Terima kasih kerana melayari nature.com. Anda menggunakan versi pelayar dengan sokongan terhad untuk CSS. Untuk mendapatkan pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan pelayar yang lebih terkini (atau matikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Kami melaporkan kesan fotovoltaik yang luar biasa dalam seramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K yang diinduksi oleh pencahayaan laser biru, yang berkaitan secara langsung dengan superkonduktiviti YBCO dan antara muka elektrod logam YBCO. Terdapat pembalikan kekutuban untuk voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc apabila YBCO mengalami peralihan daripada keadaan superkonduktor kepada keadaan rintangan. Kami menunjukkan bahawa terdapat potensi elektrik merentasi antara muka logam superkonduktor-normal, yang menyediakan daya pemisahan untuk pasangan elektron-lubang teraruh foto. Potensi antara muka ini menghala dari YBCO ke elektrod logam apabila YBCO menjadi superkonduktor dan bertukar ke arah yang bertentangan apabila YBCO menjadi bukan superkonduktor. Asal potensi mungkin mudah dikaitkan dengan kesan jarak dekat pada antara muka logam-superkonduktor apabila YBCO menjadi superkonduktor dan nilainya dianggarkan ~10–8 mV pada 50 K dengan keamatan laser 502 mW/cm2. Gabungan bahan jenis-p YBCO pada keadaan normal dengan bahan jenis-n Ag-paste membentuk simpang kuasi-pn yang bertanggungjawab untuk kelakuan fotovoltaik seramik YBCO pada suhu tinggi. Penemuan kami mungkin membuka jalan kepada aplikasi baharu peranti foton-elektronik dan memberi penjelasan lanjut tentang kesan jarak pada antara muka superkonduktor-logam.
Voltan teraruh foto dalam superkonduktor suhu tinggi telah dilaporkan pada awal 1990-an dan telah dikaji secara meluas sejak itu, namun sifat dan mekanismenya masih belum dapat dipastikan1,2,3,4,5. Filem nipis YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 khususnya, dikaji secara intensif dalam bentuk sel fotovoltaik (PV) disebabkan oleh jurang tenaga boleh larasnya9,10,11,12,13. Walau bagaimanapun, rintangan substrat yang tinggi sentiasa membawa kepada kecekapan penukaran peranti yang rendah dan menutupi sifat PV utama YBCO8. Di sini kami melaporkan kesan fotovoltaik yang luar biasa yang disebabkan oleh pencahayaan laser biru (λ = 450 nm) dalam seramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K (Tc ~ 90 K). Kami menunjukkan bahawa kesan PV berkaitan secara langsung dengan superkonduktiviti YBCO dan sifat antara muka elektrod logam YBCO. Terdapat pembalikan kekutuban untuk voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc apabila YBCO mengalami peralihan daripada fasa superkonduktor kepada keadaan rintangan. Adalah dicadangkan bahawa terdapat potensi elektrik merentasi antara muka logam superkonduktor-normal, yang menyediakan daya pemisahan untuk pasangan elektron-lubang teraruh foto. Potensi antara muka ini menghala dari YBCO ke elektrod logam apabila YBCO sedang superkonduktor dan bertukar ke arah yang bertentangan apabila sampel menjadi bukan superkonduktor. Asal potensi mungkin secara semula jadi dikaitkan dengan kesan jarak 14,15,16,17 pada antara muka logam-superkonduktor apabila YBCO sedang superkonduktor dan nilainya dianggarkan ~10−8 mV pada 50 K dengan keamatan laser 502 mW/cm2. Gabungan bahan jenis-p YBCO pada keadaan normal dengan bahan jenis-n Ag-paste membentuk, kemungkinan besar, simpang kuasi-pn yang bertanggungjawab untuk kelakuan PV seramik YBCO pada suhu tinggi. Pemerhatian kami memberi lebih banyak penjelasan tentang asal usul kesan PV dalam seramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan untuk aplikasinya dalam peranti optoelektronik seperti pengesan cahaya pasif pantas dan sebagainya.
Rajah 1a–c menunjukkan ciri-ciri IV sampel seramik YBCO pada 50 K. Tanpa pencahayaan cahaya, voltan merentasi sampel kekal pada sifar dengan arus yang berubah, seperti yang boleh dijangkakan daripada bahan superkonduktor. Kesan fotovoltaik yang jelas muncul apabila pancaran laser diarahkan pada katod (Rajah 1a): lengkung IV selari dengan paksi I bergerak ke bawah dengan peningkatan keamatan laser. Jelas bahawa terdapat voltan fotoaruh negatif walaupun tanpa sebarang arus (sering dipanggil voltan litar terbuka Voc). Cerun sifar lengkung IV menunjukkan bahawa sampel masih superkonduktor di bawah pencahayaan laser.
(a–c) dan 300 K (e–g). Nilai V(I) diperoleh dengan menyapu arus dari −10 mA hingga +10 mA dalam vakum. Hanya sebahagian daripada data eksperimen dibentangkan untuk kejelasan. a, Ciri-ciri voltan arus YBCO diukur dengan titik laser yang diletakkan di katod (i). Semua lengkung IV adalah garis lurus mendatar yang menunjukkan sampel masih superkonduktor dengan penyinaran laser. Lengkung bergerak ke bawah dengan peningkatan keamatan laser, menunjukkan bahawa terdapat potensi negatif (Voc) antara dua wayar voltan walaupun dengan arus sifar. Lengkung IV kekal tidak berubah apabila laser dihalakan ke tengah sampel pada eter 50 K (b) atau 300 K (f). Garis mendatar bergerak ke atas apabila anod diterangi (c). Model skematik simpang logam-superkonduktor pada 50 K ditunjukkan dalam d. Ciri-ciri voltan arus bagi keadaan normal YBCO pada 300 K yang diukur dengan pancaran laser menghala ke katod dan anod masing-masing diberikan dalam e dan g. Berbeza dengan keputusan pada 50 K, cerun bukan sifar bagi garis lurus menunjukkan bahawa YBCO berada dalam keadaan normal; nilai Voc berbeza-beza dengan keamatan cahaya dalam arah yang bertentangan, menunjukkan mekanisme pemisahan cas yang berbeza. Struktur antara muka yang mungkin pada 300 K digambarkan dalam hj Gambaran sebenar sampel dengan petunjuk.
YBCO yang kaya dengan oksigen dalam keadaan superkonduktor boleh menyerap hampir spektrum cahaya matahari sepenuhnya disebabkan oleh jurang tenaganya yang sangat kecil (Eg)9,10, sekali gus menghasilkan pasangan elektron-lubang (e–h). Untuk menghasilkan voltan litar terbuka Voc melalui penyerapan foton, adalah perlu untuk memisahkan secara ruang pasangan eh yang dijana foto sebelum penggabungan semula berlaku18. Voc negatif, relatif kepada katod dan anod seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1i, menunjukkan bahawa terdapat potensi elektrik merentasi antara muka logam-superkonduktor, yang menyapu elektron ke anod dan lubang ke katod. Jika ini berlaku, harus ada juga potensi yang menunjuk dari superkonduktor ke elektrod logam di anod. Akibatnya, Voc positif akan diperoleh jika kawasan sampel berhampiran anod diterangi. Tambahan pula, tidak sepatutnya ada voltan teraruh foto apabila titik laser dihalakan ke kawasan yang jauh dari elektrod. Sudah tentu ia berlaku seperti yang dapat dilihat dari Rajah 1b,c!.
Apabila titik cahaya bergerak dari elektrod katod ke pusat sampel (kira-kira 1.25 mm selain daripada antara muka), tiada variasi lengkung IV dan tiada Voc dapat diperhatikan dengan peningkatan keamatan laser kepada nilai maksimum yang tersedia (Rajah 1b). Secara semulajadinya, hasil ini boleh dikaitkan dengan jangka hayat pembawa teraruh foto yang terhad dan kekurangan daya pemisahan dalam sampel. Pasangan elektron-lubang boleh dicipta apabila sampel diterangi, tetapi kebanyakan pasangan e-h akan dihapuskan dan tiada kesan fotovoltaik diperhatikan jika titik laser jatuh pada kawasan yang jauh dari mana-mana elektrod. Menggerakkan titik laser ke elektrod anod, lengkung IV selari dengan paksi I bergerak ke atas dengan peningkatan keamatan laser (Rajah 1c). Medan elektrik terbina dalam yang serupa wujud dalam simpang logam-superkonduktor di anod. Walau bagaimanapun, elektrod logam bersambung dengan plumbum positif sistem ujian kali ini. Lubang yang dihasilkan oleh laser ditolak ke plumbum anod dan dengan itu Voc positif diperhatikan. Keputusan yang dibentangkan di sini memberikan bukti kukuh bahawa memang wujud potensi antara muka yang menghala dari superkonduktor ke elektrod logam.
Kesan fotovoltaik dalam seramik YBa2Cu3O6.96 pada 300 K ditunjukkan dalam Rajah 1e–g. Tanpa pencahayaan cahaya, lengkung IV sampel adalah garis lurus yang melintasi asalan. Garis lurus ini bergerak ke atas selari dengan asalan dengan peningkatan keamatan laser yang menyinari pada wayar katod (Rajah 1e). Terdapat dua kes pengehad yang menarik untuk peranti fotovoltaik. Keadaan litar pintas berlaku apabila V = 0. Arus dalam kes ini dirujuk sebagai arus litar pintas (Isc). Kes pengehad kedua ialah keadaan litar terbuka (Voc) yang berlaku apabila R→∞ atau arus adalah sifar. Rajah 1e dengan jelas menunjukkan bahawa Voc adalah positif dan meningkat dengan peningkatan keamatan cahaya, berbeza dengan hasil yang diperoleh pada 50 K; manakala Isc negatif diperhatikan meningkat magnitud dengan pencahayaan cahaya, satu kelakuan tipikal sel suria biasa.
Begitu juga, apabila pancaran laser dihalakan ke kawasan yang jauh dari elektrod, lengkung V(I) adalah bebas daripada keamatan laser dan tiada kesan fotovoltaik muncul (Rajah 1f). Sama seperti pengukuran pada 50 K, lengkung IV bergerak ke arah yang bertentangan apabila elektrod anod disinari (Rajah 1g). Semua keputusan yang diperoleh untuk sistem pes YBCO-Ag ini pada 300 K dengan penyinaran laser pada kedudukan sampel yang berbeza adalah konsisten dengan potensi antara muka yang bertentangan dengan yang diperhatikan pada 50 K.
Kebanyakan elektron terkondensasi dalam pasangan Cooper dalam YBCO superkonduktor di bawah suhu peralihannya Tc. Semasa berada dalam elektrod logam, semua elektron kekal dalam bentuk tunggal. Terdapat kecerunan ketumpatan yang besar untuk kedua-dua elektron tunggal dan pasangan Cooper di sekitar antara muka logam-superkonduktor. Elektron tunggal pembawa majoriti dalam bahan logam akan meresap ke dalam kawasan superkonduktor, manakala pasangan Cooper pembawa majoriti di kawasan YBCO akan meresap ke dalam kawasan logam. Apabila pasangan Cooper yang membawa lebih banyak cas dan mempunyai mobiliti yang lebih besar daripada elektron tunggal meresap dari YBCO ke kawasan logam, atom bercas positif tertinggal, menghasilkan medan elektrik di kawasan cas ruang. Arah medan elektrik ini ditunjukkan dalam gambar rajah skematik Rajah 1d. Pencahayaan foton tuju berhampiran kawasan cas ruang boleh menghasilkan pasangan eh yang akan dipisahkan dan disapu keluar menghasilkan arus foto dalam arah bias songsang. Sebaik sahaja elektron keluar dari medan elektrik terbina dalam, ia terkondensasi menjadi pasangan dan mengalir ke elektrod lain tanpa rintangan. Dalam kes ini, Voc adalah bertentangan dengan kekutuban yang telah ditetapkan dan memaparkan nilai negatif apabila pancaran laser menghala ke kawasan di sekeliling elektrod negatif. Daripada nilai Voc, potensi merentasi antara muka boleh dianggarkan: jarak antara dua wayar voltan d ialah ~5 × 10−3 m, ketebalan antara muka logam-superkonduktor, di, hendaklah sama magnitudnya dengan panjang koheren superkonduktor YBCO (~1 nm)19,20, dengan mengambil nilai Voc = 0.03 mV, potensi Vms pada antara muka logam-superkonduktor dinilai sebagai ~10−11 V pada 50 K dengan keamatan laser 502 mW/cm2, menggunakan persamaan,
Kami ingin menekankan di sini bahawa voltan teraruh foto tidak dapat dijelaskan oleh kesan fototerma. Telah dibuktikan secara eksperimen bahawa pekali Seebeck bagi superkonduktor YBCO ialah Ss = 021. Pekali Seebeck untuk wayar plumbum kuprum berada dalam julat SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Suhu wayar kuprum pada titik laser boleh dinaikkan sedikit sebanyak 0.06 K dengan keamatan laser maksimum yang tersedia pada 50 K. Ini boleh menghasilkan potensi termoelektrik sebanyak 6.9 × 10−8 V yang merupakan tiga magnitud lebih kecil daripada Voc yang diperoleh dalam Rajah 1 (a). Jelas bahawa kesan termoelektrik terlalu kecil untuk menjelaskan keputusan eksperimen. Malah, variasi suhu akibat penyinaran laser akan hilang dalam masa kurang daripada satu minit supaya sumbangan daripada kesan terma boleh diabaikan dengan selamat.
Kesan fotovoltaik YBCO pada suhu bilik ini mendedahkan bahawa mekanisme pemisahan cas yang berbeza terlibat di sini. YBCO superkonduktor dalam keadaan normal ialah bahan jenis-p dengan lubang sebagai pembawa cas22,23, manakala pes Ag logam mempunyai ciri-ciri bahan jenis-n. Sama seperti simpang pn, resapan elektron dalam pes perak dan lubang dalam seramik YBCO akan membentuk medan elektrik dalaman yang menghala ke seramik YBCO pada antara muka (Rajah 1h). Medan dalaman inilah yang menyediakan daya pemisahan dan membawa kepada Voc positif dan Isc negatif untuk sistem pes YBCO-Ag pada suhu bilik, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1e. Secara alternatif, Ag-YBCO boleh membentuk simpang Schottky jenis-p yang juga membawa kepada potensi antara muka dengan kekutuban yang sama seperti dalam model yang dibentangkan di atas24.
Untuk mengkaji proses evolusi terperinci sifat fotovoltaik semasa peralihan superkonduktor YBCO, lengkung IV sampel pada 80 K diukur dengan keamatan laser terpilih yang menerangi elektrod katod (Rajah 2). Tanpa penyinaran laser, voltan merentasi sampel kekal pada sifar tanpa mengira arus, menunjukkan keadaan superkonduktor sampel pada 80 K (Rajah 2a). Sama seperti data yang diperoleh pada 50 K, lengkung IV selari dengan paksi-I bergerak ke bawah dengan peningkatan keamatan laser sehingga nilai kritikal Pc dicapai. Di atas keamatan laser kritikal (Pc) ini, superkonduktor mengalami peralihan daripada fasa superkonduktor kepada fasa rintangan; voltan mula meningkat dengan arus disebabkan oleh kemunculan rintangan dalam superkonduktor. Akibatnya, lengkung IV mula bersilang dengan paksi-I dan paksi-V yang membawa kepada Voc negatif dan Isc positif pada mulanya. Kini sampel nampaknya berada dalam keadaan khas di mana kekutuban Voc dan Isc sangat sensitif terhadap keamatan cahaya; dengan peningkatan keamatan cahaya yang sangat kecil, Isc ditukar daripada nilai positif kepada negatif dan Voc daripada nilai negatif kepada positif, melepasi asalan (kepekaan tinggi sifat fotovoltaik, terutamanya nilai Isc, terhadap pencahayaan cahaya boleh dilihat dengan lebih jelas dalam Rajah 2b). Pada keamatan laser tertinggi yang tersedia, lengkung IV bertujuan untuk selari antara satu sama lain, menandakan keadaan normal sampel YBCO.
Pusat titik laser diletakkan di sekitar elektrod katod (lihat Rajah 1i). a, lengkung IV YBCO yang disinari dengan keamatan laser yang berbeza. b (atas), Kebergantungan keamatan laser voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc. Nilai Isc tidak boleh diperolehi pada keamatan cahaya rendah (< 110 mW/cm2) kerana lengkung IV selari dengan paksi-I apabila sampel berada dalam keadaan superkonduktor. b (bawah), rintangan pembezaan sebagai fungsi keamatan laser.
Kebergantungan keamatan laser Voc dan Isc pada 80 K ditunjukkan dalam Rajah 2b (atas). Sifat fotovoltaik boleh dibincangkan dalam tiga kawasan keamatan cahaya. Kawasan pertama adalah antara 0 dan Pc, di mana YBCO bersifat superkonduktor, Voc adalah negatif dan berkurangan (nilai mutlak meningkat) dengan keamatan cahaya dan mencapai minimum pada Pc. Kawasan kedua adalah dari Pc ke keamatan kritikal P0 yang lain, di mana Voc meningkat manakala Isc berkurangan dengan peningkatan keamatan cahaya dan kedua-duanya mencapai sifar pada P0. Kawasan ketiga berada di atas P0 sehingga keadaan normal YBCO dicapai. Walaupun kedua-dua Voc dan Isc berbeza-beza dengan keamatan cahaya dengan cara yang sama seperti di kawasan 2, ia mempunyai kekutuban yang bertentangan di atas keamatan kritikal P0. Kepentingan P0 terletak pada tiada kesan fotovoltaik dan mekanisme pemisahan cas berubah secara kualitatif pada titik tertentu ini. Sampel YBCO menjadi bukan superkonduktor dalam julat keamatan cahaya ini tetapi keadaan normal masih belum dicapai.
Jelas sekali, ciri-ciri fotovoltaik sistem ini berkait rapat dengan superkonduktiviti YBCO dan peralihan superkonduktivitinya. Rintangan pembezaan, dV/dI, YBCO ditunjukkan dalam Rajah 2b (bawah) sebagai fungsi keamatan laser. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, potensi elektrik terbina dalam antara muka disebabkan oleh titik resapan pasangan Cooper dari superkonduktor ke logam. Sama seperti yang diperhatikan pada 50 K, kesan fotovoltaik dipertingkatkan dengan peningkatan keamatan laser dari 0 ke Pc. Apabila keamatan laser mencapai nilai sedikit di atas Pc, lengkung IV mula condong dan rintangan sampel mula muncul, tetapi kekutuban potensi antara muka masih belum berubah. Kesan pengujaan optik pada superkonduktiviti telah disiasat di kawasan yang boleh dilihat atau berhampiran IR. Walaupun proses asasnya adalah untuk memecahkan pasangan Cooper dan memusnahkan superkonduktiviti25,26, dalam beberapa kes peralihan superkonduktiviti boleh dipertingkatkan27,28,29, fasa superkonduktiviti baharu juga boleh diinduksi30. Ketiadaan superkonduktiviti pada Pc boleh dikaitkan dengan pemecahan pasangan teraruh foto. Pada titik P0, potensi merentasi antara muka menjadi sifar, menunjukkan ketumpatan cas di kedua-dua belah antara muka mencapai tahap yang sama di bawah keamatan pencahayaan cahaya tertentu ini. Peningkatan selanjutnya dalam keamatan laser mengakibatkan lebih banyak pasangan Cooper dimusnahkan dan YBCO secara beransur-ansur diubah kembali kepada bahan jenis-p. Daripada resapan elektron dan pasangan Cooper, ciri antara muka kini ditentukan oleh resapan elektron dan lubang yang membawa kepada pembalikan kekutuban medan elektrik dalam antara muka dan seterusnya Voc positif (bandingkan Rajah 1d, h). Pada keamatan laser yang sangat tinggi, rintangan pembezaan YBCO menepu kepada nilai yang sepadan dengan keadaan normal dan kedua-dua Voc dan Isc cenderung berubah secara linear dengan keamatan laser (Rajah 2b). Pemerhatian ini mendedahkan bahawa penyinaran laser pada keadaan normal YBCO tidak lagi akan mengubah kerintangannya dan ciri antara muka superkonduktor-logam tetapi hanya meningkatkan kepekatan pasangan elektron-lubang.
Untuk mengkaji kesan suhu terhadap sifat fotovoltaik, sistem superkonduktor logam telah disinari pada katod dengan laser biru dengan keamatan 502 mW/cm2. Lengkung IV yang diperoleh pada suhu terpilih antara 50 dan 300 K diberikan dalam Rajah 3a. Voltan litar terbuka Voc, arus litar pintas Isc dan rintangan pembezaan kemudiannya boleh diperoleh daripada lengkung IV ini dan ditunjukkan dalam Rajah 3b. Tanpa pencahayaan cahaya, semua lengkung IV yang diukur pada suhu yang berbeza melepasi asalan seperti yang dijangkakan (sisipan Rajah 3a). Ciri-ciri IV berubah secara drastik dengan peningkatan suhu apabila sistem diterangi oleh pancaran laser yang agak kuat (502 mW/cm2). Pada suhu rendah, lengkung IV ialah garis lurus selari dengan paksi I dengan nilai negatif Voc. Lengkung ini bergerak ke atas dengan peningkatan suhu dan secara beransur-ansur bertukar menjadi garis dengan cerun bukan sifar pada suhu kritikal Tcp (Rajah 3a (atas)). Nampaknya semua lengkung ciri IV berputar di sekitar titik di kuadran ketiga. Voc meningkat daripada nilai negatif kepada positif manakala Isc menurun daripada nilai positif kepada negatif. Di atas suhu peralihan superkonduktor asal Tc bagi YBCO, lengkung IV berubah agak berbeza dengan suhu (bahagian bawah Rajah 3a). Pertama, pusat putaran lengkung IV bergerak ke kuadran pertama. Kedua, Voc terus berkurangan dan Isc meningkat dengan peningkatan suhu (bahagian atas Rajah 3b). Ketiga, cerun lengkung IV meningkat secara linear dengan suhu yang menghasilkan pekali rintangan suhu positif untuk YBCO (bahagian bawah Rajah 3b).
Kebergantungan suhu ciri fotovoltaik untuk sistem pes YBCO-Ag di bawah pencahayaan laser 502 mW/cm2.
Pusat titik laser diletakkan di sekitar elektrod katod (lihat Rajah 1i). a, lengkung IV yang diperoleh dari 50 hingga 90 K (atas) dan dari 100 hingga 300 K (bawah) dengan kenaikan suhu masing-masing sebanyak 5 K dan 20 K. Sisipan a menunjukkan ciri-ciri IV pada beberapa suhu dalam gelap. Semua lengkung melintasi titik asal. b, voltan litar terbuka Voc dan arus litar pintas Isc (atas) dan rintangan pembezaan, dV/dI, bagi YBCO (bawah) sebagai fungsi suhu. Suhu peralihan superkonduktor rintangan sifar Tcp tidak diberikan kerana ia terlalu dekat dengan Tc0.
Tiga suhu kritikal boleh dikenal pasti daripada Rajah 3b: Tcp, di mana YBCO menjadi bukan superkonduktor apabila di atasnya; Tc0, di mana kedua-dua Voc dan Isc menjadi sifar dan Tc, suhu peralihan superkonduktor permulaan asal YBCO tanpa penyinaran laser. Di bawah Tcp ~ 55 K, YBCO yang disinari laser berada dalam keadaan superkonduktor dengan kepekatan pasangan Cooper yang agak tinggi. Kesan penyinaran laser adalah untuk mengurangkan suhu peralihan superkonduktor rintangan sifar daripada 89 K kepada ~55 K (bahagian bawah Rajah 3b) dengan mengurangkan kepekatan pasangan Cooper selain menghasilkan voltan dan arus fotovoltaik. Peningkatan suhu juga memecahkan pasangan Cooper yang membawa kepada potensi yang lebih rendah dalam antara muka. Akibatnya, nilai mutlak Voc akan menjadi lebih kecil, walaupun keamatan pencahayaan laser yang sama dikenakan. Potensi antara muka akan menjadi lebih kecil dan lebih kecil dengan peningkatan suhu selanjutnya dan mencapai sifar pada Tc0. Tiada kesan fotovoltaik pada titik khas ini kerana tiada medan dalaman untuk memisahkan pasangan elektron-lubang teraruh foto. Pembalikan kekutuban potensi berlaku di atas suhu kritikal ini kerana ketumpatan cas bebas dalam pes Ag adalah lebih besar daripada YBCO yang dipindahkan secara beransur-ansur kembali ke bahan jenis-p. Di sini kami ingin menekankan bahawa pembalikan kekutuban Voc dan Isc berlaku sejurus selepas peralihan superkonduktiviti rintangan sifar, tanpa mengira punca peralihan tersebut. Pemerhatian ini mendedahkan dengan jelas, buat kali pertama, korelasi antara superkonduktiviti dan kesan fotovoltaik yang berkaitan dengan potensi antara muka logam-superkonduktor. Sifat potensi ini merentasi antara muka logam superkonduktor-normal telah menjadi tumpuan penyelidikan selama beberapa dekad yang lalu tetapi terdapat banyak persoalan yang masih menunggu untuk dijawab. Pengukuran kesan fotovoltaik mungkin terbukti sebagai kaedah yang berkesan untuk meneroka butiran (seperti kekuatan dan kekutubannya dll.) potensi penting ini dan dengan itu memberi penerangan tentang kesan jarak superkonduktiviti suhu tinggi.
Peningkatan suhu selanjutnya dari Tc0 ke Tc membawa kepada kepekatan pasangan Cooper yang lebih kecil dan peningkatan dalam potensi antara muka dan seterusnya Voc yang lebih besar. Pada Tc, kepekatan pasangan Cooper menjadi sifar dan potensi terbina dalam pada antara muka mencapai maksimum, menghasilkan Voc maksimum dan Isc minimum. Peningkatan pesat Voc dan Isc (nilai mutlak) dalam julat suhu ini sepadan dengan peralihan superkonduktor yang dilebar dari ΔT ~ 3 K hingga ~ 34 K oleh penyinaran laser dengan keamatan 502 mW/cm2 (Rajah 3b). Dalam keadaan normal di atas Tc, voltan litar terbuka Voc berkurangan dengan suhu (bahagian atas Rajah 3b), serupa dengan tingkah laku linear Voc untuk sel suria biasa berdasarkan simpang pn31,32,33. Walaupun kadar perubahan Voc dengan suhu (−dVoc/dT), yang sangat bergantung pada keamatan laser, jauh lebih kecil daripada sel suria biasa, pekali suhu Voc untuk simpang YBCO-Ag mempunyai magnitud yang sama seperti sel suria. Arus kebocoran simpang pn untuk peranti sel suria biasa meningkat dengan peningkatan suhu, yang membawa kepada penurunan Voc apabila suhu meningkat. Lengkung IV linear yang diperhatikan untuk sistem superkonduktor Ag ini, pertama sekali disebabkan oleh potensi antara muka yang sangat kecil dan kedua sambungan saling bertindih antara dua heterosimpang, menjadikannya sukar untuk menentukan arus kebocoran. Walau bagaimanapun, kemungkinan besar kebergantungan suhu yang sama terhadap arus kebocoran bertanggungjawab terhadap kelakuan Voc yang diperhatikan dalam eksperimen kami. Menurut definisi, Isc ialah arus yang diperlukan untuk menghasilkan voltan negatif bagi mengimbangi Voc supaya jumlah voltan adalah sifar. Apabila suhu meningkat, Voc menjadi lebih kecil supaya kurang arus diperlukan untuk menghasilkan voltan negatif. Tambahan pula, rintangan YBCO meningkat secara linear dengan suhu di atas Tc (bahagian bawah Rajah 3b), yang turut menyumbang kepada nilai mutlak Isc yang lebih kecil pada suhu tinggi.
Perhatikan bahawa keputusan yang diberikan dalam Rajah 2,3 diperoleh melalui penyinaran laser di kawasan sekitar elektrod katod. Pengukuran juga telah diulang dengan titik laser diletakkan di anod dan ciri IV yang serupa serta sifat fotovoltaik telah diperhatikan kecuali kekutuban Voc dan Isc telah diterbalikkan dalam kes ini. Semua data ini membawa kepada mekanisme untuk kesan fotovoltaik, yang berkait rapat dengan antara muka superkonduktor-logam.
Secara ringkasnya, ciri-ciri IV sistem pes YBCO-Ag superkonduktor yang disinari laser telah diukur sebagai fungsi suhu dan keamatan laser. Kesan fotovoltaik yang luar biasa telah diperhatikan dalam julat suhu dari 50 hingga 300 K. Didapati bahawa sifat fotovoltaik berkorelasi kuat dengan superkonduktiviti seramik YBCO. Pembalikan kekutuban Voc dan Isc berlaku sejurus selepas peralihan superkonduktor teraruh foto kepada bukan superkonduktor. Kebergantungan suhu Voc dan Isc yang diukur pada keamatan laser tetap juga menunjukkan pembalikan kekutuban yang berbeza pada suhu kritikal di mana sampel menjadi resistif. Dengan meletakkan titik laser pada bahagian sampel yang berbeza, kami menunjukkan bahawa terdapat potensi elektrik merentasi antara muka, yang memberikan daya pemisahan untuk pasangan elektron-lubang teraruh foto. Potensi antara muka ini menghala dari YBCO ke elektrod logam apabila YBCO menjadi superkonduktor dan bertukar ke arah yang bertentangan apabila sampel menjadi bukan superkonduktor. Asal-usul potensi mungkin secara semula jadi dikaitkan dengan kesan jarak dekat pada antara muka logam-superkonduktor apabila YBCO bersifat superkonduktor dan dianggarkan ~10−8 mV pada 50 K dengan keamatan laser 502 mW/cm2. Sentuhan bahan jenis-p YBCO pada keadaan normal dengan bahan jenis-n Ag-paste membentuk simpang kuasi-pn yang bertanggungjawab untuk kelakuan fotovoltaik seramik YBCO pada suhu tinggi. Pemerhatian di atas menjelaskan kesan PV dalam seramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan kepada aplikasi baharu dalam peranti optoelektronik seperti pengesan cahaya pasif pantas dan pengesan foton tunggal.
Eksperimen kesan fotovoltaik telah dijalankan pada sampel seramik YBCO dengan ketebalan 0.52 mm dan bentuk segi empat tepat 8.64 × 2.26 mm2 dan diterangi oleh laser biru gelombang berterusan (λ = 450 nm) dengan saiz tompok laser berjejari 1.25 mm. Menggunakan sampel pukal dan bukannya filem nipis membolehkan kita mengkaji sifat fotovoltaik superkonduktor tanpa perlu berurusan dengan pengaruh kompleks substrat6,7. Selain itu, bahan pukal boleh menjadi kondusif untuk prosedur penyediaannya yang mudah dan kos yang agak rendah. Wayar plumbum kuprum disatukan pada sampel YBCO dengan pes perak membentuk empat elektrod bulat berdiameter kira-kira 1 mm. Jarak antara dua elektrod voltan adalah kira-kira 5 mm. Ciri-ciri IV sampel diukur menggunakan magnetometer sampel getaran (VersaLab, Quantum Design) dengan tingkap kristal kuarza. Kaedah empat dawai standard telah digunakan untuk mendapatkan lengkung IV. Kedudukan relatif elektrod dan tompok laser ditunjukkan dalam Rajah 1i.
Cara memetik artikel ini: Yang, F. et al. Asal usul kesan fotovoltaik dalam seramik YBa2Cu3O6.96 yang superkonduktor. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Voltan teraruh laser yang dilarang simetri dalam YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asal usul isyarat fotovoltaik anomali dalam Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pengukuran voltan teraruh laser bagi superkonduktor Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, dkk. Voltan teraruh laser sementara dalam filem suhu bilik YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Tindak balas fotovoltaik anomali dalam YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Suntikan pembawa lubang fotojana kepada YBa2Cu3O7−x dalam heterostruktur oksida. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Kajian fotoemisi filem nipis YBa2Cu3Oy di bawah pencahayaan cahaya. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Kesan fotovoltaik heterojunksi YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb yang disepuhlindapkan dalam tekanan separa oksigen yang berbeza. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA dkk. Struktur Dua-Jurang dalam hablur tunggal Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamik pengenduran kuasipartikel dalam superkonduktor dengan struktur jurang yang berbeza: Teori dan eksperimen pada YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Sifat-sifat pembetulan heterojunction YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Penyerapan eksitonik dan superkonduktiviti dalam YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Kekonduksian fotoaruh sementara dalam hablur tunggal semikonduktor YBa2Cu3O6.3: cari keadaan logam fotoaruh dan superkonduktiviti fotoaruh. Komuniti Keadaan Pepejal. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Model terowong bagi kesan jarak superkonduktor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Kesan jarak dekat superkonduktor yang dikaji pada skala panjang mesoskopik. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Kesan jarak dekat dengan superkonduktor tak sentrosimetri. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM dkk. Kesan jarak dekat superkonduktor yang kuat dalam struktur hibrid Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fotosel simpang pn silikon baharu untuk menukar sinaran suria kepada kuasa elektrik. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Kesan bendasing terhadap panjang koheren superkonduktor dalam hablur tunggal YBa2Cu3O6.9 yang didop Zn- atau Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Kemagnetan bagi hablur tunggal YBa2Cu3Oy yang tidak berkembar dalam pelbagai jenis doping: kebergantungan doping lubang anomali terhadap panjang koheren. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematik dalam kuasa termoelektrik oksida T-tinggi. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Anjakan momentum puncak koheren yang bergantung kepada ketumpatan pembawa dan mod fonon LO dalam superkonduktor Tc tinggi jenis-p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Pengurangan lubang dan pengumpulan elektron dalam filem nipis YBa2Cu3Oy menggunakan teknik elektrokimia: Bukti untuk keadaan logam jenis-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizik dan kimia ketinggian penghalang Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Kesan Pemecahan Pasangan Luaran Dinamik dalam Filem Superkonduktor. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. dkk. Peningkatan superkonduktiviti teraruh foto. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI dkk. Fotokonduktiviti berterusan dalam filem YBa2Cu3O6+x sebagai kaedah fotodoping terhadap fasa logam dan superkonduktor. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dinamik kekisi tak linear sebagai asas untuk superkonduktiviti yang dipertingkatkan dalam YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Superkonduktiviti teraruh cahaya dalam kuprat tertib jalur. Sains 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Kebergantungan fungsi suhu VOC untuk sel suria berhubung dengan kecekapannya pendekatan baharu. Penyahgaraman 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Kesan suhu dalam sel suria silikon penghalang Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Kebergantungan suhu untuk parameter peranti fotovoltaik sel suria polimer-fullerena di bawah keadaan operasi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Kerja ini telah disokong oleh Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China (Geran No. 60571063), Projek Penyelidikan Asas Wilayah Henan, China (Geran No. 122300410231).
FY menulis teks kertas kerja dan MYH menyediakan sampel seramik YBCO. FY dan MYH menjalankan eksperimen dan menganalisis hasilnya. FGC mengetuai projek dan tafsiran saintifik data. Semua penulis menyemak manuskrip.
Karya ini dilesenkan di bawah Lesen Antarabangsa Creative Commons Attribution 4.0. Imej atau bahan pihak ketiga lain dalam artikel ini disertakan dalam lesen Creative Commons artikel, melainkan dinyatakan sebaliknya dalam baris kredit; jika bahan tersebut tidak disertakan di bawah lesen Creative Commons, pengguna perlu mendapatkan kebenaran daripada pemegang lesen untuk menghasilkan semula bahan tersebut. Untuk melihat salinan lesen ini, lawati http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asal usul kesan fotovoltaik dalam seramik YBa2Cu3O6.96 yang superkonduktor. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Dengan menghantar komen, anda bersetuju untuk mematuhi Terma dan Garis Panduan Komuniti kami. Jika anda mendapati sesuatu yang kesat atau tidak mematuhi terma atau garis panduan kami, sila tandakannya sebagai tidak sesuai.
Masa siaran: 22-Apr-2020