L-oriġini tal-effett fotovoltajku fiċ-ċeramika superkonduttiva YBa2Cu3O6.96

Grazzi talli żort nature.com. Qed tuża verżjoni tal-browser b'appoġġ limitat għas-CSS. Biex tikseb l-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aktar aġġornat (jew titfi l-modalità ta' kompatibilità fl-Internet Explorer). Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, qed nuru s-sit mingħajr stili u JavaScript.

Aħna nirrappurtaw effett fotovoltajku notevoli fiċ-ċeramika YBa2Cu3O6.96 (YBCO) bejn 50 u 300 K ikkawżat minn illuminazzjoni bil-lejżer blu, li huwa direttament relatat mas-superkonduttività tal-YBCO u l-interfaċċja tal-elettrodu metalliku YBCO. Hemm treġġigħ lura tal-polarità għall-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ Voc u l-kurrent taċ-ċirkwit qasir Isc meta l-YBCO jgħaddi minn tranżizzjoni minn stat superkonduttiv għal stat reżistiv. Aħna nuru li jeżisti potenzjal elettriku tul l-interfaċċja tal-metall normali superkonduttur, li jipprovdi l-forza ta' separazzjoni għall-pari ta' elettron-toqba indotti mill-foto. Dan il-potenzjal tal-interfaċċja jidderieġi mill-YBCO għall-elettrodu tal-metall meta l-YBCO jkun superkonduttiv u jaqleb fid-direzzjoni opposta meta l-YBCO ma jibqax superkonduttiv. L-oriġini tal-potenzjal tista' tkun faċilment assoċjata mal-effett ta' prossimità fl-interfaċċja tal-metall-superkonduttur meta l-YBCO jkun superkonduttiv u l-valur tiegħu huwa stmat li huwa ~10–8 mV f'50 K b'intensità tal-lejżer ta' 502 mW/cm2. Il-kombinazzjoni ta' materjal tat-tip p YBCO fi stat normali ma' materjal tat-tip n Ag-paste tifforma junction kważi-pn li hija responsabbli għall-imġiba fotovoltajka taċ-ċeramika YBCO f'temperaturi għoljin. Is-sejbiet tagħna jistgħu jwittu t-triq għal applikazzjonijiet ġodda ta' apparati fotoniċi-elettroniċi u jitfgħu aktar dawl fuq l-effett ta' prossimità fl-interfaċċja superkonduttur-metall.

Il-vultaġġ fotoindutt f'superkondutturi ta' temperatura għolja ġie rrappurtat fil-bidu tas-snin disgħin u ġie investigat b'mod estensiv minn dakinhar 'l hawn, iżda n-natura u l-mekkaniżmu tiegħu għadhom mhux stabbiliti1,2,3,4,5. Il-films irqaq YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, b'mod partikolari, huma studjati b'mod intensiv fil-forma ta' ċellula fotovoltajka (PV) minħabba d-distakk tal-enerġija aġġustabbli tagħhom9,10,11,12,13. Madankollu, ir-reżistenza għolja tas-sottostrat dejjem twassal għal effiċjenza baxxa ta' konverżjoni tal-apparat u taħbi l-proprjetajiet PV primarji ta' YBCO8. Hawnhekk nirrappurtaw effett fotovoltajku notevoli indott minn illuminazzjoni bil-lejżer blu (λ = 450 nm) fiċ-ċeramika YBa2Cu3O6.96 (YBCO) bejn 50 u 300 K (Tc ~ 90 K). Nuru li l-effett PV huwa direttament relatat mas-superkonduttività ta' YBCO u n-natura tal-interfaċċja tal-elettrodu metalliku YBCO. Hemm treġġigħ lura tal-polarità għall-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ Voc u l-kurrent taċ-ċirkwit qasir Isc meta YBCO jgħaddi minn tranżizzjoni minn fażi superkonduttiva għal stat reżistiv. Huwa propost li jeżisti potenzjal elettriku tul l-interfaċċja superkonduttur-metall normali, li jipprovdi l-forza ta' separazzjoni għall-pari elettron-toqba indotti mill-foto. Dan il-potenzjal tal-interfaċċja jidderieġi minn YBCO għall-elettrodu tal-metall meta YBCO jkun superkonduttiv u jaqleb fid-direzzjoni opposta meta l-kampjun isir mhux superkonduttiv. L-oriġini tal-potenzjal tista' tkun assoċjata b'mod naturali mal-effett ta' prossimità14,15,16,17 fl-interfaċċja metall-superkonduttur meta YBCO jkun superkonduttiv u l-valur tiegħu huwa stmat li huwa ~10−8 mV f'50 K b'intensità tal-lejżer ta' 502 mW/cm2. Il-kombinazzjoni ta' materjal tat-tip p YBCO fi stat normali ma' materjal tat-tip n Ag-paste tifforma, x'aktarx, junction kważi-pn li hija responsabbli għall-imġiba PV taċ-ċeramika YBCO f'temperaturi għoljin. L-osservazzjonijiet tagħna tefgħu aktar dawl fuq l-oriġini tal-effett PV fiċ-ċeramika YBCO superkonduttiva f'temperatura għolja u twitti t-triq għall-applikazzjoni tagħha f'apparati optoelettroniċi bħal ditekter passiv tad-dawl veloċi eċċ.

Il-Figura 1a–c turi l-karatteristiċi IV tal-kampjun taċ-ċeramika YBCO f'50 K. Mingħajr illuminazzjoni bid-dawl, il-vultaġġ fil-kampjun jibqa' żero bil-kurrent jinbidel, kif jista' jkun mistenni minn materjal superkonduttiv. Effett fotovoltajku ovvju jidher meta r-raġġ tal-lejżer jiġi dirett lejn il-katodu (Fig. 1a): il-kurvi IV paralleli mal-assi I jiċċaqalqu 'l isfel biż-żieda tal-intensità tal-lejżer. Huwa evidenti li hemm vultaġġ foto-indutt negattiv anke mingħajr ebda kurrent (spiss imsejjaħ vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ Voc). L-inklinazzjoni żero tal-kurva IV tindika li l-kampjun għadu superkonduttiv taħt illuminazzjoni bil-lejżer.

(a–c) u 300 K (e–g). Il-valuri ta' V(I) inkisbu billi l-kurrent ġie kkanċellat minn −10 mA għal +10 mA fil-vakwu. Parti biss mid-dejta sperimentali hija ppreżentata għal raġunijiet ta' ċarezza. a, Karatteristiċi tal-kurrent-vultaġġ ta' YBCO mkejla b'post tal-lejżer pożizzjonat fil-katodu (i). Il-kurvi IV kollha huma linji dritti orizzontali li jindikaw li l-kampjun għadu superkonduttiv b'irradjazzjoni bil-lejżer. Il-kurva timxi 'l isfel biż-żieda tal-intensità tal-lejżer, li tindika li jeżisti potenzjal negattiv (Voc) bejn iż-żewġ wajers tal-vultaġġ anke b'kurrent żero. Il-kurvi IV jibqgħu l-istess meta l-lejżer ikun dirett lejn iċ-ċentru tal-kampjun f'50 K (b) jew 300 K (f). Il-linja orizzontali timxi 'l fuq hekk kif l-anodu jkun imdawwal (c). Mudell skematiku ta' ġunta metall-superkonduttur f'50 K huwa muri f'd. Il-karatteristiċi tal-kurrent-vultaġġ ta' YBCO fi stat normali f'300 K imkejla b'raġġ tal-lejżer ippuntat lejn il-katodu u l-anodu huma mogħtija f'e u g rispettivament. B'kuntrast mar-riżultati f'50 K, l-inklinazzjoni mhux żero tal-linji dritti tindika li l-YBCO jinsab fi stat normali; il-valuri tal-Voc ivarjaw bl-intensità tad-dawl f'direzzjoni opposta, u dan jindika mekkaniżmu differenti ta' separazzjoni tal-ċarġ. Struttura ta' interfaċċja possibbli f'300 K hija murija f'hj. L-istampa reali tal-kampjun bil-wajers.

YBCO rikk fl-ossiġnu fi stat superkonduttiv jista' jassorbi kważi l-ispettru sħiħ tad-dawl tax-xemx minħabba d-distakk żgħir ħafna fl-enerġija tiegħu (Eg)9,10, u b'hekk joħloq pari ta' elettroni-toqob (e–h). Biex tipproduċi vultaġġ ta' ċirkwit miftuħ Voc permezz tal-assorbiment tal-fotoni, huwa meħtieġ li l-pari eh iġġenerati mill-foto jiġu separati spazjalment qabel ma sseħħ ir-rikombinazzjoni18. Il-Voc negattiv, relattiv għall-katodu u l-anodu kif indikat fil-Fig. 1i, jissuġġerixxi li teżisti potenzjal elettriku tul l-interfaċċja metall-superkonduttur, li jiknes l-elettroni lejn l-anodu u t-toqob lejn il-katodu. Jekk dan huwa l-każ, għandu jkun hemm ukoll potenzjal li jipponta mis-superkonduttur lejn l-elettrodu tal-metall fl-anodu. Konsegwentement, Voc pożittiv jinkiseb jekk iż-żona tal-kampjun ħdejn l-anodu tkun illuminata. Barra minn hekk, m'għandu jkun hemm l-ebda vultaġġi foto-indotti meta l-post tal-lejżer ikun ippuntat lejn żoni 'l bogħod mill-elettrodi. Dan huwa ċertament il-każ kif jidher mill-Fig. 1b,c!.

Meta l-punt tad-dawl jiċċaqlaq mill-elettrodu tal-katodu għaċ-ċentru tal-kampjun (madwar 1.25 mm 'il bogħod mill-interfaċċji), l-ebda varjazzjoni tal-kurvi IV u l-ebda Voc ma jistgħu jiġu osservati biż-żieda tal-intensità tal-lejżer sal-valur massimu disponibbli (Fig. 1b). Naturalment, dan ir-riżultat jista' jiġi attribwit għall-ħajja limitata tat-trasportaturi foto-indotti u n-nuqqas ta' forza ta' separazzjoni fil-kampjun. Pari ta' elettroni-toqob jistgħu jinħolqu kull meta l-kampjun ikun illuminat, iżda l-biċċa l-kbira tal-pari e-h se jiġu annientati u l-ebda effett fotovoltajku ma jiġi osservat jekk il-punt tal-lejżer jaqa' fuq żoni 'l bogħod minn kwalunkwe wieħed mill-elettrodi. Meta l-punt tal-lejżer jiċċaqlaq lejn l-elettrodi tal-anodu, il-kurvi IV paralleli mal-assi I jiċċaqalqu 'l fuq biż-żieda tal-intensità tal-lejżer (Fig. 1c). Kamp elettriku integrat simili jeżisti fil-junction tal-metall-superkonduttur fl-anodu. Madankollu, l-elettrodu metalliku jikkonnettja mal-wajer pożittiv tas-sistema tat-test din id-darba. It-toqob prodotti mil-lejżer jiġu mbuttati lejn il-wajer tal-anodu u b'hekk jiġi osservat Voc pożittiv. Ir-riżultati ppreżentati hawn jipprovdu evidenza qawwija li tabilħaqq teżisti potenzjal ta' interfaċċja li jipponta mis-superkonduttur għall-elettrodu tal-metall.

L-effett fotovoltajku fiċ-ċeramika YBa2Cu3O6.96 fi 300 K huwa muri fil-Fig. 1e–g. Mingħajr illuminazzjoni bid-dawl, il-kurva IV tal-kampjun hija linja dritta li taqsam l-oriġini. Din il-linja dritta timxi 'l fuq parallela ma' dik oriġinali b'intensità tal-lejżer dejjem tiżdied li tirradja fil-wajers tal-katodu (Fig. 1e). Hemm żewġ każijiet limitanti ta' interess għal apparat fotovoltajku. Il-kundizzjoni ta' short-circuit isseħħ meta V = 0. Il-kurrent f'dan il-każ jissejjaħ il-kurrent ta' short-circuit (Isc). It-tieni każ limitanti huwa l-kundizzjoni ta' open-circuit (Voc) li sseħħ meta R→∞ jew il-kurrent ikun żero. Il-Figura 1e turi b'mod ċar li Voc huwa pożittiv u jiżdied biż-żieda fl-intensità tad-dawl, b'kuntrast mar-riżultat miksub f'50 K; filwaqt li Isc negattiv huwa osservat li jiżdied fil-kobor bid-dawl, imġiba tipika taċ-ċelloli solari normali.

Bl-istess mod, meta r-raġġ tal-lejżer ikun ippuntat lejn żoni 'l bogħod mill-elettrodi, il-kurva V(I) hija indipendenti mill-intensità tal-lejżer u ma jidher l-ebda effett fotovoltajku (Fig. 1f). Simili għall-kejl f'50 K, il-kurvi IV jiċċaqalqu fid-direzzjoni opposta hekk kif l-elettrodu tal-anodu jiġi irradjat (Fig. 1g). Dawn ir-riżultati kollha miksuba għal din is-sistema ta' pejst YBCO-Ag f'300 K bil-lejżer irradjat f'pożizzjonijiet differenti tal-kampjun huma konsistenti ma' potenzjal ta' interfaċċja oppost għal dak osservat f'50 K.

Il-biċċa l-kbira tal-elettroni jikkondensaw f'pari Cooper f'YBCO superkonduttiv taħt it-temperatura ta' transizzjoni tiegħu Tc. Waqt li jkunu fl-elettrodu tal-metall, l-elettroni kollha jibqgħu f'forma singulari. Hemm gradjent ta' densità kbir kemm għall-elettroni singulari kif ukoll għall-pari Cooper fil-viċinanza tal-interfaċċja metall-superkonduttur. L-elettroni singulari li jġorru l-maġġoranza fil-materjal metalliku se jinfirxu fir-reġjun tas-superkonduttur, filwaqt li l-pari Cooper li jġorru l-maġġoranza fir-reġjun tal-YBCO se jinfirxu fir-reġjun tal-metall. Hekk kif il-pari Cooper li jġorru aktar karigi u li għandhom mobilità akbar mill-elettroni singulari jinfirxu mill-YBCO għar-reġjun metalliku, l-atomi ċċarġjati b'mod pożittiv jibqgħu warajhom, li jirriżulta f'kamp elettriku fir-reġjun tal-iċċarġjar tal-ispazju. Id-direzzjoni ta' dan il-kamp elettriku hija murija fid-dijagramma skematika Fig. 1d. L-illuminazzjoni tal-fotoni inċidentali ħdejn ir-reġjun tal-iċċarġjar tal-ispazju tista' toħloq pari eh li se jiġu separati u mċanfra 'l barra u jipproduċu fotokurrent fid-direzzjoni tal-polarizzazzjoni inversa. Hekk kif l-elettroni joħorġu mill-kamp elettriku inkorporat, huma kkondensati f'pari u jiċċirkolaw lejn l-elettrodu l-ieħor mingħajr reżistenza. F'dan il-każ, il-Voc huwa oppost għall-polarità stabbilita minn qabel u juri valur negattiv meta r-raġġ tal-lejżer jipponta lejn iż-żona madwar l-elettrodu negattiv. Mill-valur tal-Voc, il-potenzjal tul l-interfaċċja jista' jiġi stmat: id-distanza bejn iż-żewġ wajers tal-vultaġġ d hija ~5 × 10−3 m, il-ħxuna tal-interfaċċja metall-superkonduttur, di, għandha tkun l-istess ordni ta' kobor bħat-tul tal-koerenza tas-superkonduttur YBCO (~1 nm)19,20, ħu l-valur tal-Voc = 0.03 mV, il-potenzjal Vms fl-interfaċċja metall-superkonduttur huwa evalwat li huwa ~10−11 V f'50 K b'intensità tal-lejżer ta' 502 mW/cm2, bl-użu tal-ekwazzjoni,

Irridu nenfasizzaw hawnhekk li l-vultaġġ fotoindutt ma jistax jiġi spjegat bl-effett fototermali. Ġie stabbilit sperimentalment li l-koeffiċjent Seebeck tas-superkonduttur YBCO huwa Ss = 021. Il-koeffiċjent Seebeck għall-wajers tar-ram huwa fil-medda ta' SCu = 0.34–1.15 μV/K3. It-temperatura tal-wajer tar-ram fil-post tal-lejżer tista' tittella' b'ammont żgħir ta' 0.06 K bl-intensità massima tal-lejżer disponibbli ta' 50 K. Dan jista' jipproduċi potenzjal termoelettriku ta' 6.9 × 10−8 V li huwa tliet ordnijiet ta' kobor iżgħar mill-Voc miksub fil-Fig 1 (a). Huwa evidenti li l-effett termoelettriku huwa żgħir wisq biex jispjega r-riżultati sperimentali. Fil-fatt, il-varjazzjoni fit-temperatura minħabba l-irradjazzjoni tal-lejżer tisparixxi f'inqas minn minuta sabiex il-kontribuzzjoni mill-effett termali tkun tista' tiġi injorata b'mod sikur.

Dan l-effett fotovoltajku tal-YBCO f'temperatura tal-kamra juri li mekkaniżmu differenti ta' separazzjoni tal-ċarġ huwa involut hawnhekk. YBCO superkonduttiv fi stat normali huwa materjal tat-tip p b'toqob bħala trasportaturi tal-ċarġ22,23, filwaqt li l-pejst metalliku Ag għandu karatteristiċi ta' materjal tat-tip n. Simili għall-ġunzjonijiet pn, id-diffużjoni tal-elettroni fil-pejst tal-fidda u t-toqob fiċ-ċeramika YBCO se jiffurmaw kamp elettriku intern li jipponta lejn iċ-ċeramika YBCO fl-interfaċċja (Fig. 1h). Huwa dan il-kamp intern li jipprovdi l-forza ta' separazzjoni u jwassal għal Voc pożittiv u Isc negattiv għas-sistema tal-pejst YBCO-Ag f'temperatura tal-kamra, kif muri fil-Fig. 1e. Alternattivament, Ag-YBCO jista' jifforma ġunzjoni Schottky tat-tip p li twassal ukoll għal potenzjal ta' interfaċċja bl-istess polarità bħal fil-mudell ippreżentat hawn fuq24.

Biex jiġi investigat il-proċess dettaljat tal-evoluzzjoni tal-proprjetajiet fotovoltajċi matul it-tranżizzjoni superkonduttiva tal-YBCO, il-kurvi IV tal-kampjun f'80 K ġew imkejla b'intensitajiet magħżula tal-lejżer li jdawlu fuq l-elettrodu tal-katodu (Fig. 2). Mingħajr irradjazzjoni bil-lejżer, il-vultaġġ tul il-kampjun jibqa' żero irrispettivament mill-kurrent, li jindika l-istat superkonduttiv tal-kampjun f'80 K (Fig. 2a). Simili għad-dejta miksuba f'50 K, il-kurvi IV paralleli mal-assi I jiċċaqalqu 'l isfel biż-żieda tal-intensità tal-lejżer sakemm jintlaħaq valur kritiku Pc. 'Il fuq minn din l-intensità kritika tal-lejżer (Pc), is-superkonduttur jgħaddi minn tranżizzjoni minn fażi superkonduttiva għal fażi reżistiva; il-vultaġġ jibda jiżdied bil-kurrent minħabba d-dehra ta' reżistenza fis-superkonduttur. Bħala riżultat, il-kurva IV tibda tinterseka mal-assi I u l-assi V li twassal għal Voc negattiv u Isc pożittiv għall-ewwel. Issa l-kampjun jidher li jinsab fi stat speċjali fejn il-polarità ta' Voc u Isc hija estremament sensittiva għall-intensità tad-dawl; B'żieda żgħira ħafna fl-intensità tad-dawl, Isc jiġi kkonvertit minn valur pożittiv għal negattiv u Voc minn valur negattiv għal pożittiv, u jgħaddi mill-oriġini (is-sensittività għolja tal-proprjetajiet fotovoltajċi, partikolarment il-valur ta' Isc, għad-dawl tista' tidher b'mod aktar ċar fil-Fig. 2b). Fl-ogħla intensità tal-lejżer disponibbli, il-kurvi IV għandhom l-intenzjoni li jkunu paralleli ma' xulxin, u dan jindika l-istat normali tal-kampjun YBCO.

Iċ-ċentru tal-punt tal-lejżer huwa pożizzjonat madwar l-elettrodi tal-katodu (ara l-Fig. 1i). a, Kurvi IV ta' YBCO irradjat b'intensitajiet differenti tal-lejżer. b (fuq), Dipendenza tal-intensità tal-lejżer fuq il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ Voc u l-kurrent ta' ċirkwit qasir Isc. Il-valuri Isc ma jistgħux jinkisbu f'intensità tad-dawl baxxa (< 110 mW/cm2) għaliex il-kurvi IV huma paralleli mal-assi I meta l-kampjun ikun fi stat superkonduttiv. b (isfel), reżistenza differenzjali bħala funzjoni tal-intensità tal-lejżer.

Id-dipendenza tal-intensità tal-lejżer ta' Voc u Isc f'80 K hija murija fil-Fig. 2b (fuq). Il-proprjetajiet fotovoltajċi jistgħu jiġu diskussi fi tliet reġjuni ta' intensità tad-dawl. L-ewwel reġjun huwa bejn 0 u Pc, fejn YBCO huwa superkonduttiv, Voc huwa negattiv u jonqos (il-valur assolut jiżdied) bl-intensità tad-dawl u jilħaq minimu f'Pc. It-tieni reġjun huwa minn Pc għal intensità kritika oħra P0, fejn Voc jiżdied filwaqt li Isc jonqos biż-żieda tal-intensità tad-dawl u t-tnejn jilħqu żero f'P0. It-tielet reġjun huwa 'l fuq minn P0 sakemm jintlaħaq l-istat normali ta' YBCO. Għalkemm kemm Voc kif ukoll Isc ivarjaw bl-intensità tad-dawl bl-istess mod bħal fir-reġjun 2, għandhom polarità opposta 'l fuq mill-intensità kritika P0. Is-sinifikat ta' P0 jinsab fis-sens li m'hemm l-ebda effett fotovoltajku u l-mekkaniżmu ta' separazzjoni taċ-ċarġ jinbidel kwalitattivament f'dan il-punt partikolari. Il-kampjun YBCO jsir mhux superkonduttiv f'din il-medda ta' intensità tad-dawl iżda l-istat normali għad irid jintlaħaq.

Jidher ċar li l-karatteristiċi fotovoltajċi tas-sistema huma relatati mill-qrib mas-superkonduttività tal-YBCO u t-tranżizzjoni superkonduttiva tiegħu. Ir-reżistenza differenzjali, dV/dI, tal-YBCO hija murija fil-Fig. 2b (isfel) bħala funzjoni tal-intensità tal-lejżer. Kif imsemmi qabel, il-potenzjal elettriku akkumulat fl-interfaċċja minħabba l-punti ta' diffużjoni tal-pari Cooper mis-superkonduttur għall-metall. Simili għal dak osservat f'50 K, l-effett fotovoltajku jissaħħaħ biż-żieda tal-intensità tal-lejżer minn 0 sa Pc. Meta l-intensità tal-lejżer tilħaq valur ftit ogħla minn Pc, il-kurva IV tibda tinklina u r-reżistenza tal-kampjun tibda tidher, iżda l-polarità tal-potenzjal tal-interfaċċja għadha ma nbidlitx. L-effett tal-eċitazzjoni ottika fuq is-superkonduttività ġie investigat fir-reġjun viżibbli jew qrib l-IR. Filwaqt li l-proċess bażiku huwa li jinkisru l-pari Cooper u tinqered is-superkonduttività25,26, f'xi każijiet it-tranżizzjoni tas-superkonduttività tista' tissaħħaħ27,28,29, u jistgħu saħansitra jiġu indotti fażijiet ġodda ta' superkonduttività30. L-assenza ta' superkonduttività f'Pc tista' tiġi attribwita għall-ksur tal-pari indott mill-foto. Fil-punt P0, il-potenzjal tul l-interfaċċja jsir żero, li jindika li d-densità taċ-ċarġ fiż-żewġ naħat tal-interfaċċja tilħaq l-istess livell taħt din l-intensità partikolari tad-dawl. Żieda ulterjuri fl-intensità tal-lejżer tirriżulta f'aktar pari Cooper li jinqerdu u l-YBCO jiġi trasformat gradwalment lura għal materjal tat-tip p. Minflok id-diffużjoni tal-elettroni u l-pari Cooper, il-karatteristika tal-interfaċċja issa hija determinata mid-diffużjoni tal-elettroni u t-toqob li twassal għal treġġigħ lura tal-polarità tal-kamp elettriku fl-interfaċċja u konsegwentement Voc pożittiv (qabbel il-Fig.1d,h). F'intensità għolja ħafna tal-lejżer, ir-reżistenza differenzjali tal-YBCO tissatura għal valur li jikkorrispondi għall-istat normali u kemm Voc kif ukoll Isc għandhom it-tendenza li jvarjaw linearment mal-intensità tal-lejżer (Fig. 2b). Din l-osservazzjoni tiżvela li l-irradjazzjoni tal-lejżer fuq l-istat normali tal-YBCO mhux se tibqa' tbiddel ir-reżistività tagħha u l-karatteristika tal-interfaċċja superkonduttur-metall iżda żżid biss il-konċentrazzjoni tal-pari elettron-toqba.

Biex jiġi investigat l-effett tat-temperatura fuq il-proprjetajiet fotovoltajċi, is-sistema metall-superkonduttur ġiet irradjata fil-katodu b'lejżer blu b'intensità ta' 502 mW/cm2. Il-kurvi IV miksuba f'temperaturi magħżula bejn 50 u 300 K huma mogħtija fil-Fig. 3a. Il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ Voc, il-kurrent taċ-ċirkwit qasir Isc u r-reżistenza differenzjali jistgħu mbagħad jinkisbu minn dawn il-kurvi IV u huma murija fil-Fig. 3b. Mingħajr illuminazzjoni bid-dawl, il-kurvi IV kollha mkejla f'temperaturi differenti jgħaddu mill-oriġini kif mistenni (inserzjoni tal-Fig. 3a). Il-karatteristiċi IV jinbidlu drastikament biż-żieda fit-temperatura meta s-sistema tkun illuminata b'raġġ tal-lejżer relattivament qawwi (502 mW/cm2). F'temperaturi baxxi l-kurvi IV huma linji dritti paralleli mal-assi I b'valuri negattivi ta' Voc. Din il-kurva timxi 'l fuq biż-żieda fit-temperatura u gradwalment tinbidel f'linja b'inklinazzjoni mhux żero f'temperatura kritika Tcp (Fig. 3a (fuq)). Jidher li l-kurvi karatteristiċi IV kollha jduru madwar punt fit-tielet kwadrant. Il-Voc jiżdied minn valur negattiv għal wieħed pożittiv filwaqt li l-Isc jonqos minn valur pożittiv għal valur negattiv. 'Il fuq mit-temperatura ta' tranżizzjoni superkonduttiva oriġinali Tc tal-YBCO, il-kurva IV tinbidel b'mod pjuttost differenti mat-temperatura (qiegħ tal-Fig. 3a). L-ewwelnett, iċ-ċentru tar-rotazzjoni tal-kurvi IV jiċċaqlaq lejn l-ewwel kwadrant. It-tieni nett, il-Voc jibqa' jonqos u l-Isc jiżdied maż-żieda fit-temperatura (parti ta' fuq tal-Fig. 3b). It-tielet nett, l-inklinazzjoni tal-kurvi IV tiżdied linearment mat-temperatura li tirriżulta f'koeffiċjent tat-temperatura pożittiv tar-reżistenza għall-YBCO (qiegħ tal-Fig. 3b).

Dipendenza mit-temperatura tal-karatteristiċi fotovoltajċi għas-sistema ta' pejst YBCO-Ag taħt illuminazzjoni bil-lejżer ta' 502 mW/cm2.

Iċ-ċentru tal-punt tal-lejżer huwa pożizzjonat madwar l-elettrodi tal-katodu (ara l-Fig. 1i). a, kurvi IV miksuba minn 50 sa 90 K (fuq) u minn 100 sa 300 K (isfel) b'inkrement fit-temperatura ta' 5 K u 20 K, rispettivament. L-inserzjoni a turi l-karatteristiċi IV f'diversi temperaturi fid-dlam. Il-kurvi kollha jaqsmu l-punt tal-oriġini. b, vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ Voc u kurrent ta' ċirkwit qasir Isc (fuq) u r-reżistenza differenzjali, dV/dI, ta' YBCO (isfel) bħala funzjoni tat-temperatura. It-temperatura ta' tranżizzjoni superkonduttiva ta' reżistenza żero Tcp mhix mogħtija għax hija qrib wisq ta' Tc0.

Tliet temperaturi kritiċi jistgħu jiġu rikonoxxuti mill-Fig. 3b: Tcp, li 'l fuq minnha l-YBCO ma jibqax superkonduttiv; Tc0, li fiha kemm Voc kif ukoll Isc isiru żero u Tc, it-temperatura ta' tranżizzjoni superkonduttiva tal-bidu oriġinali tal-YBCO mingħajr irradjazzjoni bil-lejżer. Taħt Tcp ~ 55 K, l-YBCO irradjat bil-lejżer jinsab fi stat superkonduttiv b'konċentrazzjoni relattivament għolja ta' pari Cooper. L-effett tal-irradjazzjoni bil-lejżer huwa li jnaqqas it-temperatura ta' tranżizzjoni superkonduttiva ta' reżistenza żero minn 89 K għal ~55 K (qiegħ tal-Fig. 3b) billi jnaqqas il-konċentrazzjoni tal-pari Cooper minbarra li jipproduċi vultaġġ u kurrent fotovoltajċi. Iż-żieda fit-temperatura tkisser ukoll il-pari Cooper li jwassal għal potenzjal aktar baxx fl-interfaċċja. Konsegwentement, il-valur assolut ta' Voc se jsir iżgħar, għalkemm tiġi applikata l-istess intensità ta' illuminazzjoni bil-lejżer. Il-potenzjal tal-interfaċċja se jsir iżgħar u iżgħar b'żieda ulterjuri fit-temperatura u jilħaq żero f'Tc0. M'hemm l-ebda effett fotovoltajku f'dan il-punt speċjali għaliex m'hemm l-ebda kamp intern biex jissepara l-pari elettron-toqba indotti mill-foto. Treġġigħ lura tal-polarità tal-potenzjal iseħħ 'il fuq minn din it-temperatura kritika peress li d-densità tal-ċarġ ħieles fil-pejst tal-Ag hija akbar minn dik fl-YBCO li tiġi trasferita gradwalment lura għal materjal tat-tip p. Hawnhekk irridu nenfasizzaw li t-treġġigħ lura tal-polarità tal-Voc u l-Isc iseħħ immedjatament wara t-tranżizzjoni superkonduttiva ta' reżistenza żero, irrispettivament mill-kawża tat-tranżizzjoni. Din l-osservazzjoni tiżvela b'mod ċar, għall-ewwel darba, il-korrelazzjoni bejn is-superkonduttività u l-effetti fotovoltajċi assoċjati mal-potenzjal tal-interfaċċja metall-superkonduttur. In-natura ta' dan il-potenzjal tul l-interfaċċja superkonduttur-metall normali kienet fokus tar-riċerka għall-aħħar diversi deċennji iżda hemm ħafna mistoqsijiet li għadhom qed jistennew li jiġu mwieġba. Il-kejl tal-effett fotovoltajku jista' jkun metodu effettiv biex jiġu esplorati d-dettalji (bħas-saħħa u l-polarità tiegħu eċċ.) ta' dan il-potenzjal importanti u b'hekk jitfa' dawl fuq l-effett ta' prossimità superkonduttiva f'temperatura għolja.

Żieda ulterjuri fit-temperatura minn Tc0 għal Tc twassal għal konċentrazzjoni iżgħar ta' pari Cooper u titjib fil-potenzjal tal-interfaċċja u konsegwentement Voc akbar. F'Tc il-konċentrazzjoni tal-pari Cooper issir żero u l-potenzjal akkumulat fl-interfaċċja jilħaq massimu, li jirriżulta f'Voc massimu u Isc minimu. Iż-żieda rapida ta' Voc u Isc (valur assolut) f'din il-medda ta' temperatura tikkorrispondi għat-tranżizzjoni superkonduttiva li titwessa' minn ΔT ~ 3 K għal ~34 K permezz ta' irradjazzjoni bil-lejżer ta' intensità ta' 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Fl-istati normali 'l fuq minn Tc, il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ Voc jonqos mat-temperatura (parti ta' fuq tal-Fig. 3b), simili għall-imġiba lineari ta' Voc għal ċelloli solari normali bbażati fuq ġunzjonijiet pn31,32,33. Għalkemm ir-rata ta' bidla ta' Voc mat-temperatura (−dVoc/dT), li tiddependi ħafna fuq l-intensità tal-lejżer, hija ħafna iżgħar minn dik taċ-ċelloli solari normali, il-koeffiċjent tat-temperatura ta' Voc għall-ġunzjoni YBCO-Ag għandu l-istess ordni ta' kobor bħal dak taċ-ċelloli solari. Il-kurrent tat-tnixxija ta' ġunzjoni pn għal apparat normali taċ-ċelloli solari jiżdied biż-żieda fit-temperatura, u dan iwassal għal tnaqqis f'Voc hekk kif tiżdied it-temperatura. Il-kurvi lineari IV osservati għal din is-sistema Ag-superkonduttur, minħabba l-ewwel nett il-potenzjal żgħir ħafna tal-interfaċċja u t-tieni nett il-konnessjoni dahar ma' dahar taż-żewġ eteroġunzjonijiet, jagħmluha diffiċli biex jiġi ddeterminat il-kurrent tat-tnixxija. Madankollu, jidher probabbli ħafna li l-istess dipendenza mit-temperatura tal-kurrent tat-tnixxija hija responsabbli għall-imġiba ta' Voc osservata fl-esperiment tagħna. Skont id-definizzjoni, Isc huwa l-kurrent meħtieġ biex jipproduċi vultaġġ negattiv biex jikkumpensa lil Voc sabiex il-vultaġġ totali jkun żero. Hekk kif tiżdied it-temperatura, Voc isir iżgħar sabiex ikun hemm bżonn ta' inqas kurrent biex jipproduċi l-vultaġġ negattiv. Barra minn hekk, ir-reżistenza tal-YBCO tiżdied b'mod lineari mat-temperatura 'l fuq minn Tc (il-qiegħ tal-Fig. 3b), li tikkontribwixxi wkoll għall-valur assolut iżgħar ta' Isc f'temperaturi għoljin.

Innota li r-riżultati mogħtija fil-Figuri 2,3 jinkisbu permezz ta' irradjazzjoni bil-lejżer fiż-żona madwar l-elettrodi tal-katodu. Il-kejl ġie ripetut ukoll b'post tal-lejżer pożizzjonat fl-anodu u ġew osservati karatteristiċi IV u proprjetajiet fotovoltajċi simili ħlief li l-polarità ta' Voc u Isc ġiet maqluba f'dan il-każ. Din id-dejta kollha twassal għal mekkaniżmu għall-effett fotovoltajku, li huwa relatat mill-qrib mal-interfaċċja superkonduttur-metall.

Fil-qosor, il-karatteristiċi IV tas-sistema ta' pejst YBCO-Ag superkonduttiv irradjat bil-lejżer ġew imkejla bħala funzjonijiet tat-temperatura u l-intensità tal-lejżer. Effett fotovoltajku notevoli ġie osservat fil-medda ta' temperatura minn 50 sa 300 K. Instab li l-proprjetajiet fotovoltajċi jikkorrelataw b'mod qawwi mas-superkonduttività taċ-ċeramika YBCO. Treġġigħ lura tal-polarità ta' Voc u Isc iseħħ immedjatament wara t-tranżizzjoni minn superkonduttiv għal mhux superkonduttiv indott mill-foto. Id-dipendenza mit-temperatura ta' Voc u Isc imkejla b'intensità fissa tal-lejżer turi wkoll treġġigħ lura distint tal-polarità f'temperatura kritika li 'l fuq minnha l-kampjun isir reżistiv. Billi nlokaw il-post tal-lejżer f'parti differenti tal-kampjun, nuru li teżisti potenzjal elettriku tul l-interfaċċja, li jipprovdi l-forza ta' separazzjoni għall-pari ta' elettroni-toqob indotti mill-foto. Dan il-potenzjal tal-interfaċċja jidderieġi minn YBCO għall-elettrodu tal-metall meta YBCO jkun superkonduttiv u jaqleb fid-direzzjoni opposta meta l-kampjun isir mhux superkonduttiv. L-oriġini tal-potenzjal tista' tkun assoċjata b'mod naturali mal-effett ta' prossimità fl-interfaċċja metall-superkonduttur meta l-YBCO jkun superkonduttiv u huwa stmat li huwa ~10−8 mV f'50 K b'intensità tal-lejżer ta' 502 mW/cm2. Il-kuntatt ta' materjal tat-tip p YBCO fi stat normali ma' materjal tat-tip n Ag-paste jifforma junction kważi-pn li hija responsabbli għall-imġiba fotovoltajka taċ-ċeramika YBCO f'temperaturi għoljin. L-osservazzjonijiet ta' hawn fuq jitfgħu dawl fuq l-effett PV fiċ-ċeramika YBCO superkonduttiva f'temperatura għolja u jwittu t-triq għal applikazzjonijiet ġodda f'apparati optoelettroniċi bħal ditekter passiv tad-dawl veloċi u ditekter ta' foton wieħed.

L-esperimenti tal-effett fotovoltajku twettqu fuq kampjun taċ-ċeramika YBCO ta' ħxuna ta' 0.52 mm u forma rettangolari ta' 8.64 × 2.26 mm2 u mdawwal b'lejżer blu b'mewġa kontinwa (λ = 450 nm) b'daqs ta' spot tal-lejżer ta' 1.25 mm fir-raġġ. L-użu ta' kampjun bl-ingrossa minflok kampjun ta' film irqiq jippermettilna nistudjaw il-proprjetajiet fotovoltajċi tas-superkonduttur mingħajr ma jkollna nittrattaw l-influwenza kumplessa tas-sottostrat6,7. Barra minn hekk, il-materjal bl-ingrossa jista' jkun favorevoli għall-proċedura sempliċi ta' preparazzjoni tiegħu u l-ispiża relattivament baxxa. Il-wajers taċ-ċomb tar-ram huma koerenti fuq il-kampjun YBCO b'pejst tal-fidda li jifforma erba' elettrodi ċirkolari b'dijametru ta' madwar 1 mm. Id-distanza bejn iż-żewġ elettrodi tal-vultaġġ hija ta' madwar 5 mm. Il-karatteristiċi IV tal-kampjun tkejlu bl-użu tal-manjetometru tal-kampjun tal-vibrazzjoni (VersaLab, Quantum Design) b'tieqa tal-kristall tal-kwarz. Intuża metodu standard ta' erba' wajers biex jinkisbu l-kurvi IV. Il-pożizzjonijiet relattivi tal-elettrodi u l-post tal-lejżer huma murija fil-Fig. 1i.

Kif tiċċita dan l-artiklu: Yang, F. et al. L-oriġini tal-effett fotovoltajku fiċ-ċeramika superkonduttiva YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Vultaġġi indotti bil-lejżer projbiti mis-simmetrija f'YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oriġini tas-sinjal fotovoltajku anomalu f'Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Kejl ta' vultaġġi indotti bil-lejżer ta' Bi-Sr-Ca-Cu-O superkonduttiv. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Vultaġġi temporanji indotti minn laser f'films ta' YBa2Cu3O7-x f'temperatura tal-kamra. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Rispons fotovoltajku anomalu f'YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injezzjoni ta' trasportatur ta' toqob ġenerat minn foto għal YBa2Cu3O7−x fi struttura eteroġenika ta' ossidu. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Studju tal-fotoemissjoni ta' films irqaq ta' YBa2Cu3Oy taħt illuminazzjoni tad-dawl. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Effett fotovoltajku ta' eteroġunzjoni YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb ittemprata fi pressjoni parzjali ta' ossiġnu differenti. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Struttura b'Żewġ Lakuni fi kristalli singoli Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika ta' rilassament kważi-partiċelli f'superkondutturi bi strutturi differenti ta' vojt: Teorija u esperimenti fuq YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Proprjetajiet ta' rettifika tal-eteroġunzjoni YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Assorbiment eċitoniku u superkonduttività f'YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Konduttività fotoindotta temporanja fi kristalli singoli semikonduttivi ta' YBa2Cu3O6.3: tfittxija għal stat metalliku fotoindott u għal superkonduttività fotoindotta. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Mudell ta' Tunneling tal-effett ta' prossimità superkonduttiva. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Effett ta' prossimità superkonduttiva eżaminat fuq skala ta' tul mesoskopiku. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Effett ta' prossimità b'superkondutturi mhux ċentrossimetriċi. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Effett qawwi ta' prossimità superkonduttiva fi strutturi ibridi Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fotoċellula ġdida b'ġunzjoni pn tas-silikon għall-konverżjoni tar-radjazzjoni solari f'enerġija elettrika. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Effetti tal-impurità fuq it-tul tal-koerenza superkonduttiva fi kristalli singoli YBa2Cu3O6.9 iddopjati biż-Zn jew bin-Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Manjetorreżistenza ta' kristalli singoli YBa2Cu3Oy mhux imgeżwra f'firxa wiesgħa ta' doping: dipendenza anomala tat-tul tal-koerenza mit-toqob. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika fil-qawwa termoelettrika ta' ossidi b'T għolja. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Ċaqliq tal-momentum dipendenti mid-densità tat-trasportatur tal-quċċata koerenti u l-modalità tal-fonon LO f'superkondutturi tat-tip p b'Tc għolja. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Tnaqqis tat-toqob u akkumulazzjoni tal-elettroni f'films irqaq YBa2Cu3Oy bl-użu ta' teknika elettrokimika: Evidenza għal stat metalliku tat-tip n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Il-fiżika u l-kimika tal-għoli tal-barriera Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effetti tat-Tkissir Dinamiku ta' Pari Esterni f'Films Superkonduttivi. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Titjib tas-superkonduttività indott mill-foto. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Fotokonduttività persistenti f'films YBa2Cu3O6+x bħala metodu ta' fotodoping lejn fażijiet metalliċi u superkonduttivi. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Dinamika tal-kannizzata mhux lineari bħala bażi għal superkonduttività mtejba f'YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Superkonduttività indotta mid-dawl f'kuprat ordnat bi strixxi. Xjenza 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Id-dipendenza funzjonali tat-temperatura tal-VOC għal ċellula solari fir-rigward tal-effiċjenza tagħha - approċċ ġdid. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Effetti tat-temperatura f'ċelloli solari tas-silikon b'barriera Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Dipendenza mit-temperatura għall-parametri tal-apparat fotovoltajku taċ-ċelloli solari polimeru-fullerene taħt kundizzjonijiet operattivi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Dan ix-xogħol ġie appoġġjat mill-Fondazzjoni Nazzjonali tax-Xjenza Naturali taċ-Ċina (Għotja Nru. 60571063), il-Proġetti ta' Riċerka Fundamentali tal-Provinċja ta' Henan, iċ-Ċina (Għotja Nru. 122300410231).

FY kiteb it-test tad-dokument u MYH ħejja l-kampjun taċ-ċeramika YBCO. FY u MYH wettqu l-esperiment u analizzaw ir-riżultati. L-FGC mexxa l-proġett u l-interpretazzjoni xjentifika tad-dejta. L-awturi kollha rrevedew il-manuskritt.

Dan ix-xogħol huwa liċenzjat taħt Liċenzja Internazzjonali ta' Attribuzzjoni Creative Commons 4.0. L-immaġnijiet jew materjal ieħor ta' partijiet terzi f'dan l-artiklu huma inklużi fil-liċenzja Creative Commons tal-artiklu, sakemm ma jkunx indikat mod ieħor fil-linja ta' kreditu; jekk il-materjal mhux inkluż taħt il-liċenzja Creative Commons, l-utenti jkollhom bżonn jiksbu permess mingħand id-detentur tal-liċenzja biex jirriproduċu l-materjal. Biex tara kopja ta' din il-liċenzja, żur http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. L-Oriġini tal-effett fotovoltajku fiċ-ċeramika superkonduttiva YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Billi tissottometti kumment inti taqbel li timxi mat-Termini u l-Linji Gwida tal-Komunità tagħna. Jekk issib xi ħaġa abbużiva jew li ma tikkonformax mat-termini jew mal-linji gwida tagħna, jekk jogħġbok immarkaha bħala mhux xierqa.