Opprinnelsen til den fotovoltaiske effekten i superledende YBa2Cu3O6.96 keramikk

Takk for at du besøker nature.com. Du bruker en nettleserversjon med begrenset støtte for CSS. For å få best mulig opplevelse anbefaler vi at du bruker en nyere nettleser (eller slår av kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.

Vi rapporterer en bemerkelsesverdig fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikk mellom 50 og 300 K indusert av blå laserbelysning, som er direkte relatert til superledningen til YBCO og grensesnittet mellom YBCO og metallelektroden. Det er en polaritetsreversering for åpen kretsspenningen Voc og kortslutningsstrømmen Isc når YBCO gjennomgår en overgang fra superledende til resistiv tilstand. Vi viser at det eksisterer et elektrisk potensial over grensesnittet mellom superleder og normalt metall, som gir separasjonskraften for de fotoinduserte elektron-hull-parene. Dette grensesnittpotensialet går fra YBCO til metallelektroden når YBCO er superledende og bytter til motsatt retning når YBCO blir ikke-superledende. Opprinnelsen til potensialet kan lett assosieres med nærhetseffekten ved metall-superleder-grensesnittet når YBCO er superledende, og verdien er estimert til å være ~10–8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombinasjonen av et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner en kvasi-pn-overgang som er ansvarlig for den fotovoltaiske oppførselen til YBCO-keramikk ved høye temperaturer. Våre funn kan bane vei for nye anvendelser av foton-elektroniske enheter og kaste ytterligere lys over nærhetseffekten ved superleder-metall-grensesnittet.

Fotoindusert spenning i høytemperatur-superledere har blitt rapportert tidlig på 1990-tallet og grundig undersøkt siden den gang, men dens natur og mekanisme forblir uavklart1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tynne filmer6,7,8 er spesielt intensivt studert i form av fotovoltaiske (PV) celler på grunn av dens justerbare energigap9,10,11,12,13. Høy motstand i substratet fører imidlertid alltid til lav konverteringseffektivitet for enheten og maskerer de primære PV-egenskapene til YBCO8. Her rapporterer vi en bemerkelsesverdig fotovoltaisk effekt indusert av blålaserbelysning (λ = 450 nm) i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikk mellom 50 og 300 K (Tc ~ 90 K). Vi viser at PV-effekten er direkte relatert til superledningen til YBCO og naturen til YBCO-metallisk elektrodegrensesnitt. Det er en polaritetsreversering for tomgangsspenningen Voc og kortslutningsstrømmen Isc når YBCO gjennomgår en overgang fra superledende fase til en resistiv tilstand. Det foreslås at det eksisterer et elektrisk potensial over superleder-normalmetall-grensesnittet, som gir separasjonskraften for de fotoinduserte elektron-hull-parene. Dette grensesnittpotensialet går fra YBCO til metallelektroden når YBCO er superledende og bytter til motsatt retning når prøven blir ikke-superledende. Opprinnelsen til potensialet kan være naturlig assosiert med nærhetseffekten14,15,16,17 ved metall-superleder-grensesnittet når YBCO er superledende, og verdien er estimert til å være ~10−8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombinasjonen av et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner mest sannsynlig en kvasi-pn-overgang som er ansvarlig for PV-oppførselen til YBCO-keramikk ved høye temperaturer. Våre observasjoner kaster ytterligere lys over opprinnelsen til PV-effekten i høytemperatur superledende YBCO-keramikk og baner vei for dens anvendelse i optoelektroniske enheter som rask passiv lysdetektor etc.

Figur 1a–c viser IV-karakteristikkene til YBCO-keramikkprøven ved 50 K. Uten lysbelysning forblir spenningen over prøven på null med endret strøm, slik man kan forvente av et superledende materiale. En tydelig fotovoltaisk effekt oppstår når laserstrålen rettes mot katoden (fig. 1a): IV-kurvene parallelt med I-aksen beveger seg nedover med økende laserintensitet. Det er tydelig at det er en negativ fotoindusert spenning selv uten strøm (ofte kalt åpen kretsspenning Voc). Nullstigningstallet til IV-kurven indikerer at prøven fortsatt er superledende under laserbelysning.

(a–c) og 300 K (e–g). Verdiene for V(I) ble oppnådd ved å sveipe strømmen fra −10 mA til +10 mA i vakuum. Bare deler av de eksperimentelle dataene presenteres for klarhetens skyld. a, Strøm-spenningskarakteristikker for YBCO målt med laserpunkt plassert ved katoden (i). Alle IV-kurvene er horisontale rette linjer som indikerer at prøven fortsatt er superledende med laserbestråling. Kurven beveger seg nedover med økende laserintensitet, noe som indikerer at det eksisterer et negativt potensial (Voc) mellom de to spenningsledningene selv med null strøm. IV-kurvene forblir uendret når laseren rettes mot midten av prøven enten ved 50 K (b) eller 300 K (f). Den horisontale linjen beveger seg oppover når anoden lyser (c). En skjematisk modell av metall-superleder-overgangen ved 50 K er vist i d. Strøm-spenningskarakteristikker for normal tilstand YBCO ved 300 K målt med laserstråle rettet mot katode og anode er gitt i henholdsvis e og g. I motsetning til resultatene ved 50 K, indikerer en ikke-null helning for de rette linjene at YBCO er i normal tilstand; verdiene til Voc varierer med lysintensiteten i motsatt retning, noe som indikerer en annen ladningsseparasjonsmekanisme. En mulig grensesnittstruktur ved 300 K er vist i hj. Det virkelige bildet av prøven med ledninger.

Oksygenrik YBCO i superledende tilstand kan absorbere nesten hele spekteret av sollys på grunn av det svært lille energigap (Eg)9,10, og dermed skape elektron-hull-par (e–h). For å produsere en åpen kretsspenning Voc ved absorpsjon av fotoner, er det nødvendig å separere fotogenererte eh-par romlig før rekombinasjon skjer18. Den negative Voc, i forhold til katoden og anoden, som indikert i figur 1i, antyder at det eksisterer et elektrisk potensial over metall-superleder-grensesnittet, som feier elektronene til anoden og hullene til katoden. Hvis dette er tilfelle, bør det også være et potensial som peker fra superlederen til metallelektroden ved anoden. Følgelig vil en positiv Voc oppnås hvis prøveområdet nær anoden er opplyst. Videre bør det ikke være noen fotoinduserte spenninger når laserpunktet peker mot områder langt fra elektrodene. Det er absolutt tilfelle, som det kan sees fra figur 1b,c!.

Når lysflekken beveger seg fra katodeelektroden til midten av prøven (ca. 1,25 mm fra grensesnittene), kan ingen variasjon i IV-kurver og ingen Voc observeres med økende laserintensitet til den maksimalt tilgjengelige verdien (fig. 1b). Naturligvis kan dette resultatet tilskrives den begrensede levetiden til fotoinduserte bærere og mangelen på separasjonskraft i prøven. Elektronhullpar kan dannes når prøven belyses, men de fleste e-h-parene vil bli annihilert, og ingen fotovoltaisk effekt observeres hvis laserflekken faller på områder langt unna noen av elektrodene. Når laserflekken flyttes til anodeelektrodene, beveger IV-kurvene parallelt med I-aksen seg oppover med økende laserintensitet (fig. 1c). Et lignende innebygd elektrisk felt eksisterer i metall-superleder-overgangen ved anoden. Imidlertid kobles metallelektroden til den positive ledningen i testsystemet denne gangen. Hullene produsert av laseren skyves mot anodeledningen, og dermed observeres en positiv Voc. Resultatene som presenteres her gir sterke bevis på at det faktisk eksisterer et grensesnittpotensial som peker fra superlederen til metallelektroden.

Den fotovoltaiske effekten i YBa2Cu3O6.96-keramikk ved 300 K er vist i figur 1e–g. Uten lysbelysning er IV-kurven for prøven en rett linje som krysser origo. Denne rette linjen beveger seg oppover parallelt med den opprinnelige linjen med økende laserintensitet som bestråler katodeledningene (figur 1e). Det er to begrensende tilfeller av interesse for en fotovoltaisk enhet. Kortslutningstilstanden oppstår når V = 0. Strømmen i dette tilfellet refereres til som kortslutningsstrømmen (Isc). Det andre begrensende tilfellet er åpen krets-tilstanden (Voc) som oppstår når R→∞ eller strømmen er null. Figur 1e viser tydelig at Voc er positiv og øker med økende lysintensitet, i motsetning til resultatet oppnådd ved 50 K; mens en negativ Isc observeres å øke i størrelse med lysbelysning, en typisk oppførsel for normale solceller.

På samme måte, når laserstrålen rettes mot områder langt unna elektrodene, er V(I)-kurven uavhengig av laserintensiteten, og det oppstår ingen fotovoltaisk effekt (fig. 1f). I likhet med målingen ved 50 K beveger IV-kurvene seg i motsatt retning når anodeelektroden bestråles (fig. 1g). Alle disse resultatene som er oppnådd for dette YBCO-Ag-pastasystemet ved 300 K med laser bestrålt på forskjellige posisjoner i prøven, er konsistente med et grensesnittpotensial motsatt av det som observeres ved 50 K.

De fleste elektronene kondenserer i Cooper-par i superledende YBCO under overgangstemperaturen Tc. Mens de er i metallelektroden, forblir alle elektronene i singulær form. Det er en stor tetthetsgradient for både singulære elektroner og Cooper-par i nærheten av metall-superleder-grensesnittet. Majoritetsbærer-singularelektroner i metallisk materiale vil diffundere inn i superlederområdet, mens majoritetsbærer-Cooper-par i YBCO-regionen vil diffundere inn i metallområdet. Ettersom Cooper-par som bærer flere ladninger og har større mobilitet enn singulære elektroner diffunderer fra YBCO inn i metallområdet, blir positivt ladede atomer igjen, noe som resulterer i et elektrisk felt i romladningsområdet. Retningen på dette elektriske feltet er vist i skjematisk diagram figur 1d. Innfallende fotonbelysning nær romladningsområdet kan skape eh-par som vil bli separert og feid ut og produsere en fotostrøm i motsatt retning. Så snart elektronene kommer ut av det innebygde elektriske feltet, kondenseres de i par og strømmer til den andre elektroden uten motstand. I dette tilfellet er Voc motsatt av den forhåndsinnstilte polariteten og viser en negativ verdi når laserstrålen peker mot området rundt den negative elektroden. Fra verdien av Voc kan potensialet over grensesnittet estimeres: avstanden mellom de to spenningsledningene d er ~5 × 10−3 m, tykkelsen på metall-superleder-grensesnittet, di, bør være av samme størrelsesorden som koherenslengden til YBCO-superlederen (~1 nm)19,20, ta verdien av Voc = 0,03 mV, potensialet Vms ved metall-superleder-grensesnittet evalueres til å være ~10−11 V ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2, ved å bruke ligningen,

Vi ønsker å understreke her at den fotoinduserte spenningen ikke kan forklares med den fototermiske effekten. Det er eksperimentelt fastslått at Seebeck-koeffisienten til superlederen YBCO er Ss = 021. Seebeck-koeffisienten for kobbertråder ligger i området SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperaturen på kobbertråden ved laserpunktet kan økes med en liten mengde på 0,06 K med maksimal laserintensitet tilgjengelig ved 50 K. Dette kan produsere et termoelektrisk potensial på 6,9 × 10−8 V, som er tre størrelsesordener mindre enn Voc oppnådd i figur 1 (a). Det er tydelig at den termoelektriske effekten er for liten til å forklare de eksperimentelle resultatene. Faktisk ville temperaturvariasjonen på grunn av laserbestråling forsvinne på mindre enn ett minutt, slik at bidraget fra den termiske effekten trygt kan ignoreres.

Denne fotovoltaiske effekten av YBCO ved romtemperatur avslører at en annen ladningsseparasjonsmekanisme er involvert her. Superledende YBCO er i normal tilstand et p-type materiale med hull som ladningsbærer22,23, mens metallisk Ag-pasta har egenskaper til et n-type materiale. I likhet med pn-overganger vil diffusjonen av elektroner i sølvpastaen og hull i YBCO-keramikken danne et indre elektrisk felt som peker mot YBCO-keramikken ved grensesnittet (fig. 1h). Det er dette indre feltet som gir separasjonskraften og fører til en positiv Voc og negativ Isc for YBCO-Ag-pastasystemet ved romtemperatur, som vist i fig. 1e. Alternativt kan Ag-YBCO danne en p-type Schottky-overgang som også fører til et grensesnittpotensial med samme polaritet som i modellen presentert ovenfor24.

For å undersøke den detaljerte utviklingsprosessen av de fotovoltaiske egenskapene under superledende overgang til YBCO, ble IV-kurver for prøven ved 80 K målt med valgte laserintensiteter som lyser på katodeelektroden (fig. 2). Uten laserbestråling holder spenningen over prøven seg på null uavhengig av strøm, noe som indikerer den superledende tilstanden til prøven ved 80 K (fig. 2a). I likhet med dataene oppnådd ved 50 K, beveger IV-kurver parallelt med I-aksen seg nedover med økende laserintensitet inntil en kritisk verdi Pc er nådd. Over denne kritiske laserintensiteten (Pc) gjennomgår superlederen en overgang fra en superledende fase til en resistiv fase; spenningen begynner å øke med strøm på grunn av tilstedeværelsen av motstand i superlederen. Som et resultat begynner IV-kurven å skjære seg med I-aksen og V-aksen, noe som fører til en negativ Voc og en positiv Isc i starten. Nå ser prøven ut til å være i en spesiell tilstand der polariteten til Voc og Isc er ekstremt følsom for lysintensitet; Med en svært liten økning i lysintensitet konverteres Isc fra positiv til negativ og Voc fra negativ til positiv verdi, og passerer origo (den høye følsomheten til fotovoltaiske egenskaper, spesielt verdien av Isc, for lysbelysning kan sees tydeligere i figur 2b). Ved den høyeste tilgjengelige laserintensiteten har IV-kurvene til hensikt å være parallelle med hverandre, noe som indikerer den normale tilstanden til YBCO-prøven.

Laserpunktsenteret er plassert rundt katodeelektrodene (se fig. 1i). a, IV-kurver av YBCO bestrålt med forskjellige laserintensiteter. b (øverst), Laserintensitetsavhengighet av tomgangsspenning Voc og kortslutningsstrøm Isc. Isc-verdiene kan ikke oppnås ved lav lysintensitet (< 110 mW/cm2) fordi IV-kurvene er parallelle med I-aksen når prøven er i superledende tilstand. b (nederst), differensialmotstand som en funksjon av laserintensitet.

Laserintensitetsavhengigheten til Voc og Isc ved 80 K er vist i figur 2b (øverst). De fotovoltaiske egenskapene kan diskuteres i tre områder med lysintensitet. Det første området er mellom 0 og Pc, hvor YBCO er superledende, Voc er negativ og avtar (absoluttverdien øker) med lysintensitet og når et minimum ved Pc. Det andre området er fra Pc til en annen kritisk intensitet P0, hvor Voc øker mens Isc avtar med økende lysintensitet, og begge når null ved P0. Det tredje området er over P0 inntil normaltilstanden til YBCO er nådd. Selv om både Voc og Isc varierer med lysintensiteten på samme måte som i område 2, har de motsatt polaritet over den kritiske intensiteten P0. Betydningen av P0 ligger i at det ikke er noen fotovoltaisk effekt, og ladningsseparasjonsmekanismen endres kvalitativt på dette bestemte punktet. YBCO-prøven blir ikke-superledende i dette lysintensitetsområdet, men normaltilstanden er ennå ikke nådd.

Systemets fotovoltaiske egenskaper er tydeligvis nært knyttet til superledningen til YBCO og dens superledende overgang. Differensialmotstanden, dV/dI, til YBCO er vist i figur 2b (nederst) som en funksjon av laserintensitet. Som nevnt tidligere, er det innebygde elektriske potensialet i grensesnittet på grunn av Cooper-pardiffusjonspunkter fra superlederen til metallet. I likhet med det som observeres ved 50 K, forsterkes den fotovoltaiske effekten med økende laserintensitet fra 0 til Pc. Når laserintensiteten når en verdi litt over Pc, begynner IV-kurven å vippe, og motstanden til prøven begynner å vises, men polariteten til grensesnittpotensialet er ikke endret ennå. Effekten av optisk eksitasjon på superledningen har blitt undersøkt i det synlige eller nær-IR-området. Mens den grunnleggende prosessen er å bryte opp Cooper-parene og ødelegge superledningen 25,26, kan superledningsovergangen i noen tilfeller forsterkes 27,28,29, nye faser av superledning kan til og med induseres 30. Fraværet av superledning ved Pc kan tilskrives det fotoinduserte parbruddet. Ved punktet P0 blir potensialet over grensesnittet null, noe som indikerer at ladetettheten på begge sider av grensesnittet når samme nivå under denne spesielle lysintensiteten. Ytterligere økning i laserintensitet resulterer i at flere Cooper-par ødelegges, og YBCO gradvis transformeres tilbake til et p-type materiale. I stedet for elektron- og Cooper-pardiffusjon bestemmes grensesnittets egenskaper nå av elektron- og hulldiffusjon, noe som fører til en polaritetsreversering av det elektriske feltet i grensesnittet og følgelig en positiv Voc (sammenlign figur 1d, h). Ved svært høy laserintensitet mettes differensialmotstanden til YBCO til en verdi som tilsvarer normaltilstanden, og både Voc og Isc har en tendens til å variere lineært med laserintensiteten (figur 2b). Denne observasjonen viser at laserbestråling på YBCO i normaltilstand ikke lenger vil endre dens resistivitet og egenskapen til superleder-metall-grensesnittet, men bare øke konsentrasjonen av elektron-hull-parene.

For å undersøke effekten av temperatur på de fotovoltaiske egenskapene ble metall-superledersystemet bestrålt ved katoden med en blå laser med intensitet 502 mW/cm2. IV-kurver oppnådd ved utvalgte temperaturer mellom 50 og 300 K er gitt i figur 3a. Tomgangsspenningen Voc, kortslutningsstrømmen Isc og differensialmotstanden kan deretter utledes fra disse IV-kurvene og er vist i figur 3b. Uten lysbelysning passerer alle IV-kurvene målt ved forskjellige temperaturer origo som forventet (innsatt figur 3a). IV-karakteristikkene endres drastisk med økende temperatur når systemet belyses av en relativt sterk laserstråle (502 mW/cm2). Ved lave temperaturer er IV-kurvene rette linjer parallelt med I-aksen med negative verdier av Voc. Denne kurven beveger seg oppover med økende temperatur og blir gradvis til en linje med en ikke-null helling ved en kritisk temperatur Tcp (figur 3a (øverst)). Det ser ut til at alle IV-karakteristikkkurvene roterer rundt et punkt i den tredje kvadranten. Voc øker fra en negativ verdi til en positiv, mens Isc avtar fra en positiv til en negativ verdi. Over den opprinnelige superledende overgangstemperaturen Tc for YBCO, endres IV-kurven ganske annerledes med temperaturen (nederst i figur 3a). For det første beveger rotasjonssenteret til IV-kurvene seg til den første kvadranten. For det andre fortsetter Voc å avta, og Isc øker med økende temperatur (øverst i figur 3b). For det tredje øker helningen til IV-kurvene lineært med temperaturen, noe som resulterer i en positiv temperaturkoeffisient for motstanden for YBCO (nederst i figur 3b).

Temperaturavhengighet av fotovoltaiske egenskaper for YBCO-Ag-pastasystem under 502 mW/cm2 laserbelysning.

Laserpunktets sentrum er plassert rundt katodeelektrodene (se fig. 1i). a, IV-kurver oppnådd fra 50 til 90 K (øverst) og fra 100 til 300 K (nederst) med en temperaturøkning på henholdsvis 5 K og 20 K. Innfelt a viser IV-karakteristikker ved flere temperaturer i mørke. Alle kurvene krysser opprinnelsespunktet. b, åpen kretsspenning Voc og kortslutningsstrøm Isc (øverst) og differensialmotstanden, dV/dI, til YBCO (nederst) som en funksjon av temperaturen. Overgangstemperaturen Tcp for nullmotstands superledende overgang er ikke gitt fordi den er for nær Tc0.

Tre kritiske temperaturer kan gjenkjennes fra figur 3b: Tcp, over hvilken YBCO blir ikke-superledende; Tc0, hvor både Voc og Isc blir null, og Tc, den opprinnelige superledende overgangstemperaturen for YBCO uten laserbestråling. Under Tcp ~ 55 K er den laserbestrålte YBCO i superledende tilstand med relativt høy konsentrasjon av Cooper-par. Effekten av laserbestråling er å redusere nullmotstands superledende overgangstemperatur fra 89 K til ~ 55 K (nederst i figur 3b) ved å redusere Cooper-parkonsentrasjonen i tillegg til å produsere fotovoltaisk spenning og strøm. Økende temperatur bryter også ned Cooper-parene, noe som fører til et lavere potensial i grensesnittet. Følgelig vil den absolutte verdien av Voc bli mindre, selv om samme intensitet av laserbelysning påføres. Grensesnittpotensialet vil bli mindre og mindre med ytterligere økning i temperatur og når null ved Tc0. Det er ingen fotovoltaisk effekt på dette spesielle punktet fordi det ikke er noe indre felt for å separere de fotoinduserte elektron-hull-parene. En polaritetsreversering av potensialet skjer over denne kritiske temperaturen, ettersom den frie ladningstettheten i Ag-pasta er større enn i YBCO, som gradvis overføres tilbake til et p-type materiale. Her ønsker vi å understreke at polaritetsreverseringen av Voc og Isc skjer umiddelbart etter den superledende overgangen med null motstand, uavhengig av årsaken til overgangen. Denne observasjonen avslører tydelig, for første gang, korrelasjonen mellom superledning og de fotovoltaiske effektene knyttet til metall-superleder-grensesnittpotensialet. Naturen til dette potensialet på tvers av superleder-normalmetall-grensesnittet har vært et forskningsfokus de siste tiårene, men det er mange spørsmål som fortsatt venter på å bli besvart. Måling av den fotovoltaiske effekten kan vise seg å være en effektiv metode for å utforske detaljene (som dens styrke og polaritet osv.) til dette viktige potensialet, og dermed kaste lys over den superledende nærhetseffekten ved høy temperatur.

Ytterligere økning i temperatur fra Tc0 til Tc fører til en mindre konsentrasjon av Cooper-par og en økning i grensesnittpotensialet og følgelig større Voc. Ved Tc blir Cooper-parkonsentrasjonen null, og det innebygde potensialet ved grensesnittet når et maksimum, noe som resulterer i maksimal Voc og minimal Isc. Den raske økningen av Voc og Isc (absoluttverdi) i dette temperaturområdet tilsvarer den superledende overgangen som utvides fra ΔT ~ 3 K til ~ 34 K ved laserbestråling med intensitet 502 mW/cm2 (fig. 3b). I normale tilstander over Tc avtar åpen kretsspenningen Voc med temperaturen (øverst i fig. 3b), tilsvarende den lineære oppførselen til Voc for normale solceller basert på pn-overganger 31, 32, 33. Selv om endringsraten til Voc med temperatur (−dVoc/dT), som avhenger sterkt av laserintensiteten, er mye mindre enn for normale solceller, har temperaturkoeffisienten til Voc for YBCO-Ag-overgangen samme størrelsesorden som for solcellene. Lekkasjestrømmen til en pn-overgang for en vanlig solcelleenhet øker med økende temperatur, noe som fører til en reduksjon i Voc når temperaturen øker. De lineære IV-kurvene som observeres for dette Ag-superledersystemet, på grunn av for det første det svært lille grensesnittpotensialet og for det andre den rygg-mot-rygg-forbindelsen mellom de to heteroovergangene, gjør det vanskelig å bestemme lekkasjestrømmen. Likevel virker det svært sannsynlig at den samme temperaturavhengigheten av lekkasjestrømmen er ansvarlig for Voc-oppførselen observert i vårt eksperiment. I følge definisjonen er Isc strømmen som trengs for å produsere en negativ spenning for å kompensere for Voc slik at den totale spenningen er null. Når temperaturen øker, blir Voc mindre, slik at mindre strøm er nødvendig for å produsere den negative spenningen. Videre øker motstanden til YBCO lineært med temperatur over Tc (nederst i figur 3b), noe som også bidrar til den mindre absoluttverdien av Isc ved høye temperaturer.

Legg merke til at resultatene gitt i figur 2 og 3 er oppnådd ved laserbestråling av området rundt katodeelektrodene. Målinger har også blitt gjentatt med laserpunkt plassert ved anoden, og lignende IV-karakteristikker og fotovoltaiske egenskaper har blitt observert, bortsett fra at polariteten til Voc og Isc har blitt reversert i dette tilfellet. Alle disse dataene fører til en mekanisme for den fotovoltaiske effekten, som er nært knyttet til superleder-metall-grensesnittet.

Oppsummert har IV-egenskapene til laserbestrålet superledende YBCO-Ag-pastasystem blitt målt som funksjoner av temperatur og laserintensitet. En bemerkelsesverdig fotovoltaisk effekt har blitt observert i temperaturområdet fra 50 til 300 K. Det er funnet at de fotovoltaiske egenskapene korrelerer sterkt med superledningen til YBCO-keramikk. En polaritetsreversering av Voc og Isc skjer umiddelbart etter den fotoinduserte superledende til ikke-superledende overgangen. Temperaturavhengigheten til Voc og Isc målt ved fast laserintensitet viser også en tydelig polaritetsreversering ved en kritisk temperatur over hvilken prøven blir resistiv. Ved å plassere laserpunktet på en annen del av prøven viser vi at det eksisterer et elektrisk potensial over grensesnittet, som gir separasjonskraften for de fotoinduserte elektron-hull-parene. Dette grensesnittpotensialet leder fra YBCO til metallelektroden når YBCO er superledende og bytter til motsatt retning når prøven blir ikke-superledende. Opprinnelsen til potensialet kan være naturlig assosiert med nærhetseffekten ved metall-superleder-grensesnittet når YBCO er superledende, og er estimert til å være ~10−8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kontakt mellom et p-type materiale YBCO i normal tilstand og et n-type materiale Ag-pasta danner en kvasi-pn-overgang som er ansvarlig for den fotovoltaiske oppførselen til YBCO-keramikk ved høye temperaturer. Observasjonene ovenfor kaster lys over PV-effekten i høytemperatur superledende YBCO-keramikk og baner vei for nye anvendelser innen optoelektroniske enheter som hurtig passiv lysdetektor og enkeltfotondetektor.

De fotovoltaiske effekteksperimentene ble utført på en YBCO-keramisk prøve med tykkelse 0,52 mm og en rektangulær form på 8,64 × 2,26 mm2, belyst med kontinuerlig bølgeblålaser (λ = 450 nm) med en laserpunktstørrelse på 1,25 mm i radius. Bruk av bulkprøver i stedet for tynnfilmprøver gjør det mulig for oss å studere superlederens fotovoltaiske egenskaper uten å måtte håndtere den komplekse påvirkningen fra substratet6,7. Dessuten kan bulkmaterialet være gunstig på grunn av sin enkle fremstillingsprosedyre og relativt lave kostnad. Kobberledningene er koherert på YBCO-prøven med sølvpasta og danner fire sirkulære elektroder med en diameter på omtrent 1 mm. Avstanden mellom de to spenningselektrodene er omtrent 5 mm. IV-karakteristikkene til prøven ble målt ved hjelp av vibrasjonsprøvemagnetometeret (VersaLab, Quantum Design) med et kvartskrystallvindu. Standard firetrådsmetode ble brukt for å oppnå IV-kurvene. De relative posisjonene til elektrodene og laserpunktet er vist i figur 1i.

Slik siterer du denne artikkelen: Yang, F. et al. Opprinnelsen til fotovoltaisk effekt i superledende YBa2Cu3O6.96 keramikk. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG og Testardi, LR Symmetri-forbudte laserinduserte spenninger i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP og Dong, SY Opprinnelsen til det anomale fotovoltaiske signalet i Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR og Wang, GW. Måling av laserinduserte spenninger i superledende Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Transiente laserinduserte spenninger i romtemperaturfilmer av YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS og Zheng, JP. Anomal fotovoltaisk respons i YBa₂Cu₃O₂. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenerert hullbærerinjeksjon til YBa2Cu3O7−x i en oksidheterostruktur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Fotoemisjonsstudie av YBa2Cu3Oy-tynne filmer under lysbelysning. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Fotovoltaisk effekt av YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunksjon glødet i ulikt oksygenpartialtrykk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. To-gap-struktur i Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkeltkrystaller. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. og Mihailovic, D. Kvasipartikkelrelaksasjonsdynamikk i superledere med forskjellige gapstrukturer: Teori og eksperimenter på YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ og Shen, BG. Likeretteregenskaper til YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunksjonen. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL og Tanner, DB. Eksitonisk absorpsjon og superledning i YBa₂Cu₃O₂-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ og Stucky, G. Transient fotoindusert konduktivitet i halvledende enkeltkrystaller av YBa2Cu3O6.3: søk etter fotoindusert metallisk tilstand og etter fotoindusert superledning. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Tunneling-modell av den superledende nærhetseffekten. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Superledende nærhetseffekt undersøkt på en mesoskopisk lengdeskala. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. og Manske, D. Nærhetseffekt med ikke-sentrosymmetriske superledere. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Sterk superledende nærhetseffekt i Pb-Bi2Te3 hybridstrukturer. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS og Pearson, GL. En ny silisium pn-overgangsfotocelle for å konvertere solstråling til elektrisk kraft. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Forurensningers effekter på den superledende koherenslengden i Zn- eller Ni-dopede YBa2Cu3O6.9 enkeltkrystaller. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistens av utvinnede YBa2Cu3Oy-enkeltkrystaller i et bredt dopingområde: anomal hulldopingsavhengighet av koherenslengden. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD og Cooper, JR. Systematikk i den termoelektriske kraften til oksider med høy Tg. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Bærebærertetthetsavhengig momentumforskyvning av den koherente toppen og LO-fononmodusen i p-type høy-Tc superledere. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Hulreduksjon og elektronakkumulering i YBa2Cu3Oy-tynne filmer ved bruk av en elektrokjemisk teknikk: Bevis for en n-type metallisk tilstand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fysikk og kjemi for Schottky-barrierehøyden. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekter av dynamisk ekstern parbryting i superledende filmer. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Fotoindusert forsterkning av superledningsevne. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Vedvarende fotokonduktivitet i YBa2Cu3O6+x-filmer som en metode for fotodoping mot metalliske og superledende faser. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Ikke-lineær gitterdynamikk som grunnlag for forbedret superledning i YBa₂Cu₃O₃.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Lysindusert superledning i et stripeordnet kuprat. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK og Al-Nuaim, IA. Den temperaturfunksjonelle avhengigheten av VOC for en solcelle i forhold til dens effektivitet (ny tilnærming). Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM og Anderson, WA Temperatureffekter i Schottky-barriere silisiumsolceller. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturavhengighet for fotovoltaiske enhetsparametre for polymer-fulleren solceller under driftsforhold. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Dette arbeidet har blitt støttet av National Natural Science Foundation of China (stipend nr. 60571063) og Fundamental Research Projects of Henan-provinsen i Kina (stipend nr. 122300410231).

FY skrev teksten til artikkelen, og MYH forberedte YBCO-keramikkprøven. FY og MYH utførte eksperimentet og analyserte resultatene. FGC ledet prosjektet og den vitenskapelige tolkningen av dataene. Alle forfatterne gjennomgikk manuskriptet.

Dette verket er lisensiert under en Creative Commons Attribution 4.0 International License. Bildene eller annet tredjepartsmateriale i denne artikkelen er inkludert i artikkelens Creative Commons-lisens, med mindre annet er angitt i kredittlinjen. Hvis materialet ikke er inkludert under Creative Commons-lisensen, må brukere innhente tillatelse fra lisensinnehaveren for å reprodusere materialet. For å se en kopi av denne lisensen, besøk http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. og Chang, F. Opprinnelsen til den fotovoltaiske effekten i superledende YBa2Cu3O6.96-keramikk. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Ved å sende inn en kommentar godtar du å overholde våre vilkår og retningslinjer for fellesskapet. Hvis du finner noe støtende eller som ikke er i samsvar med våre vilkår eller retningslinjer, kan du flagge det som upassende.