парови и зголемување на потенцијалот на интерфејсот и следствено на тоа поголем Voc. При Tc, концентрацијата на Куперовиот пар станува нула, а потенцијалот на вградување на интерфејсот достигнува максимум, што резултира со максимален Voc и минимален Isc. Брзото зголемување на Voc и Isc (апсолутна вредност) во овој температурен опсег одговара на суперспроводливиот премин кој е проширен од ΔT ~ 3 K до ~ 34 K со ласерско зрачење со интензитет од 502 mW/cm2 (Сл. 3b). Во нормални состојби над Tc, напонот на отворено коло Voc се намалува со температурата (врв на Сл. 3b), слично на линеарното однесување на Voc за нормални сончеви ќелии базирани на pn споеви31,32,33. Иако стапката на промена на Voc со температурата (−dVoc/dT), која силно зависи од интензитетот на ласерот, е многу помала од онаа на нормалните сончеви ќелии, температурниот коефициент на Voc за YBCO-Ag спојот има ист ред на големина како и оној на сончевите ќелии. Струјата на истекување на pn спој за нормален уред од соларни ќелии се зголемува со зголемување на температурата, што доведува до намалување на Voc како што се зголемува температурата. Линеарните IV криви забележани за овој Ag-суперспроводнички систем, поради прво многу малиот потенцијал на интерфејсот и второ, грбно-задна врска на двете хетероспојки, го отежнуваат одредувањето на струјата на истекување. Сепак, се чини многу веројатно дека истата температурна зависност на струјата на истекување е одговорна за однесувањето на Voc забележано во нашиот експеримент. Според дефиницијата, Isc е струјата потребна за да се произведе негативен напон за да се компензира Voc, така што вкупниот напон е нула. Со зголемувањето на температурата, Voc станува помал, така што е потребна помала струја за да се произведе негативен напон. Понатаму, отпорот на YBCO се зголемува линеарно со температурата над Tc (долу на слика 3b), што исто така придонесува за помалата апсолутна вредност на Isc на високи температури.
Забележете дека резултатите дадени на сликите 2, 3 се добиени со ласерско зрачење во областа околу катодните електроди. Мерењата се повторени и со ласерска точка позиционирана на анодата и се забележани слични IV карактеристики и фотоволтаични својства, освен што поларитетот на Voc и Isc е обратен во овој случај. Сите овие податоци водат до механизам за фотоволтаичниот ефект, кој е тесно поврзан со интерфејсот суперспроводник-метал.
Накратко, IV карактеристиките на ласерски озрачениот суперспроводлив систем YBCO-Ag паста се мерени како функции на температурата и интензитетот на ласерот. Забележан е значаен фотоволтаичен ефект во температурниот опсег од 50 до 300 K. Утврдено е дека фотоволтаичните својства силно корелираат со суперспроводливоста на YBCO керамиката. Превртување на поларитетот на Voc и Isc се јавува веднаш по транзицијата од фото-индуцирана суперспроводливост во несуперспроводливост. Температурната зависност на Voc и Isc мерена при фиксен интензитет на ласерот покажува и јасна превртување на поларитетот на критична температура над која примерокот станува отпорен. Со лоцирање на ласерската точка на различен дел од примерокот, покажуваме дека постои електричен потенцијал низ интерфејсот, кој ја обезбедува силата на одвојување за фото-индуцираните парови електрон-дупка. Овој потенцијал на интерфејсот се насочува од YBCO кон металната електрода кога YBCO е суперспроводлив и се префрла во спротивна насока кога примерокот станува несуперспроводлив. Потеклото на потенцијалот може природно да биде поврзано со ефектот на близина на интерфејсот метал-суперспроводник кога YBCO е суперспроводлив и се проценува на ~10−8 mV на 50 K со интензитет на ласерот од 502 mW/cm2. Контактот на p-тип материјал YBCO во нормална состојба со n-тип материјал Ag-паста формира квази-pn спој кој е одговорен за фотоволтаичното однесување на YBCO керамиката на високи температури. Горенаведените набљудувања фрлаат светлина врз PV ефектот кај високотемпературните суперспроводливи YBCO керамики и го отвораат патот за нови апликации во оптоелектронските уреди како што се брз пасивен детектор на светлина и детектор за еден фотон.
Експериментите со фотоволтаичен ефект беа извршени на керамички примерок од YBCO со дебелина од 0,52 mm и правоаголна форма од 8,64 × 2,26 mm2 и осветлен со син ласер со континуиран бран (λ = 450 nm) со големина на ласерска точка од 1,25 mm во радиус. Користењето на примерок од масив, наместо од тенок филм, ни овозможува да ги проучиме фотоволтаичните својства на суперспроводникот без да мора да се справуваме со комплексното влијание на подлогата6,7. Покрај тоа, материјалот од масив може да биде погоден поради неговата едноставна постапка на подготовка и релативно ниската цена. Бакарните жици се поврзани на примерокот од YBCO со сребрена паста, формирајќи четири кружни електроди со дијаметар од околу 1 mm. Растојанието помеѓу двете напонски електроди е околу 5 mm. IV карактеристиките на примерокот беа измерени со помош на магнетометар за вибрационен примерок (VersaLab, Quantum Design) со прозорец од кварцен кристал. За да се добијат IV кривите беше употребен стандарден метод со четири жици. Релативните позиции на електродите и ласерската точка се прикажани на Слика 1i.
Како да се цитира оваа статија: Јанг, Ф. и др. Потекло на фотоволтаичниот ефект кај суперспроводливата керамика YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Чанг, КЛ, Клајнхамес, А., Мултон, ВГ и Тестарди, ЛР. Симетрично забранети ласерски индуцирани напони во YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Квок, ХС, Женг, ЈП и Донг, СЈ Потекло на аномалниот фотоволтаичен сигнал во Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Ванг, ЛП, Лин, ЈЛ, Фенг, КР и Ванг, ГВ Мерење на ласерски индуцирани напони на суперспроводлив Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Тејт, КЛ, и др. Транзиентни ласерски индуцирани напони во филмови на YBa2Cu3O7-x на собна температура. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Квок, ХС и Женг, ЈП Аномален фотоволтаичен одговор во YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Мураока, Ј., Мурамацу, Т., Јамаура, Ј. и Хирои, З. Фотогенерирана инјекција на носач на дупки во YBa2Cu3O7−x во оксидна хетероструктура. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Асакура, Д. и др. Студија за фотоемисија на тенки филмови од YBa2Cu3Oy под светлосно осветлување. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Јанг, Ф. и др. Фотоволтаичен ефект на хетероспојката YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb жарена при различен парцијален притисок на кислород. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Аминов, БА и др. Двојазна структура кај Yb(Y)Ba2Cu3O7-x монокристали. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Кабанов, ВВ, Демсар, Ј., Подобник, Б. и Михаиловиќ, Д. Динамика на релаксација на квазичестички во суперспроводници со различни структури на празнини: Теорија и експерименти на YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Сун, ЈР, Ксионг, ЦМ, Жанг, ЈЗ и Шен, БГ. Ректифицирачки својства на хетероспојката YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Камарас, К., Портер, ЦД, Дос, МГ, Хер, СЛ и Танер, ДБ Екситонска апсорпција и суперспроводливост во YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Ју, Г., Хегер, АЈ и Стаки, Г. Минлива фотоиндуцирана спроводливост во полупроводнички монокристали на YBa2Cu3O6.3: потрага по фотоиндуцирана метална состојба и за фотоиндуцирана суперспроводливост. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Модел на тунелирање на ефектот на суперспроводлива близина. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Герон, С. и др. Ефект на суперспроводлива близина испитан на мезоскопска скала на должина. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Анунцијата, Г. и Манске, Д. Ефект на близина со нецентросиметрични суперспроводници. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Силен ефект на суперспроводливост на близина кај хибридните структури Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Чапин, ДМ, Фулер, КС и Пирсон, ГЛ Нова силиконска pn фотоќелија за претворање на сончевото зрачење во електрична енергија. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Томимото, К. Ефекти на нечистотиите врз должината на суперспроводливата кохерентност кај монокристали YBa2Cu3O6.9 допирани со Zn или Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Андо, Ј. и Сегава, К. Магнетоотпорност на несродни YBa2Cu3Oy монокристали во широк опсег на допирање: аномална зависност од должината на кохерентноста на допирањето на дупката. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Обертели, СД и Купер, ЈР Систематика во термоелектричната моќност на оксиди со висок T. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Сугаи, С. и др. Поместување на моментумот на кохерентниот врв зависно од густината на носителите и LO фононскиот режим кај p-тип високо-Tc суперпроводници. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Ноџима, Т. и др. Редукција на дупките и акумулација на електрони во тенки филмови од YBa2Cu3Oy со употреба на електрохемиска техника: Докази за метална состојба од n-тип. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Тунг, РТ Физиката и хемијата на висината на Шоткиевата бариера. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Саи-Халаш, GA, Чи, CC, Дененштајн, А. и Лангенберг, DN Ефекти на динамичко надворешно прекинување на паровите во суперспроводливи филмови. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Ниева, Г. и др. Фотоиндуцирано зголемување на суперспроводливоста. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Кудинов, VI и др. Перзистентна фотоспроводливост во YBa2Cu3O6+x филмови како метод на фотодопирање кон метални и суперспроводливи фази. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Манковски, Р. и др. Нелинеарна динамика на решеткастата мрежа како основа за подобрена суперспроводливост во YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Фаусти, Д. и др. Суперспроводливост индуцирана од светлина во купрат со ленти. Science 331, 189–191 (2011).
Ел-Адави, МК и Ал-Нуаим, Ајова. Температурна функционална зависност на VOC за сончева ќелија во однос на нејзината ефикасност, нов пристап. Десалинација 209, 91–96 (2007).
Вернон, СМ и Андерсон, Вашингтон. Температурни ефекти кај силиконски сончеви ќелии со Шоткиева бариера. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Кац, ЕА, Фајман, Д. и Туладар, СМ. Температурна зависност за параметрите на фотоволтаичниот уред на полимер-фулеренски сончеви ќелии под работни услови. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Оваа работа е поддржана од Националната фондација за природни науки на Кина (грант бр. 60571063), Проектите за фундаментални истражувања на покраината Хенан, Кина (грант бр. 122300410231).
FY го напиша текстот на трудот, а MYH го подготви керамички примерок од YBCO. FY и MYH го спроведоа експериментот и ги анализираа резултатите. FGC го водеше проектот и научната интерпретација на податоците. Сите автори го прегледаа ракописот.
Ова дело е лиценцирано под меѓународна лиценца Creative Commons Attribution 4.0. Сликите или другиот материјал од трети страни во оваа статија се вклучени во лиценцата Creative Commons на статијата, освен ако не е поинаку наведено во кредитната линија; ако материјалот не е вклучен под лиценцата Creative Commons, корисниците ќе треба да добијат дозвола од носителот на лиценцата за да го репродуцираат материјалот. За да видите копија од оваа лиценца, посетете ја страницата http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Јанг, Ф., Хан, М. и Чанг, Ф. Потекло на фотоволтаичниот ефект кај суперспроводливата керамика YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Со поднесување на коментар, се согласувате да се придржувате до нашите Услови и упатства за заедницата. Доколку најдете нешто навредливо или нешто што не е во согласност со нашите услови или упатства, ве молиме означете го како несоодветно.
Време на објавување: 22 април 2020 година