Origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas supercondutoras de YBa₂Cu₃O₆,₉₆

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Relatamos um notável efeito fotovoltaico na cerâmica YBa₂Cu₃O₆,₉₆ (YBCO) entre 50 e 300 K, induzido por iluminação com laser azul, o qual está diretamente relacionado à supercondutividade do YBCO e à interface YBCO-eletrodo metálico. Observa-se uma inversão de polaridade na tensão de circuito aberto (Voc) e na corrente de curto-circuito (Isc) quando o YBCO sofre uma transição do estado supercondutor para o resistivo. Demonstramos a existência de um potencial elétrico na interface supercondutor-metal normal, que fornece a força de separação para os pares elétron-buraco fotoinduzidos. Esse potencial interfacial é direcionado do YBCO para o eletrodo metálico quando o YBCO está supercondutor e se inverte na direção oposta quando o YBCO se torna não supercondutor. A origem do potencial pode ser prontamente associada ao efeito de proximidade na interface metal-supercondutor quando o YBCO está supercondutor, e seu valor é estimado em ~10⁻⁸ mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm². A combinação de um material tipo p, YBCO, em estado normal, com um material tipo n, pasta de prata, forma uma junção quase-pn, responsável pelo comportamento fotovoltaico da cerâmica YBCO em altas temperaturas. Nossas descobertas podem abrir caminho para novas aplicações de dispositivos fotônicos-eletrônicos e lançar mais luz sobre o efeito de proximidade na interface supercondutor-metal.

A tensão fotoinduzida em supercondutores de alta temperatura foi relatada no início da década de 1990 e extensivamente investigada desde então, porém sua natureza e mecanismo permanecem incertos^1,2,3,4,5. Filmes finos de YBa₂Cu₃O_7-δ (YBCO)^6,7,8, em particular, são intensamente estudados na forma de células fotovoltaicas (PV) devido à sua banda proibida ajustável^{9,10,11,12,13}. No entanto, a alta resistência do substrato sempre leva a uma baixa eficiência de conversão do dispositivo e mascara as principais propriedades fotovoltaicas do YBCO⁸. Aqui, relatamos um notável efeito fotovoltaico induzido pela iluminação com laser azul (λ = 450 nm) em cerâmica de YBa₂Cu₃O_6,96 (YBCO) entre 50 e 300 K (T_c ~ 90 K). Mostramos que o efeito fotovoltaico está diretamente relacionado à supercondutividade do YBCO e à natureza da interface YBCO-eletrodo metálico. Há uma inversão de polaridade na tensão de circuito aberto (Voc) e na corrente de curto-circuito (Isc) quando o YBCO sofre uma transição da fase supercondutora para um estado resistivo. Propõe-se a existência de um potencial elétrico na interface supercondutor-metal normal, que fornece a força de separação para os pares elétron-buraco fotoinduzidos. Esse potencial de interface é direcionado do YBCO para o eletrodo metálico quando o YBCO está supercondutor e se inverte na direção oposta quando a amostra se torna não supercondutora. A origem do potencial pode estar naturalmente associada ao efeito de proximidade^14,15,16,17 na interface metal-supercondutor quando o YBCO está supercondutor, e seu valor é estimado em ~10⁻⁸ mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm². A combinação de um material tipo p, o YBCO, no estado normal, com um material tipo n, a pasta de prata, forma, muito provavelmente, uma junção quase-pn, que é responsável pelo comportamento fotovoltaico da cerâmica de YBCO em altas temperaturas. Nossas observações lançam mais luz sobre a origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas supercondutoras de YBCO de alta temperatura e abrem caminho para sua aplicação em dispositivos optoeletrônicos, como detectores passivos de luz rápidos, etc.

As figuras 1a–c mostram as características IV da amostra cerâmica de YBCO a 50 K. Sem iluminação, a tensão na amostra permanece em zero com a variação da corrente, como esperado para um material supercondutor. Um efeito fotovoltaico evidente surge quando o feixe de laser é direcionado para o cátodo (Fig. 1a): as curvas IV paralelas ao eixo I deslocam-se para baixo com o aumento da intensidade do laser. É evidente a presença de uma tensão fotoinduzida negativa mesmo na ausência de corrente (frequentemente denominada tensão de circuito aberto Voc). A inclinação zero da curva IV indica que a amostra permanece supercondutora sob iluminação a laser.

(a–c) e 300 K (e–g). Os valores de V(I) foram obtidos variando a corrente de −10 mA a +10 mA no vácuo. Apenas parte dos dados experimentais é apresentada para maior clareza. a, Características corrente-tensão do YBCO medidas com o ponto do laser posicionado no cátodo (i). Todas as curvas IV são linhas retas horizontais, indicando que a amostra ainda é supercondutora com a irradiação do laser. A curva se desloca para baixo com o aumento da intensidade do laser, indicando que existe um potencial negativo (Voc) entre os dois terminais de tensão, mesmo com corrente zero. As curvas IV permanecem inalteradas quando o laser é direcionado para o centro da amostra a 50 K (b) ou 300 K (f). A linha horizontal se desloca para cima à medida que o ânodo é iluminado (c). Um modelo esquemático da junção metal-supercondutor a 50 K é mostrado em d. As características corrente-tensão do YBCO no estado normal a 300 K, medidas com o feixe de laser apontado para o cátodo e o ânodo, são apresentadas em e e g, respectivamente. Em contraste com os resultados a 50 K, a inclinação não nula das retas indica que o YBCO está no estado normal; os valores de Voc variam com a intensidade da luz em direção oposta, indicando um mecanismo de separação de cargas diferente. Uma possível estrutura de interface a 300 K é representada em hj. A imagem real da amostra com os terminais.

O YBCO rico em oxigênio, em estado supercondutor, pode absorver quase todo o espectro da luz solar devido à sua pequena diferença de energia (Eg)9,10, criando assim pares elétron-buraco (e–h). Para produzir uma tensão de circuito aberto Voc pela absorção de fótons, é necessário separar espacialmente os pares e–h fotogerados antes que a recombinação ocorra18. O Voc negativo, em relação ao cátodo e ao ânodo, conforme indicado na Fig. 1i, sugere a existência de um potencial elétrico na interface metal-supercondutor, que direciona os elétrons para o ânodo e os buracos para o cátodo. Nesse caso, também deve haver um potencial apontando do supercondutor para o eletrodo metálico no ânodo. Consequentemente, um Voc positivo seria obtido se a área da amostra próxima ao ânodo fosse iluminada. Além disso, não devem existir tensões fotoinduzidas quando o feixe de laser estiver direcionado para áreas distantes dos eletrodos. Isso certamente ocorre, como pode ser visto nas Fig. 1b e 1c!.

Quando o feixe de luz se move do eletrodo do cátodo para o centro da amostra (a cerca de 1,25 mm das interfaces), nenhuma variação nas curvas IV e nenhuma Voc é observada com o aumento da intensidade do laser até o valor máximo disponível (Fig. 1b). Naturalmente, esse resultado pode ser atribuído à vida útil limitada dos portadores fotoinduzidos e à ausência de força de separação na amostra. Pares elétron-buraco podem ser criados sempre que a amostra é iluminada, mas a maioria dos pares e-h será aniquilada e nenhum efeito fotovoltaico será observado se o feixe de laser incidir em áreas distantes de qualquer um dos eletrodos. Movendo o feixe de laser para os eletrodos do ânodo, as curvas IV paralelas ao eixo I se movem para cima com o aumento da intensidade do laser (Fig. 1c). Um campo elétrico interno semelhante existe na junção metal-supercondutor no ânodo. No entanto, o eletrodo metálico está conectado ao terminal positivo do sistema de teste desta vez. Os buracos produzidos pelo laser são direcionados para o terminal do ânodo e, portanto, uma Voc positiva é observada. Os resultados aqui apresentados fornecem fortes evidências de que existe, de fato, um potencial de interface apontando do supercondutor para o eletrodo metálico.

O efeito fotovoltaico em cerâmicas de YBa2Cu3O6,96 a 300 K é mostrado na Fig. 1e–g. Sem iluminação, a curva IV da amostra é uma linha reta que cruza a origem. Essa linha reta se desloca para cima, paralela à original, com o aumento da intensidade do laser que incide sobre os terminais do cátodo (Fig. 1e). Existem dois casos limite de interesse para um dispositivo fotovoltaico. A condição de curto-circuito ocorre quando V = 0. A corrente nesse caso é denominada corrente de curto-circuito (Isc). O segundo caso limite é a condição de circuito aberto (Voc), que ocorre quando R→∞ ou a corrente é zero. A Figura 1e mostra claramente que Voc é positivo e aumenta com o aumento da intensidade da luz, em contraste com o resultado obtido a 50 K; enquanto um valor negativo de Isc é observado, aumentando em magnitude com a iluminação, um comportamento típico de células solares convencionais.

De forma semelhante, quando o feixe de laser é direcionado para áreas distantes dos eletrodos, a curva V(I) torna-se independente da intensidade do laser e nenhum efeito fotovoltaico é observado (Fig. 1f). Similarmente à medição a 50 K, as curvas IV deslocam-se na direção oposta à medida que o eletrodo anódico é irradiado (Fig. 1g). Todos esses resultados obtidos para o sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K, com irradiação a laser em diferentes posições da amostra, são consistentes com um potencial de interface oposto ao observado a 50 K.

A maioria dos elétrons se condensa em pares de Cooper no YBCO supercondutor abaixo de sua temperatura de transição Tc. Enquanto isso, no eletrodo metálico, todos os elétrons permanecem na forma singular. Há um grande gradiente de densidade tanto para elétrons singulares quanto para pares de Cooper na vizinhança da interface metal-supercondutor. Os elétrons singulares, portadores majoritários no material metálico, difundem-se para a região supercondutora, enquanto os pares de Cooper, portadores majoritários na região do YBCO, difundem-se para a região metálica. À medida que os pares de Cooper, carregando mais cargas e com maior mobilidade do que os elétrons singulares, difundem-se do YBCO para a região metálica, átomos carregados positivamente permanecem, resultando em um campo elétrico na região de carga espacial. A direção desse campo elétrico é mostrada no diagrama esquemático da Figura 1d. A iluminação por fótons incidentes perto da região de carga espacial pode criar pares elétron-buraco que serão separados e varridos, produzindo uma fotocorrente na direção da polarização reversa. Assim que os elétrons saem do campo elétrico interno, eles se condensam em pares e fluem para o outro eletrodo sem resistência. Neste caso, a Voc é oposta à polaridade predefinida e exibe um valor negativo quando o feixe de laser aponta para a área ao redor do eletrodo negativo. A partir do valor de Voc, o potencial através da interface pode ser estimado: a distância entre os dois terminais de tensão, d, é de aproximadamente 5 × 10−3 m; a espessura da interface metal-supercondutor, di, deve ser da mesma ordem de grandeza que o comprimento de coerência do supercondutor YBCO (~1 nm)19,20; considerando o valor de Voc = 0,03 mV, o potencial Vms na interface metal-supercondutor é avaliado em aproximadamente 10−11 V a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm2, usando a equação,

Gostaríamos de enfatizar aqui que a tensão fotoinduzida não pode ser explicada pelo efeito fototérmico. Foi estabelecido experimentalmente que o coeficiente de Seebeck do supercondutor YBCO é Ss = 0,21. O coeficiente de Seebeck para fios condutores de cobre está na faixa de SCu = 0,34–1,15 μV/K³. A temperatura do fio de cobre no ponto de incidência do laser pode ser elevada em apenas 0,06 K com a intensidade máxima do laser disponível a 50 K. Isso poderia produzir um potencial termoelétrico de 6,9 ​​× 10⁻⁸ V, que é três ordens de magnitude menor que a Voc obtida na Figura 1(a). É evidente que o efeito termoelétrico é muito pequeno para explicar os resultados experimentais. De fato, a variação de temperatura devido à irradiação do laser desaparece em menos de um minuto, de modo que a contribuição do efeito térmico pode ser seguramente ignorada.

Este efeito fotovoltaico do YBCO à temperatura ambiente revela que um mecanismo de separação de cargas diferente está envolvido. O YBCO supercondutor em estado normal é um material do tipo p com lacunas como portador de carga22,23, enquanto a pasta de prata metálica possui características de um material do tipo n. Similarmente às junções pn, a difusão de elétrons na pasta de prata e de lacunas na cerâmica de YBCO formará um campo elétrico interno apontando para a cerâmica de YBCO na interface (Fig. 1h). É esse campo interno que fornece a força de separação e leva a uma Voc positiva e uma Isc negativa para o sistema YBCO-pasta de prata à temperatura ambiente, como mostrado na Fig. 1e. Alternativamente, o Ag-YBCO poderia formar uma junção Schottky do tipo p, que também leva a um potencial de interface com a mesma polaridade do modelo apresentado acima24.

Para investigar o processo detalhado de evolução das propriedades fotovoltaicas durante a transição supercondutora do YBCO, curvas IV da amostra a 80 K foram medidas com intensidades de laser selecionadas iluminando o eletrodo do cátodo (Fig. 2). Sem irradiação a laser, a tensão na amostra permanece em zero, independentemente da corrente, indicando o estado supercondutor da amostra a 80 K (Fig. 2a). De forma semelhante aos dados obtidos a 50 K, as curvas IV paralelas ao eixo I deslocam-se para baixo com o aumento da intensidade do laser até atingir um valor crítico Pc. Acima dessa intensidade crítica de laser (Pc), o supercondutor sofre uma transição de uma fase supercondutora para uma fase resistiva; a tensão começa a aumentar com a corrente devido ao surgimento de resistência no supercondutor. Como resultado, a curva IV começa a interceptar os eixos I e V, levando inicialmente a uma Voc negativa e uma Isc positiva. Nesse momento, a amostra parece estar em um estado especial no qual a polaridade de Voc e Isc é extremamente sensível à intensidade da luz; Com um pequeno aumento na intensidade da luz, Isc passa de positivo para negativo e Voc de negativo para positivo, passando pela origem (a alta sensibilidade das propriedades fotovoltaicas, particularmente o valor de Isc, à iluminação pode ser vista mais claramente na Fig. 2b). Na intensidade máxima do laser disponível, as curvas IV tendem a ser paralelas entre si, indicando o estado normal da amostra de YBCO.

O centro do ponto do laser está posicionado ao redor dos eletrodos do cátodo (ver Fig. 1i). a, Curvas IV do YBCO irradiado com diferentes intensidades de laser. b (acima), Dependência da intensidade do laser na tensão de circuito aberto Voc e na corrente de curto-circuito Isc. Os valores de Isc não podem ser obtidos em baixa intensidade de luz (< 110 mW/cm²) porque as curvas IV são paralelas ao eixo I quando a amostra está no estado supercondutor. b (abaixo), resistência diferencial em função da intensidade do laser.

A dependência da intensidade do laser em relação a Voc e Isc a 80 K é mostrada na Fig. 2b (superior). As propriedades fotovoltaicas podem ser discutidas em três regiões de intensidade de luz. A primeira região situa-se entre 0 e Pc, na qual o YBCO é supercondutor, Voc é negativo e diminui (o valor absoluto aumenta) com a intensidade da luz, atingindo um mínimo em Pc. A segunda região vai de Pc até outra intensidade crítica P0, na qual Voc aumenta enquanto Isc diminui com o aumento da intensidade da luz, e ambos atingem zero em P0. A terceira região situa-se acima de P0 até que o estado normal do YBCO seja alcançado. Embora Voc e Isc variem com a intensidade da luz da mesma forma que na região 2, eles apresentam polaridade oposta acima da intensidade crítica P0. A importância de P0 reside no fato de que não há efeito fotovoltaico e o mecanismo de separação de cargas muda qualitativamente neste ponto específico. A amostra de YBCO deixa de ser supercondutora nesta faixa de intensidade de luz, mas o estado normal ainda não foi alcançado.

Claramente, as características fotovoltaicas do sistema estão intimamente relacionadas à supercondutividade do YBCO e à sua transição supercondutora. A resistência diferencial, dV/dI, do YBCO é mostrada na Fig. 2b (parte inferior) em função da intensidade do laser. Como mencionado anteriormente, o potencial elétrico interno na interface, devido à difusão de pares de Cooper, aponta do supercondutor para o metal. De forma semelhante ao observado a 50 K, o efeito fotovoltaico é intensificado com o aumento da intensidade do laser de 0 a Pc. Quando a intensidade do laser atinge um valor ligeiramente acima de Pc, a curva IV começa a inclinar-se e a resistência da amostra começa a aparecer, mas a polaridade do potencial da interface ainda não se altera. O efeito da excitação óptica na supercondutividade foi investigado na região do visível e do infravermelho próximo. Embora o processo básico seja a quebra dos pares de Cooper e a destruição da supercondutividade25,26, em alguns casos a transição supercondutiva pode ser intensificada27,28,29, e novas fases de supercondutividade podem até ser induzidas30. A ausência de supercondutividade em Pc pode ser atribuída à quebra de pares fotoinduzida. No ponto P0, o potencial através da interface torna-se zero, indicando que a densidade de carga em ambos os lados da interface atinge o mesmo nível sob essa intensidade específica de iluminação. Um aumento adicional na intensidade do laser resulta na destruição de mais pares de Cooper, e o YBCO é gradualmente transformado de volta em um material do tipo p. Em vez da difusão de elétrons e pares de Cooper, a característica da interface passa a ser determinada pela difusão de elétrons e lacunas, o que leva a uma inversão de polaridade do campo elétrico na interface e, consequentemente, a uma Voc positiva (compare Fig. 1d,h). Em intensidades de laser muito altas, a resistência diferencial do YBCO satura para um valor correspondente ao estado normal e tanto Voc quanto Isc tendem a variar linearmente com a intensidade do laser (Fig. 2b). Essa observação revela que a irradiação a laser no YBCO em estado normal não altera mais sua resistividade nem as características da interface supercondutor-metal, mas apenas aumenta a concentração de pares elétron-buraco.

Para investigar o efeito da temperatura nas propriedades fotovoltaicas, o sistema metal-supercondutor foi irradiado no cátodo com um laser azul de intensidade 502 mW/cm². As curvas IV obtidas em temperaturas selecionadas entre 50 e 300 K são apresentadas na Figura 3a. A tensão de circuito aberto (Voc), a corrente de curto-circuito (Isc) e a resistência diferencial podem então ser obtidas a partir dessas curvas IV e são mostradas na Figura 3b. Sem iluminação, todas as curvas IV medidas em diferentes temperaturas passam pela origem, como esperado (inserção da Figura 3a). As características IV mudam drasticamente com o aumento da temperatura quando o sistema é iluminado por um feixe de laser relativamente forte (502 mW/cm²). Em baixas temperaturas, as curvas IV são linhas retas paralelas ao eixo I com valores negativos de Voc. Essa curva se desloca para cima com o aumento da temperatura e gradualmente se transforma em uma linha com inclinação diferente de zero em uma temperatura crítica Tcp (Figura 3a (superior)). Parece que todas as curvas características IV giram em torno de um ponto no terceiro quadrante. Voc aumenta de um valor negativo para um positivo, enquanto Isc diminui de um valor positivo para um negativo. Acima da temperatura de transição supercondutora original Tc do YBCO, a curva IV se comporta de maneira bastante diferente com a temperatura (parte inferior da Fig. 3a). Primeiramente, o centro de rotação das curvas IV se desloca para o primeiro quadrante. Em segundo lugar, Voc continua diminuindo e Isc aumentando com o aumento da temperatura (parte superior da Fig. 3b). Em terceiro lugar, a inclinação das curvas IV aumenta linearmente com a temperatura, resultando em um coeficiente de temperatura de resistência positivo para o YBCO (parte inferior da Fig. 3b).

Dependência da temperatura nas características fotovoltaicas do sistema de pasta YBCO-Ag sob iluminação a laser de 502 mW/cm².

O centro do ponto do laser está posicionado ao redor dos eletrodos do cátodo (ver Fig. 1i). a, Curvas IV obtidas de 50 a 90 K (acima) e de 100 a 300 K (abaixo) com incrementos de temperatura de 5 K e 20 K, respectivamente. O detalhe a mostra as características IV em diversas temperaturas no escuro. Todas as curvas cruzam o ponto de origem. b, Tensão de circuito aberto Voc e corrente de curto-circuito Isc (acima) e a resistência diferencial, dV/dI, do YBCO (abaixo) em função da temperatura. A temperatura de transição supercondutora de resistência zero Tcp não é apresentada por ser muito próxima de Tc0.

Três temperaturas críticas podem ser identificadas na Figura 3b: Tcp, acima da qual o YBCO deixa de ser supercondutor; Tc0, na qual tanto Voc quanto Isc se tornam zero; e Tc, a temperatura original de início da transição supercondutora do YBCO sem irradiação a laser. Abaixo de Tcp ~ 55 K, o YBCO irradiado a laser encontra-se em estado supercondutor com uma concentração relativamente alta de pares de Cooper. O efeito da irradiação a laser é reduzir a temperatura de transição supercondutora de resistência zero de 89 K para ~55 K (parte inferior da Figura 3b) pela redução da concentração de pares de Cooper, além de produzir tensão e corrente fotovoltaicas. O aumento da temperatura também rompe os pares de Cooper, levando a um potencial mais baixo na interface. Consequentemente, o valor absoluto de Voc diminui, mesmo com a mesma intensidade de iluminação a laser. O potencial da interface torna-se cada vez menor com o aumento da temperatura, atingindo zero em Tc0. Não há efeito fotovoltaico neste ponto específico, pois não há campo interno para separar os pares elétron-buraco fotoinduzidos. Uma inversão de polaridade do potencial ocorre acima dessa temperatura crítica, pois a densidade de carga livre na pasta de prata é maior do que no YBCO, que é gradualmente transferido de volta para um material do tipo p. Ressaltamos que a inversão de polaridade de Voc e Isc ocorre imediatamente após a transição supercondutora de resistência zero, independentemente da causa da transição. Essa observação revela claramente, pela primeira vez, a correlação entre a supercondutividade e os efeitos fotovoltaicos associados ao potencial da interface metal-supercondutor. A natureza desse potencial na interface supercondutor-metal normal tem sido foco de pesquisa nas últimas décadas, mas muitas questões ainda permanecem sem resposta. A medição do efeito fotovoltaico pode se mostrar um método eficaz para explorar os detalhes (como sua intensidade e polaridade, etc.) desse importante potencial e, portanto, elucidar o efeito de proximidade supercondutor em altas temperaturas.

Um aumento adicional na temperatura de Tc0 para Tc leva a uma menor concentração de pares de Cooper e a um aumento no potencial da interface e, consequentemente, a um Voc maior. Em Tc, a concentração de pares de Cooper torna-se zero e o potencial interno na interface atinge um máximo, resultando em Voc máximo e Isc mínimo. O rápido aumento de Voc e Isc (valor absoluto) nessa faixa de temperatura corresponde à transição supercondutora, que é ampliada de ΔT ~ 3 K para ~34 K pela irradiação a laser com intensidade de 502 mW/cm² (Fig. 3b). Nos estados normais acima de Tc, a tensão de circuito aberto Voc diminui com a temperatura (parte superior da Fig. 3b), semelhante ao comportamento linear de Voc para células solares normais baseadas em junções pn31,32,33. Embora a taxa de variação de Voc com a temperatura (−dVoc/dT), que depende fortemente da intensidade do laser, seja muito menor do que a de células solares convencionais, o coeficiente de temperatura de Voc para a junção YBCO-Ag tem a mesma ordem de grandeza que o das células solares. A corrente de fuga de uma junção pn em um dispositivo de célula solar convencional aumenta com o aumento da temperatura, levando a uma diminuição de Voc com o aumento da temperatura. As curvas IV lineares observadas para este sistema Ag-supercondutor, devido primeiramente ao potencial de interface muito pequeno e, em segundo lugar, à conexão em série das duas heterojunções, dificultam a determinação da corrente de fuga. No entanto, parece muito provável que a mesma dependência da corrente de fuga com a temperatura seja responsável pelo comportamento de Voc observado em nosso experimento. De acordo com a definição, Isc é a corrente necessária para produzir uma tensão negativa que compense Voc, de modo que a tensão total seja zero. À medida que a temperatura aumenta, Voc diminui, de forma que menos corrente é necessária para produzir a tensão negativa. Além disso, a resistência do YBCO aumenta linearmente com a temperatura acima de Tc (parte inferior da Fig. 3b), o que também contribui para o menor valor absoluto de Isc em altas temperaturas.

Note que os resultados apresentados nas Figuras 2 e 3 foram obtidos por irradiação a laser na área ao redor dos eletrodos do cátodo. As medições também foram repetidas com o ponto do laser posicionado no ânodo, e características IV e propriedades fotovoltaicas semelhantes foram observadas, exceto pela inversão da polaridade de Voc e Isc neste caso. Todos esses dados levam a um mecanismo para o efeito fotovoltaico, que está intimamente relacionado à interface supercondutor-metal.

Em resumo, as características IV do sistema de pasta supercondutora YBCO-Ag irradiada por laser foram medidas em função da temperatura e da intensidade do laser. Um notável efeito fotovoltaico foi observado na faixa de temperatura de 50 a 300 K. Constatou-se que as propriedades fotovoltaicas estão fortemente correlacionadas com a supercondutividade da cerâmica YBCO. Uma inversão de polaridade de Voc e Isc ocorre imediatamente após a transição fotoinduzida de supercondutor para não supercondutor. A dependência da temperatura de Voc e Isc, medida com intensidade de laser fixa, também mostra uma inversão de polaridade distinta em uma temperatura crítica acima da qual a amostra se torna resistiva. Ao posicionar o ponto do laser em diferentes partes da amostra, demonstramos que existe um potencial elétrico na interface, que fornece a força de separação para os pares elétron-buraco fotoinduzidos. Esse potencial de interface se direciona do YBCO para o eletrodo metálico quando o YBCO está supercondutor e se inverte na direção oposta quando a amostra se torna não supercondutora. A origem do potencial pode estar naturalmente associada ao efeito de proximidade na interface metal-supercondutor quando o YBCO é supercondutor, sendo estimado em ~10⁻⁸ mV a 50 K com uma intensidade de laser de 502 mW/cm². O contato de um material tipo p, YBCO, em estado normal, com um material tipo n, pasta de prata, forma uma junção quase-pn, responsável pelo comportamento fotovoltaico da cerâmica de YBCO em altas temperaturas. As observações acima esclarecem o efeito fotovoltaico em cerâmicas supercondutoras de YBCO em altas temperaturas e abrem caminho para novas aplicações em dispositivos optoeletrônicos, como detectores passivos de luz rápidos e detectores de fóton único.

Os experimentos de efeito fotovoltaico foram realizados em uma amostra cerâmica de YBCO com 0,52 mm de espessura e formato retangular de 8,64 × 2,26 mm², iluminada por um laser azul de onda contínua (λ = 450 nm) com um raio de 1,25 mm. O uso de uma amostra maciça, em vez de uma amostra de filme fino, permite estudar as propriedades fotovoltaicas do supercondutor sem a influência complexa do substrato⁶,⁷. Além disso, o material maciço pode ser vantajoso devido ao seu processo de preparação simples e custo relativamente baixo. Os fios condutores de cobre foram fixados à amostra de YBCO com pasta de prata, formando quatro eletrodos circulares com cerca de 1 mm de diâmetro. A distância entre os eletrodos de tensão é de aproximadamente 5 mm. As características IV da amostra foram medidas utilizando um magnetômetro de amostra vibratória (VersaLab, Quantum Design) com uma janela de cristal de quartzo. O método padrão de quatro fios foi empregado para obter as curvas IV. As posições relativas dos eletrodos e do ponto do laser são mostradas na Figura 1i.

Como citar este artigo: Yang, F. et al. Origem do efeito fotovoltaico em cerâmicas supercondutoras YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

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Este trabalho foi financiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Processo nº 60571063) e pelos Projetos de Pesquisa Fundamental da Província de Henan, China (Processo nº 122300410231).

FY redigiu o texto do artigo e MYH preparou a amostra de cerâmica YBCO. FY e MYH realizaram o experimento e analisaram os resultados. FGC liderou o projeto e a interpretação científica dos dados. Todos os autores revisaram o manuscrito.

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