Bedankt voor uw bezoek aan nature.com. U gebruikt een browserversie met beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden we u aan een recentere browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de ondersteuning te blijven garanderen, wordt de site in de tussentijd zonder stijlen en JavaScript weergegeven.
We rapporteren een opmerkelijk fotovoltaïsch effect in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K, geïnduceerd door belichting met een blauwe laser. Dit effect is direct gerelateerd aan de supergeleiding van YBCO en de interface tussen YBCO en de metalen elektrode. Er treedt een polariteitsomkering op voor de open-circuitspanning Voc en de kortsluitstroom Isc wanneer YBCO overgaat van een supergeleidende naar een resistieve toestand. We tonen aan dat er een elektrisch potentiaalverschil bestaat tussen de supergeleider en het normale metaal, dat de scheidingskracht levert voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit potentiaalverschil is gericht van YBCO naar de metalen elektrode wanneer YBCO supergeleidend is en keert om wanneer YBCO niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van het potentiaalverschil kan gemakkelijk worden gekoppeld aan het nabijheidseffect aan de metaal-supergeleiderinterface wanneer YBCO supergeleidend is. De waarde ervan wordt geschat op ~10–8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm2. De combinatie van een p-type materiaal (YBCO) in normale toestand met een n-type materiaal (zilverpasta) vormt een quasi-pn-junctie die verantwoordelijk is voor het fotovoltaïsche gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. Onze bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe toepassingen van foto-elektronische apparaten en meer inzicht geven in het nabijheidseffect aan het grensvlak tussen supergeleider en metaal.
Fotogeïnduceerde spanning in hogetemperatuursupergeleiders werd begin jaren negentig gerapporteerd en is sindsdien uitgebreid onderzocht, maar de aard en het mechanisme ervan blijven onduidelijk1,2,3,4,5. Dunne YBa2Cu3O7-δ (YBCO)-films6,7,8 worden in het bijzonder intensief bestudeerd in de vorm van fotovoltaïsche (PV) cellen vanwege hun instelbare energiebandkloof9,10,11,12,13. De hoge weerstand van het substraat leidt echter altijd tot een lage conversie-efficiëntie van het apparaat en maskeert de primaire PV-eigenschappen van YBCO8. Hier rapporteren we een opmerkelijk fotovoltaïsch effect, geïnduceerd door belichting met een blauwe laser (λ = 450 nm) in YBa2Cu3O6.96 (YBCO)-keramiek tussen 50 en 300 K (Tc ~ 90 K). We tonen aan dat het PV-effect rechtstreeks verband houdt met de supergeleiding van YBCO en de aard van de YBCO-metalen elektrode-interface. Er vindt een polariteitsomkering plaats voor de open-circuitspanning Voc en de kortsluitstroom Isc wanneer YBCO een overgang ondergaat van de supergeleidende fase naar een resistieve toestand. Er wordt verondersteld dat er een elektrisch potentiaalverschil bestaat over het grensvlak tussen de supergeleider en het normale metaal, dat de scheidingskracht levert voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit grensvlakpotentiaal is gericht van YBCO naar de metalen elektrode wanneer YBCO supergeleidend is en keert om in de tegenovergestelde richting wanneer het monster niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van het potentiaal kan op natuurlijke wijze worden geassocieerd met het nabijheidseffect14,15,16,17 aan het metaal-supergeleidergrensvlak wanneer YBCO supergeleidend is en de waarde ervan wordt geschat op ~10−8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm2. De combinatie van een p-type materiaal YBCO in de normale toestand met een n-type materiaal Ag-pasta vormt hoogstwaarschijnlijk een quasi-pn-junctie die verantwoordelijk is voor het PV-gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. Onze waarnemingen werpen meer licht op de oorsprong van het PV-effect in hogetemperatuur-supergeleidende YBCO-keramiek en effenen de weg voor de toepassing ervan in opto-elektronische apparaten zoals snelle passieve lichtdetectoren, enz.
Figuur 1a–c toont de IV-karakteristieken van een YBCO-keramisch monster bij 50 K. Zonder lichtinval blijft de spanning over het monster nul bij een veranderende stroomsterkte, zoals te verwachten is van een supergeleidend materiaal. Een duidelijk fotovoltaïsch effect treedt op wanneer een laserstraal op de kathode wordt gericht (Fig. 1a): de IV-curven parallel aan de I-as verschuiven naar beneden bij toenemende laserintensiteit. Het is duidelijk dat er een negatieve fotogeïnduceerde spanning is, zelfs zonder stroom (vaak de open-circuitspanning Voc genoemd). De helling van de IV-curve van nul geeft aan dat het monster onder laserbelichting nog steeds supergeleidend is.
(a–c) en 300 K (e–g). De waarden van V(I) werden verkregen door de stroom te variëren van −10 mA tot +10 mA in vacuüm. Slechts een deel van de experimentele gegevens wordt weergegeven voor de duidelijkheid. a, Stroom-spanningskarakteristieken van YBCO gemeten met de laserstraal gepositioneerd op de kathode (i). Alle IV-curven zijn horizontale rechte lijnen, wat aangeeft dat het monster nog steeds supergeleidend is bij laserbestraling. De curve verschuift naar beneden met toenemende laserintensiteit, wat aangeeft dat er een negatieve potentiaal (Voc) bestaat tussen de twee spanningsdraden, zelfs bij een stroom van nul. De IV-curven blijven onveranderd wanneer de laser op het midden van het monster wordt gericht bij 50 K (b) of 300 K (f). De horizontale lijn verschuift naar boven wanneer de anode wordt belicht (c). Een schematisch model van de metaal-supergeleiderjunctie bij 50 K wordt weergegeven in d. Stroom-spanningskarakteristieken van YBCO in de normale toestand bij 300 K, gemeten met een laserstraal gericht op de kathode en de anode, worden respectievelijk weergegeven in figuur e en g. In tegenstelling tot de resultaten bij 50 K, geeft de niet-nul helling van de rechte lijnen aan dat YBCO zich in de normale toestand bevindt; de waarden van Voc variëren met de lichtintensiteit in tegengestelde richting, wat wijst op een ander ladingsscheidingsmechanisme. Een mogelijke interfacestructuur bij 300 K wordt weergegeven in figuur hj. De werkelijke afbeelding van het monster met aansluitingen.
Zuurstofrijk YBCO in supergeleidende toestand kan vrijwel het volledige spectrum van zonlicht absorberen vanwege de zeer kleine energiebandkloof (Eg)9,10, waardoor elektronen-gatparen (e–h) ontstaan. Om een open-circuitspanning Voc te produceren door absorptie van fotonen, is het noodzakelijk om de fotogegenereerde e–h-paren ruimtelijk te scheiden voordat recombinatie optreedt18. De negatieve Voc, ten opzichte van de kathode en anode zoals aangegeven in Fig. 1i, suggereert dat er een elektrisch potentiaalverschil bestaat over het metaal-supergeleidergrensvlak, waardoor de elektronen naar de anode en de gaten naar de kathode worden getrokken. Als dit het geval is, zou er ook een potentiaalverschil moeten bestaan van de supergeleider naar de metalen elektrode bij de anode. Bijgevolg zou een positieve Voc worden verkregen als het monstergebied nabij de anode wordt belicht. Bovendien zouden er geen fotogeïnduceerde spanningen moeten zijn wanneer de laserstraal gericht is op gebieden ver van de elektroden. Dit is zeker het geval, zoals te zien is in Fig. 1b,c!
Wanneer de lichtvlek zich verplaatst van de kathode-elektrode naar het midden van het monster (ongeveer 1,25 mm verwijderd van de grensvlakken), is er geen variatie in de IV-curven en geen Voc waarneembaar bij toenemende laserintensiteit tot de maximaal beschikbare waarde (Fig. 1b). Dit resultaat kan uiteraard worden toegeschreven aan de beperkte levensduur van fotogeïnduceerde ladingsdragers en het ontbreken van een scheidingskracht in het monster. Elektron-gatparen kunnen worden gevormd wanneer het monster wordt belicht, maar de meeste e-h-paren zullen worden vernietigd en er wordt geen fotovoltaïsch effect waargenomen als de laservlek op gebieden valt die ver verwijderd zijn van de elektroden. Wanneer de laservlek naar de anode-elektroden wordt verplaatst, verschuift de IV-curve parallel aan de I-as omhoog bij toenemende laserintensiteit (Fig. 1c). Een vergelijkbaar ingebouwd elektrisch veld bestaat in de metaal-supergeleiderovergang bij de anode. Deze metalen elektrode is echter ditmaal verbonden met de positieve pool van het testsysteem. De door de laser geproduceerde gaten worden naar de anode geduwd, waardoor een positieve Voc wordt waargenomen. De hier gepresenteerde resultaten leveren sterk bewijs dat er inderdaad een grensvlakpotentiaal bestaat die van de supergeleider naar de metalen elektrode wijst.
Het fotovoltaïsche effect in YBa2Cu3O6.96-keramiek bij 300 K wordt weergegeven in figuur 1e-g. Zonder lichtinval is de IV-curve van het monster een rechte lijn die door de oorsprong gaat. Deze rechte lijn beweegt omhoog, parallel aan de oorspronkelijke lijn, naarmate de laserintensiteit die op de kathode-aansluitingen valt toeneemt (figuur 1e). Er zijn twee grensgevallen die van belang zijn voor een fotovoltaïsch apparaat. De kortsluittoestand treedt op wanneer V = 0. De stroom in dit geval wordt de kortsluitstroom (Isc) genoemd. Het tweede grensgeval is de open-circuittoestand (Voc), die optreedt wanneer R→∞ of de stroom nul is. Figuur 1e laat duidelijk zien dat Voc positief is en toeneemt met toenemende lichtintensiteit, in tegenstelling tot het resultaat verkregen bij 50 K; terwijl een negatieve Isc in absolute waarde toeneemt met lichtinval, een typisch gedrag van normale zonnecellen.
Op dezelfde manier is de V(I)-curve onafhankelijk van de laserintensiteit wanneer de laserstraal op gebieden ver van de elektroden wordt gericht, en treedt er geen fotovoltaïsch effect op (Fig. 1f). Net als bij de meting bij 50 K verschuiven de IV-curven in de tegenovergestelde richting wanneer de anode-elektrode wordt bestraald (Fig. 1g). Al deze resultaten, verkregen voor dit YBCO-Ag-pastasysteem bij 300 K met laserbestraling op verschillende posities van het monster, zijn consistent met een grensvlakpotentiaal die tegengesteld is aan die waargenomen bij 50 K.
In supergeleidend YBCO condenseren de meeste elektronen tot Cooper-paren onder de overgangstemperatuur Tc. In de metalen elektrode blijven alle elektronen echter in enkelvoudige vorm. Er is een grote dichtheidsgradiënt voor zowel enkelvoudige elektronen als Cooper-paren in de buurt van het metaal-supergeleidergrensvlak. Meervoudige elektronen in het metaal diffunderen naar het supergeleidende gebied, terwijl meervoudige Cooper-paren in het YBCO-gebied diffunderen naar het metaalgebied. Doordat Cooper-paren met een hogere lading en een grotere mobiliteit dan enkelvoudige elektronen vanuit YBCO naar het metaalgebied diffunderen, blijven positief geladen atomen achter, wat resulteert in een elektrisch veld in het ruimteladingsgebied. De richting van dit elektrische veld is weergegeven in het schematische diagram Fig. 1d. Invallende fotonen in de buurt van het ruimteladingsgebied kunnen Cooper-paren creëren die worden gescheiden en weggevoerd, waardoor een fotostroom in de omgekeerde polarisatierichting ontstaat. Zodra de elektronen het ingebouwde elektrische veld verlaten, condenseren ze tot paren en stromen ze zonder weerstand naar de andere elektrode. In dit geval is de Voc tegengesteld aan de vooraf ingestelde polariteit en vertoont een negatieve waarde wanneer de laserstraal gericht is op het gebied rond de negatieve elektrode. Uit de waarde van Voc kan de potentiaal over de interface worden geschat: de afstand tussen de twee spanningsdraden d is ~5 × 10−3 m, de dikte van de metaal-supergeleiderinterface, di, moet van dezelfde orde van grootte zijn als de coherentielengte van de YBCO-supergeleider (~1 nm)19,20, neem een waarde van Voc = 0,03 mV, dan wordt de potentiaal Vms aan de metaal-supergeleiderinterface geschat op ~10−11 V bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm2, met behulp van de vergelijking,
We willen hier benadrukken dat de foto-geïnduceerde spanning niet verklaard kan worden door het fotothermische effect. Experimenteel is vastgesteld dat de Seebeck-coëfficiënt van supergeleider YBCO Ss = 0,21 is. De Seebeck-coëfficiënt voor koperen geleiderdraden ligt in het bereik van SCu = 0,34–1,15 μV/K³. De temperatuur van de koperdraad op de laserplek kan met een kleine hoeveelheid van 0,06 K worden verhoogd bij de maximale laserintensiteit die beschikbaar is bij 50 K. Dit zou een thermo-elektrische potentiaal van 6,9 × 10⁻⁸ V kunnen opleveren, wat drie ordes van grootte kleiner is dan de Voc die in figuur 1(a) is verkregen. Het is duidelijk dat het thermo-elektrische effect te klein is om de experimentele resultaten te verklaren. De temperatuurverandering als gevolg van laserbestraling zou in feite binnen minder dan een minuut verdwijnen, zodat de bijdrage van het thermische effect veilig kan worden verwaarloosd.
Dit fotovoltaïsche effect van YBCO bij kamertemperatuur onthult dat hier een ander ladingsscheidingsmechanisme bij betrokken is. Supergeleidend YBCO in de normale toestand is een p-type materiaal met gaten als ladingsdragers22,23, terwijl metallische Ag-pasta de kenmerken heeft van een n-type materiaal. Net als bij pn-juncties zal de diffusie van elektronen in de zilverpasta en gaten in het YBCO-keramiek een intern elektrisch veld vormen dat naar het YBCO-keramiek wijst op het grensvlak (Fig. 1h). Het is dit interne veld dat de scheidingskracht levert en leidt tot een positieve Voc en negatieve Isc voor het YBCO-Ag-pasta-systeem bij kamertemperatuur, zoals weergegeven in Fig. 1e. Als alternatief zou Ag-YBCO een p-type Schottky-junctie kunnen vormen, wat ook leidt tot een grensvlakpotentiaal met dezelfde polariteit als in het hierboven gepresenteerde model24.
Om het gedetailleerde evolutieproces van de fotovoltaïsche eigenschappen tijdens de supergeleidende overgang van YBCO te onderzoeken, werden IV-curven van het monster bij 80 K gemeten met geselecteerde laserintensiteiten die de kathode-elektrode belichtten (Fig. 2). Zonder laserbestraling blijft de spanning over het monster nul, ongeacht de stroomsterkte, wat de supergeleidende toestand van het monster bij 80 K aangeeft (Fig. 2a). Net als bij de gegevens verkregen bij 50 K, verschuiven de IV-curven parallel aan de I-as naar beneden met toenemende laserintensiteit totdat een kritische waarde Pc wordt bereikt. Boven deze kritische laserintensiteit (Pc) ondergaat de supergeleider een overgang van een supergeleidende fase naar een resistieve fase; de spanning begint toe te nemen met de stroomsterkte als gevolg van het ontstaan van weerstand in de supergeleider. Hierdoor begint de IV-curve de I-as en de V-as te kruisen, wat aanvankelijk leidt tot een negatieve Voc en een positieve Isc. Het monster lijkt zich nu in een speciale toestand te bevinden waarin de polariteit van Voc en Isc extreem gevoelig is voor de lichtintensiteit; Bij een zeer kleine toename van de lichtintensiteit verandert Isc van positief naar negatief en Voc van negatief naar positief, waarbij ze de oorsprong passeren (de hoge gevoeligheid van de fotovoltaïsche eigenschappen, met name de waarde van Isc, voor lichtinval is duidelijker te zien in figuur 2b). Bij de hoogst beschikbare laserintensiteit neigen de IV-curven naar een parallelle toestand, wat de normale toestand van het YBCO-monster aangeeft.
Het middelpunt van de laserstraal is gepositioneerd rond de kathode-elektroden (zie figuur 1i). a, IV-curven van YBCO bestraald met verschillende laserintensiteiten. b (boven), Afhankelijkheid van de open-circuitspanning Voc en de kortsluitstroom Isc van de laserintensiteit. De Isc-waarden kunnen niet worden verkregen bij lage lichtintensiteit (< 110 mW/cm²) omdat de IV-curven parallel lopen aan de I-as wanneer het monster zich in de supergeleidende toestand bevindt. b (onder), differentiële weerstand als functie van de laserintensiteit.
De afhankelijkheid van Voc en Isc van de laserintensiteit bij 80 K wordt weergegeven in figuur 2b (boven). De fotovoltaïsche eigenschappen kunnen worden besproken in drie gebieden van lichtintensiteit. Het eerste gebied ligt tussen 0 en Pc, waarin YBCO supergeleidend is, Voc negatief is en afneemt (de absolute waarde neemt toe) met de lichtintensiteit en een minimum bereikt bij Pc. Het tweede gebied loopt van Pc tot een andere kritische intensiteit P0, waarin Voc toeneemt terwijl Isc afneemt met toenemende lichtintensiteit en beide nul bereiken bij P0. Het derde gebied ligt boven P0 tot de normale toestand van YBCO is bereikt. Hoewel zowel Voc als Isc op dezelfde manier variëren met de lichtintensiteit als in gebied 2, hebben ze boven de kritische intensiteit P0 een tegengestelde polariteit. Het belang van P0 ligt in het feit dat er geen fotovoltaïsch effect meer is en het ladingsscheidingsmechanisme op dit specifieke punt kwalitatief verandert. Het YBCO-monster wordt niet-supergeleidend in dit bereik van lichtintensiteit, maar de normale toestand moet nog worden bereikt.
De fotovoltaïsche eigenschappen van het systeem zijn duidelijk nauw verbonden met de supergeleiding van YBCO en de supergeleidende overgang ervan. De differentiële weerstand, dV/dI, van YBCO wordt weergegeven in figuur 2b (onderaan) als functie van de laserintensiteit. Zoals eerder vermeld, is er sprake van een ingebouwd elektrisch potentiaal in de interface als gevolg van Cooper-paardiffusiepunten van de supergeleider naar het metaal. Net als bij 50 K wordt het fotovoltaïsche effect versterkt met toenemende laserintensiteit van 0 tot Pc. Wanneer de laserintensiteit een waarde bereikt die iets hoger is dan Pc, begint de IV-curve te kantelen en wordt de weerstand van het monster zichtbaar, maar de polariteit van het interfacepotentiaal verandert nog niet. Het effect van optische excitatie op de supergeleiding is onderzocht in het zichtbare of nabij-infrarode gebied. Hoewel het basisproces bestaat uit het verbreken van de Cooper-paren en het vernietigen van de supergeleiding25,26, kan de supergeleidingsovergang in sommige gevallen worden versterkt27,28,29 en kunnen zelfs nieuwe supergeleidingsfasen worden geïnduceerd30. De afwezigheid van supergeleiding bij Pc kan worden toegeschreven aan het foto-geïnduceerde verbreken van de paren. Op punt P0 wordt de potentiaal over de interface nul, wat aangeeft dat de ladingsdichtheid aan beide zijden van de interface hetzelfde niveau bereikt onder deze specifieke lichtintensiteit. Verdere verhoging van de laserintensiteit resulteert in het verbreken van meer Cooper-paren en YBCO wordt geleidelijk terug omgezet in een p-type materiaal. In plaats van elektronen- en Cooper-paardiffusie wordt de eigenschap van de interface nu bepaald door elektronen- en gatendiffusie, wat leidt tot een polariteitsomkering van het elektrische veld in de interface en bijgevolg een positieve Voc (vergelijk figuur 1d,h). Bij een zeer hoge laserintensiteit bereikt de differentiële weerstand van YBCO een verzadigingswaarde die overeenkomt met de normale toestand, en zowel Voc als Isc vertonen een lineaire variatie met de laserintensiteit (Fig. 2b). Deze waarneming laat zien dat laserbestraling van YBCO in de normale toestand de soortelijke weerstand en de eigenschappen van het supergeleider-metaalgrensvlak niet langer verandert, maar alleen de concentratie van elektron-gatparen verhoogt.
Om het effect van temperatuur op de fotovoltaïsche eigenschappen te onderzoeken, werd het metaal-supergeleidersysteem aan de kathode bestraald met een blauwe laser met een intensiteit van 502 mW/cm². IV-curven verkregen bij geselecteerde temperaturen tussen 50 en 300 K worden weergegeven in figuur 3a. De open-circuitspanning Voc, de kortsluitstroom Isc en de differentiële weerstand kunnen vervolgens uit deze IV-curven worden afgeleid en worden weergegeven in figuur 3b. Zonder lichtbestraling gaan alle bij verschillende temperaturen gemeten IV-curven, zoals verwacht, door de oorsprong (inzet van figuur 3a). De IV-karakteristieken veranderen drastisch met toenemende temperatuur wanneer het systeem wordt belicht door een relatief sterke laserstraal (502 mW/cm²). Bij lage temperaturen zijn de IV-curven rechte lijnen parallel aan de I-as met negatieve Voc-waarden. Deze curve verschuift naar boven met toenemende temperatuur en verandert geleidelijk in een lijn met een niet-nul helling bij een kritische temperatuur Tcp (figuur 3a (boven)). Het lijkt erop dat alle IV-karakteristieken roteren rond een punt in het derde kwadrant. Voc neemt toe van een negatieve naar een positieve waarde, terwijl Isc afneemt van een positieve naar een negatieve waarde. Boven de oorspronkelijke supergeleidende overgangstemperatuur Tc van YBCO verandert de IV-curve op een heel andere manier met de temperatuur (onderaan figuur 3a). Ten eerste verschuift het rotatiecentrum van de IV-curves naar het eerste kwadrant. Ten tweede blijft Voc afnemen en Isc toenemen met stijgende temperatuur (bovenaan figuur 3b). Ten derde neemt de helling van de IV-curves lineair toe met de temperatuur, wat resulteert in een positieve temperatuurcoëfficiënt van de weerstand voor YBCO (onderaan figuur 3b).
Temperatuurafhankelijkheid van de fotovoltaïsche eigenschappen van het YBCO-Ag-pastasysteem onder laserbestraling met 502 mW/cm2.
Het middelpunt van de laserstraal is gepositioneerd rond de kathode-elektroden (zie figuur 1i). a, IV-curven verkregen van 50 tot 90 K (boven) en van 100 tot 300 K (onder) met een temperatuurstap van respectievelijk 5 K en 20 K. Inzet a toont IV-karakteristieken bij verschillende temperaturen in het donker. Alle curven kruisen het nulpunt. b, open-circuitspanning Voc en kortsluitstroom Isc (boven) en de differentiële weerstand, dV/dI, van YBCO (onder) als functie van de temperatuur. De supergeleidende overgangstemperatuur Tcp bij nulweerstand wordt niet weergegeven omdat deze te dicht bij Tc0 ligt.
Uit figuur 3b kunnen drie kritische temperaturen worden afgeleid: Tcp, waarboven YBCO niet-supergeleidend wordt; Tc0, waarbij zowel Voc als Isc nul worden; en Tc, de oorspronkelijke supergeleidende overgangstemperatuur van YBCO zonder laserbestraling. Beneden Tcp ~ 55 K bevindt de met laser bestraalde YBCO zich in een supergeleidende toestand met een relatief hoge concentratie Cooper-paren. Het effect van laserbestraling is het verlagen van de supergeleidende overgangstemperatuur met nulweerstand van 89 K naar ~ 55 K (onderaan figuur 3b) door de concentratie Cooper-paren te verlagen, naast het opwekken van fotovoltaïsche spanning en stroom. Een hogere temperatuur zorgt er ook voor dat de Cooper-paren worden verbroken, wat leidt tot een lagere potentiaal in het grensvlak. Bijgevolg zal de absolute waarde van Voc kleiner worden, hoewel dezelfde laserintensiteit wordt toegepast. De potentiaal in het grensvlak zal steeds kleiner worden naarmate de temperatuur verder stijgt en bereikt nul bij Tc0. Op dit specifieke punt is er geen fotovoltaïsch effect, omdat er geen intern veld is om de door licht geïnduceerde elektron-gatparen te scheiden. Boven deze kritische temperatuur treedt een polariteitsomkering van de potentiaal op, omdat de vrije ladingsdichtheid in de Ag-pasta groter is dan die in YBCO, dat geleidelijk wordt teruggebracht naar een p-type materiaal. We willen hier benadrukken dat de polariteitsomkering van Voc en Isc onmiddellijk na de supergeleidende overgang met nulweerstand optreedt, ongeacht de oorzaak van de overgang. Deze waarneming onthult voor het eerst duidelijk het verband tussen supergeleiding en de fotovoltaïsche effecten die samenhangen met de potentiaal van het metaal-supergeleidergrensvlak. De aard van deze potentiaal over het supergeleider-normaal metaalgrensvlak is de afgelopen decennia een belangrijk onderzoeksgebied geweest, maar er zijn nog veel vragen die onbeantwoord blijven. Het meten van het fotovoltaïsche effect kan een effectieve methode blijken te zijn om de details (zoals de sterkte en polariteit ervan) van deze belangrijke potentiaal te onderzoeken en zo meer inzicht te krijgen in het supergeleidende nabijheidseffect bij hoge temperaturen.
Een verdere temperatuurstijging van Tc0 naar Tc leidt tot een lagere concentratie Cooper-paren en een versterking van de potentiaal aan het grensvlak, met als gevolg een hogere Voc. Bij Tc wordt de concentratie Cooper-paren nul en bereikt de ingebouwde potentiaal aan het grensvlak een maximum, wat resulteert in een maximale Voc en een minimale Isc. De snelle toename van Voc en Isc (absolute waarde) in dit temperatuurbereik komt overeen met de supergeleidende overgang, die door laserbestraling met een intensiteit van 502 mW/cm2 wordt verbreed van ΔT ~ 3 K tot ~34 K (Fig. 3b). In de normale toestanden boven Tc neemt de open-circuitspanning Voc af met de temperatuur (bovenkant van Fig. 3b), vergelijkbaar met het lineaire gedrag van Voc voor normale zonnecellen gebaseerd op pn-overgangen31,32,33. Hoewel de veranderingssnelheid van Voc met de temperatuur (−dVoc/dT), die sterk afhankelijk is van de laserintensiteit, veel kleiner is dan die van normale zonnecellen, heeft de temperatuurcoëfficiënt van Voc voor de YBCO-Ag-junctie dezelfde orde van grootte als die van de zonnecellen. De lekstroom van een pn-junctie in een normale zonnecel neemt toe met stijgende temperatuur, wat leidt tot een afname van Voc bij hogere temperaturen. De lineaire IV-curven die voor dit Ag-supergeleidersysteem zijn waargenomen, enerzijds vanwege de zeer kleine grensvlakpotentiaal en anderzijds vanwege de rug-aan-rug-verbinding van de twee heterojuncties, maken het moeilijk om de lekstroom te bepalen. Niettemin lijkt het zeer waarschijnlijk dat dezelfde temperatuurafhankelijkheid van de lekstroom verantwoordelijk is voor het Voc-gedrag dat in ons experiment is waargenomen. Volgens de definitie is Isc de stroom die nodig is om een negatieve spanning te produceren ter compensatie van Voc, zodat de totale spanning nul is. Naarmate de temperatuur stijgt, wordt Voc kleiner, waardoor er minder stroom nodig is om de negatieve spanning te produceren. Bovendien neemt de weerstand van YBCO lineair toe met de temperatuur boven Tc (onderaan figuur 3b), wat ook bijdraagt aan de kleinere absolute waarde van Isc bij hoge temperaturen.
Merk op dat de resultaten in figuren 2 en 3 zijn verkregen door laserbestraling van het gebied rond de kathode-elektroden. De metingen zijn ook herhaald met de laserstraal gericht op de anode, waarbij vergelijkbare IV-karakteristieken en fotovoltaïsche eigenschappen werden waargenomen, met uitzondering van de omgekeerde polariteit van Voc en Isc. Al deze gegevens leiden tot een mechanisme voor het fotovoltaïsche effect, dat nauw verband houdt met het grensvlak tussen de supergeleider en het metaal.
Samenvattend zijn de IV-karakteristieken van een door laser bestraald supergeleidend YBCO-Ag-pastasysteem gemeten als functie van temperatuur en laserintensiteit. Een opmerkelijk fotovoltaïsch effect is waargenomen in het temperatuurbereik van 50 tot 300 K. Het blijkt dat de fotovoltaïsche eigenschappen sterk correleren met de supergeleiding van YBCO-keramiek. Een polariteitsomkering van Voc en Isc treedt onmiddellijk op na de foto-geïnduceerde overgang van supergeleidend naar niet-supergeleidend. De temperatuurafhankelijkheid van Voc en Isc, gemeten bij een vaste laserintensiteit, vertoont ook een duidelijke polariteitsomkering bij een kritische temperatuur, waarboven het monster resistief wordt. Door de laserstraal op verschillende delen van het monster te richten, tonen we aan dat er een elektrisch potentiaalverschil over het grensvlak bestaat, dat de scheidingskracht levert voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit grensvlakpotentiaal is gericht van YBCO naar de metalen elektrode wanneer YBCO supergeleidend is en keert om in de tegenovergestelde richting wanneer het monster niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van de potentiaal kan op natuurlijke wijze worden geassocieerd met het nabijheidseffect aan het metaal-supergeleidergrensvlak wanneer YBCO supergeleidend is. Deze potentiaal wordt geschat op ~10⁻⁸ mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm². Contact tussen een p-type YBCO-materiaal in de normale toestand en een n-type Ag-pasta vormt een quasi-pn-junctie, die verantwoordelijk is voor het fotovoltaïsche gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. De bovenstaande waarnemingen werpen licht op het PV-effect in supergeleidend YBCO-keramiek bij hoge temperaturen en effenen de weg naar nieuwe toepassingen in opto-elektronische apparaten, zoals snelle passieve lichtdetectoren en enkelvoudige fotondetectoren.
De experimenten naar het fotovoltaïsche effect werden uitgevoerd op een YBCO-keramisch monster met een dikte van 0,52 mm en een rechthoekige vorm van 8,64 × 2,26 mm². Het monster werd belicht met een continue blauwe laser (λ = 450 nm) met een laserstraal van 1,25 mm. Door gebruik te maken van een bulkmonster in plaats van een dunne film kunnen we de fotovoltaïsche eigenschappen van de supergeleider bestuderen zonder rekening te hoeven houden met de complexe invloed van het substraat⁶,⁷. Bovendien is bulkmateriaal gunstig vanwege de eenvoudige bereidingsprocedure en de relatief lage kosten. Koperen geleidedraden werden met zilverpasta op het YBCO-monster bevestigd, waardoor vier cirkelvormige elektroden met een diameter van ongeveer 1 mm ontstonden. De afstand tussen de twee spanningselektroden bedroeg ongeveer 5 mm. De IV-karakteristieken van het monster werden gemeten met behulp van een vibratiemagnetometer (VersaLab, Quantum Design) met een kwartskristalvenster. De standaard vierdraadsmethode werd gebruikt om de IV-curven te verkrijgen. De relatieve posities van de elektroden en de laserstraal zijn weergegeven in Fig. 1i.
Hoe dit artikel te citeren: Yang, F. et al. Oorsprong van het fotovoltaïsche effect in supergeleidende YBa2Cu3O6.96-keramiek. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetrie-verboden laser-geïnduceerde spanningen in YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oorsprong van het anomale fotovoltaïsche signaal in Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Meting van laser-geïnduceerde spanningen van supergeleidend Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Transiënte laser-geïnduceerde spanningen in films van YBa2Cu3O7-x bij kamertemperatuur. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomalous photovoltaic response in YBa2Cu3O7 . Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogegenereerde gatladinginjectie in YBa2Cu3O7−x in een oxide-heterostructuur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Foto-emissiestudie van YBa2Cu3Oy dunne films onder lichtbestraling. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaïsch effect van YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroverbinding gegloeid bij verschillende partiële zuurstofdrukken. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Twee-gapstructuur in Yb(Y)Ba2Cu3O7-x eenkristallen. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dynamiek van quasi-deeltjesrelaxatie in supergeleiders met verschillende gapstructuren: Theorie en experimenten met YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Gelijkrichtende eigenschappen van de YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroverbinding. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonische absorptie en supergeleiding in YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Tijdelijke foto-geïnduceerde geleidbaarheid in halfgeleidende eenkristallen van YBa2Cu3O6.3: zoektocht naar een foto-geïnduceerde metaaltoestand en naar foto-geïnduceerde supergeleiding. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL. Tunnelmodel van het supergeleidende nabijheidseffect. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Supergeleidend nabijheidseffect onderzocht op een mesoscopische lengteschaal. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Nabijheidseffect met niet-centrosymmetrische supergeleiders. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Sterk supergeleidend nabijheidseffect in Pb-Bi2Te3 hybride structuren. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Een nieuwe silicium pn-junctie fotocel voor het omzetten van zonnestraling in elektrische energie. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Effecten van onzuiverheden op de supergeleidende coherentielengte in Zn- of Ni-gedoteerde YBa2Cu3O6.9-eenkristallen. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoweerstand van niet-getwijnde YBa2Cu3Oy-eenkristallen in een breed scala aan doteringen: anomale afhankelijkheid van de coherentielengte van de gatendoping. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematiek in het thermo-elektrisch vermogen van hogetemperatuuroxiden. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Dragerdichtheidsafhankelijke momentumverschuiving van de coherente piek en de LO-fononmodus in p-type hogetemperatuursupergeleiders. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Gatenreductie en elektronenaccumulatie in YBa2Cu3Oy dunne films met behulp van een elektrochemische techniek: bewijs voor een n-type metaalachtige toestand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT De natuurkunde en scheikunde van de Schottky-barrièrehoogte. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effecten van dynamische externe paarbreking in supergeleidende films. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotogeïnduceerde verbetering van supergeleiding. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Aanhoudende fotogeleidbaarheid in YBa2Cu3O6+x-films als methode voor fotodoping naar metallische en supergeleidende fasen. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Niet-lineaire roosterdynamica als basis voor verbeterde supergeleiding in YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Lichtgeïnduceerde supergeleiding in een gestreepte cupraat. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA De temperatuurafhankelijke functionele afhankelijkheid van VOC voor een zonnecel in relatie tot de efficiëntie ervan: een nieuwe benadering. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuureffecten in Schottky-barrière silicium zonnecellen. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM. Temperatuurafhankelijkheid van de parameters van fotovoltaïsche apparaten van polymeer-fullereen zonnecellen onder bedrijfsomstandigheden. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Dit werk is ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (subsidie nr. 60571063) en de Fundamental Research Projects van de provincie Henan, China (subsidie nr. 122300410231).
FY schreef de tekst van het artikel en MYH bereidde het YBCO-keramiekmonster voor. FY en MYH voerden het experiment uit en analyseerden de resultaten. FGC leidde het project en de wetenschappelijke interpretatie van de gegevens. Alle auteurs hebben het manuscript beoordeeld.
Dit werk is gelicentieerd onder een Creative Commons Attribution 4.0 International License. De afbeeldingen of ander materiaal van derden in dit artikel vallen onder de Creative Commons-licentie van het artikel, tenzij anders vermeld in de bronvermelding; als het materiaal niet onder de Creative Commons-licentie valt, moeten gebruikers toestemming verkrijgen van de licentiehouder om het materiaal te reproduceren. Een kopie van deze licentie is te vinden op http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oorsprong van het fotovoltaïsche effect in supergeleidende YBa2Cu3O6.96-keramiek. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Door een reactie te plaatsen, ga je akkoord met onze Algemene Voorwaarden en Richtlijnen voor de community. Als je iets aanstootgevends vindt of iets dat niet voldoet aan onze voorwaarden of richtlijnen, meld het dan als ongepast.
Geplaatst op: 22 april 2020