Originea efectului fotovoltaic în ceramica supraconductoare YBa2Cu3O6.96

Vă mulțumim că ați vizitat nature.com. Folosiți o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS. Pentru a obține cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser mai recent (sau să dezactivați modul de compatibilitate în Internet Explorer). Între timp, pentru a asigura asistență continuă, afișăm site-ul fără stiluri și JavaScript.

Raportăm un efect fotovoltaic remarcabil în ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) între 50 și 300 K, indus de iluminarea cu laser albastru, care este direct legat de supraconductivitatea YBCO și de interfața YBCO-electrod metalic. Există o inversare a polarității pentru tensiunea de circuit deschis Voc și curentul de scurtcircuit Isc atunci când YBCO trece de la starea supraconductoare la starea rezistivă. Arătăm că există un potențial electric pe interfața supraconductor-metal normal, care furnizează forța de separare pentru perechile electron-gaură induse de foto. Acest potențial de interfață se direcționează de la YBCO către electrodul metalic atunci când YBCO este supraconductor și comută în direcția opusă atunci când YBCO devine nesupraconductor. Originea potențialului poate fi ușor asociată cu efectul de proximitate la interfața metal-supraconductor atunci când YBCO este supraconductor, iar valoarea sa este estimată la ~10–8 mV la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW/cm2. Combinarea unui material de tip p YBCO în stare normală cu o pastă de Ag de tip n formează o joncțiune cvasi-pn care este responsabilă pentru comportamentul fotovoltaic al ceramicii YBCO la temperaturi ridicate. Descoperirile noastre pot deschide calea către noi aplicații ale dispozitivelor fotono-electronice și pot oferi o mai bună înțelegere a efectului de proximitate la interfața supraconductor-metal.

Tensiunea fotoindusă în supraconductorii de temperatură înaltă a fost raportată la începutul anilor 1990 și investigată pe larg de atunci, însă natura și mecanismul său rămân neelucidate1,2,3,4,5. Peliculele subțiri de YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, în special, sunt studiate intens sub formă de celule fotovoltaice (PV) datorită decalajului energetic reglabil9,10,11,12,13. Cu toate acestea, rezistența ridicată a substratului duce întotdeauna la o eficiență de conversie scăzută a dispozitivului și maschează proprietățile fotovoltaice primare ale YBCO8. Aici raportăm un efect fotovoltaic remarcabil indus de iluminarea cu laser albastru (λ = 450 nm) în ceramica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) între 50 și 300 K (Tc ~ 90 K). Arătăm că efectul fotovoltaic este direct legat de supraconductivitatea YBCO și de natura interfeței YBCO-electrod metalic. Există o inversare a polarității pentru tensiunea de circuit deschis Voc și curentul de scurtcircuit Isc atunci când YBCO trece de la o fază supraconductoare la o stare rezistivă. Se propune existența unui potențial electric la interfața supraconductor-metal normal, care furnizează forța de separare pentru perechile electron-gaură induse de foto. Acest potențial de interfață se direcționează de la YBCO către electrodul metalic atunci când YBCO este supraconductor și comută în direcția opusă atunci când proba devine nesupraconductoare. Originea potențialului poate fi asociată în mod natural cu efectul de proximitate14,15,16,17 la interfața metal-supraconductor atunci când YBCO este supraconductor, iar valoarea sa este estimată la ~10−8 mV la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW/cm2. Combinarea unui material YBCO de tip p în stare normală cu un material de tip n, pasta de Ag, formează, cel mai probabil, o joncțiune cvasi-pn care este responsabilă pentru comportamentul fotovoltaic al ceramicii YBCO la temperaturi ridicate. Observațiile noastre au aruncat o lumină suplimentară asupra originii efectului fotovoltaic în ceramica YBCO supraconductoare la temperatură înaltă și deschid calea pentru aplicarea sa în dispozitive optoelectronice, cum ar fi detectoarele pasive rapide de lumină etc.

Figura 1a-c prezintă caracteristicile IV ale probei ceramice YBCO la 50 K. Fără iluminare luminoasă, tensiunea pe probe rămâne la zero odată cu schimbarea curentului, așa cum este de așteptat de la un material supraconductor. Un efect fotovoltaic evident apare atunci când fasciculul laser este îndreptat spre catod (Fig. 1a): curbele IV paralele cu axa I se deplasează în jos odată cu creșterea intensității laserului. Este evident că există o tensiune fotoindusă negativă chiar și fără curent (adesea numită tensiune în circuit deschis Voc). Panta zero a curbei IV indică faptul că proba este încă supraconductoare sub iluminare laser.

(a–c) și 300 K (e–g). Valorile lui V(I) au fost obținute prin variația curentului de la −10 mA la +10 mA în vid. Doar o parte din datele experimentale sunt prezentate pentru claritate. a, Caracteristicile curent-tensiune ale YBCO măsurate cu un punct laser poziționat la catod (i). Toate curbele IV sunt linii drepte orizontale, indicând faptul că proba este încă supraconductoare cu iradiere laser. Curba se deplasează în jos odată cu creșterea intensității laserului, indicând faptul că există un potențial negativ (Voc) între cele două borne de tensiune chiar și cu curent zero. Curbele IV rămân neschimbate atunci când laserul este îndreptat spre centrul probei la 50 K (b) sau 300 K (f). Linia orizontală se deplasează în sus pe măsură ce anodul este iluminat (c). Un model schematic al joncțiunii metal-supraconductor la 50 K este prezentat în d. Caracteristicile curent-tensiune ale YBCO în stare normală la 300 K măsurate cu fasciculul laser îndreptat spre catod și anod sunt date în e și respectiv g. Spre deosebire de rezultatele la 50 K, panta diferită de zero a liniilor drepte indică faptul că YBCO se află în stare normală; valorile Voc variază în funcție de intensitatea luminii în direcția opusă, indicând un mecanism diferit de separare a sarcinilor. O posibilă structură a interfeței la 300 K este reprezentată în hj. Imaginea reală a probei cu electrozi.

YBCO bogat în oxigen, în stare supraconductoare, poate absorbi aproape întregul spectru al luminii solare datorită decalajului său energetic foarte mic (Eg)9,10, creând astfel perechi electron-gol (e-h). Pentru a produce o tensiune în circuit deschis Voc prin absorbția fotonilor, este necesar să se separe spațial perechile eh generate foto înainte de a avea loc recombinarea18. Voc negativ, relativ la catod și anod, așa cum este indicat în Fig. 1i, sugerează că există un potențial electric pe interfața metal-supraconductor, care mătură electronii către anod și golurile către catod. Dacă acesta este cazul, ar trebui să existe și un potențial îndreptat de la supraconductor către electrodul metalic de la anod. În consecință, s-ar obține un Voc pozitiv dacă zona eșantionului din apropierea anodului este iluminată. În plus, nu ar trebui să existe tensiuni fotoinduse atunci când spotul laser este îndreptat către zone îndepărtate de electrozi. Acesta este cu siguranță cazul, așa cum se poate observa din Fig. 1b,c!.

Când punctul luminos se deplasează de la electrodul catodic spre centrul probei (la aproximativ 1,25 mm distanță de interfețe), nu se poate observa nicio variație a curbelor IV și niciun Voc odată cu creșterea intensității laserului până la valoarea maximă disponibilă (Fig. 1b). În mod firesc, acest rezultat poate fi atribuit duratei de viață limitate a purtătorilor fotoinduși și lipsei forței de separare din probă. Perechile electron-gaură pot fi create ori de câte ori proba este iluminată, dar majoritatea perechilor e-h vor fi anihilate și nu se observă niciun efect fotovoltaic dacă punctul laser cade pe zone îndepărtate de oricare dintre electrozi. Deplasând punctul laser către electrozii anodici, curbele IV paralele cu axa I se deplasează în sus odată cu creșterea intensității laserului (Fig. 1c). Un câmp electric încorporat similar există în joncțiunea metal-supraconductor de la anod. Cu toate acestea, electrodul metalic se conectează de data aceasta la cablul pozitiv al sistemului de testare. Găurile produse de laser sunt împinse către cablul anodic și astfel se observă un Voc pozitiv. Rezultatele prezentate aici oferă dovezi puternice că există într-adevăr un potențial de interfață care îndreaptă de la supraconductor la electrodul metalic.

Efectul fotovoltaic în ceramica YBa2Cu3O6.96 la 300 K este prezentat în Fig. 1e–g. Fără iluminare, curba IV a probei este o linie dreaptă care traversează originea. Această linie dreaptă se deplasează în sus paralel cu cea originală, odată cu creșterea intensității laserului care iradiază la catod (Fig. 1e). Există două cazuri limitative de interes pentru un dispozitiv fotovoltaic. Condiția de scurtcircuit apare atunci când V = 0. Curentul în acest caz este denumit curent de scurtcircuit (Isc). Al doilea caz limitativ este condiția de circuit deschis (Voc), care apare atunci când R→∞ sau curentul este zero. Figura 1e arată clar că Voc este pozitiv și crește odată cu creșterea intensității luminii, spre deosebire de rezultatul obținut la 50 K; în timp ce un Isc negativ se observă că crește în magnitudine odată cu iluminarea, un comportament tipic al celulelor solare normale.

În mod similar, atunci când fasciculul laser este îndreptat spre zone îndepărtate de electrozi, curba V(I) este independentă de intensitatea laserului și nu apare niciun efect fotovoltaic (Fig. 1f). Similar măsurătorii la 50 K, curbele IV se deplasează în direcția opusă pe măsură ce electrodul anodic este iradiat (Fig. 1g). Toate aceste rezultate obținute pentru acest sistem de pastă YBCO-Ag la 300 K cu laser iradiat în diferite poziții ale probei sunt în concordanță cu un potențial de interfață opus celui observat la 50 K.

Majoritatea electronilor se condensează în perechi Cooper în YBCO supraconductor sub temperatura sa de tranziție Tc. În electrodul metalic, toți electronii rămân în formă singulară. Există un gradient de densitate mare atât pentru electronii singulari, cât și pentru perechile Cooper în vecinătatea interfeței metal-supraconductor. Electronii singulari purtători majoritari din materialul metalic vor difuza în regiunea supraconductorului, în timp ce perechile Cooper purtători majoritari din regiunea YBCO vor difuza în regiunea metalică. Deoarece perechile Cooper care poartă mai multe sarcini și au o mobilitate mai mare decât electronii singulari difuzează din YBCO în regiunea metalică, atomii încărcați pozitiv sunt lăsați în urmă, rezultând un câmp electric în regiunea sarcinii spațiale. Direcția acestui câmp electric este prezentată în diagrama schematică Fig. 1d. Iluminarea fotonică incidentă în apropierea regiunii sarcinii spațiale poate crea perechi care vor fi separate și măturate, producând un fotocurent în direcția de polarizare inversă. De îndată ce electronii ies din câmpul electric încorporat, aceștia sunt condensați în perechi și curg către celălalt electrod fără rezistență. În acest caz, Voc este opus polarității prestabilite și afișează o valoare negativă atunci când fasciculul laser este îndreptat spre zona din jurul electrodului negativ. Din valoarea lui Voc, se poate estima potențialul la interfață: distanța dintre cele două conductoare de tensiune d este ~5 × 10−3 m, grosimea interfeței metal-supraconductor, di, ar trebui să fie de același ordin de mărime ca lungimea de coerență a supraconductorului YBCO (~1 nm)19,20, luând valoarea lui Voc = 0,03 mV, potențialul Vms la interfața metal-supraconductor este evaluat a fi ~10−11 V la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW/cm2, folosind ecuația,

Dorim să subliniem aici că tensiunea fotoindusă nu poate fi explicată prin efectul fototermic. S-a stabilit experimental că coeficientul Seebeck al supraconductorului YBCO este Ss = 021. Coeficientul Seebeck pentru firele de cupru este în intervalul SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperatura firului de cupru la punctul laser poate fi crescută cu o cantitate mică de 0,06 K, cu o intensitate maximă a laserului disponibilă la 50 K. Acest lucru ar putea produce un potențial termoelectric de 6,9 ​​× 10−8 V, care este cu trei ordine de mărime mai mic decât Voc obținut în Fig. 1 (a). Este evident că efectul termoelectric este prea mic pentru a explica rezultatele experimentale. De fapt, variația temperaturii datorată iradierii cu laser ar dispărea în mai puțin de un minut, astfel încât contribuția efectului termic poate fi ignorată în siguranță.

Acest efect fotovoltaic al YBCO la temperatura camerei relevă faptul că aici este implicat un mecanism diferit de separare a sarcinii. YBCO supraconductor în stare normală este un material de tip p cu goluri ca purtători de sarcină22,23, în timp ce pasta metalică de Ag are caracteristicile unui material de tip n. Similar joncțiunilor pn, difuzia electronilor în pasta de argint și a golurilor din ceramica YBCO va forma un câmp electric intern care indică ceramica YBCO la interfață (Fig. 1h). Acest câmp intern furnizează forța de separare și duce la un Voc pozitiv și un Isc negativ pentru sistemul YBCO-pastă de Ag la temperatura camerei, așa cum se arată în Fig. 1e. Alternativ, Ag-YBCO ar putea forma o joncțiune Schottky de tip p, care duce, de asemenea, la un potențial de interfață cu aceeași polaritate ca în modelul prezentat mai sus24.

Pentru a investiga procesul detaliat de evoluție a proprietăților fotovoltaice în timpul tranziției supraconductoare a YBCO, au fost măsurate curbele IV ale probei la 80 K cu intensități laser selectate care iluminează electrodul catodic (Fig. 2). Fără iradiere cu laser, tensiunea pe probe se menține la zero indiferent de curent, indicând starea supraconductoare a probei la 80 K (Fig. 2a). Similar datelor obținute la 50 K, curbele IV paralele cu axa I se deplasează în jos odată cu creșterea intensității laserului până când se atinge o valoare critică Pc. Peste această intensitate critică a laserului (Pc), supraconductorul trece printr-o tranziție de la o fază supraconductoare la o fază rezistivă; tensiunea începe să crească odată cu curentul datorită apariției rezistenței în supraconductor. Ca rezultat, curba IV începe să se intersecteze cu axa I și axa V, ducând inițial la un Voc negativ și un Isc pozitiv. Acum, proba pare să se afle într-o stare specială în care polaritatea Voc și Isc este extrem de sensibilă la intensitatea luminii; Cu o creștere foarte mică a intensității luminoase, Isc este convertit din valoare pozitivă în negativă, iar Voc din valoare negativă în pozitivă, trecând de origine (sensibilitatea ridicată a proprietăților fotovoltaice, în special valoarea lui Isc, la iluminarea luminoasă poate fi observată mai clar în Fig. 2b). La cea mai mare intensitate laser disponibilă, curbele IV sunt menite să fie paralele între ele, semnificând starea normală a probei YBCO.

Centrul spotului laser este poziționat în jurul electrozilor catodici (vezi Fig. 1i). a, Curbe IV ale YBCO iradiat cu diferite intensități laser. b (sus), Dependența intensității laserului de tensiunea de circuit deschis Voc și curentul de scurtcircuit Isc. Valorile Isc nu pot fi obținute la intensitate luminoasă scăzută (< 110 mW/cm2) deoarece curbele IV sunt paralele cu axa I atunci când proba este în stare supraconductoare. b (jos), rezistență diferențială în funcție de intensitatea laserului.

Dependența Voc și Isc de intensitatea laserului la 80 K este prezentată în Fig. 2b (sus). Proprietățile fotovoltaice pot fi discutate în trei regiuni de intensitate a luminii. Prima regiune este între 0 și Pc, în care YBCO este supraconductor, Voc este negativ și scade (valoarea absolută crește) odată cu intensitatea luminii și atingând un minim la Pc. A doua regiune este de la Pc la o altă intensitate critică P0, în care Voc crește în timp ce Isc scade odată cu creșterea intensității luminii și ambele ajung la zero la P0. A treia regiune este deasupra P0 până când se atinge starea normală a YBCO. Deși atât Voc, cât și Isc variază în funcție de intensitatea luminii în același mod ca în regiunea 2, ele au polaritate opusă peste intensitatea critică P0. Semnificația lui P0 constă în faptul că nu există efect fotovoltaic, iar mecanismul de separare a sarcinii se schimbă calitativ în acest punct particular. Proba YBCO devine nesupraconductoare în acest interval de intensitate a luminii, dar starea normală nu a fost încă atinsă.

În mod evident, caracteristicile fotovoltaice ale sistemului sunt strâns legate de supraconductivitatea YBCO și de tranziția sa supraconductoare. Rezistența diferențială, dV/dI, a YBCO este prezentată în Fig. 2b (jos) în funcție de intensitatea laserului. Așa cum s-a menționat anterior, potențialul electric acumulat în interfață datorită difuziei perechilor Cooper se situează de la supraconductor la metal. Similar cu cel observat la 50 K, efectul fotovoltaic este amplificat odată cu creșterea intensității laserului de la 0 la Pc. Când intensitatea laserului atinge o valoare puțin peste Pc, curba IV începe să se încline și rezistența probei începe să apară, dar polaritatea potențialului de interfață nu este încă modificată. Efectul excitației optice asupra supraconductivității a fost investigat în regiunea vizibilă sau în infraroșu apropiat. În timp ce procesul de bază este de a sparge perechile Cooper și de a distruge supraconductivitatea25,26, în unele cazuri, tranziția supraconductivității poate fi amplificată27,28,29, putând fi chiar induse noi faze ale supraconductivității30. Absența supraconductivității la Pc poate fi atribuită ruperii perechilor induse de lumină. În punctul P0, potențialul pe interfață devine zero, indicând faptul că densitatea de sarcină pe ambele părți ale interfeței atinge același nivel sub această intensitate particulară de iluminare luminoasă. Creșterea suplimentară a intensității laserului are ca rezultat distrugerea mai multor perechi Cooper, iar YBCO este transformat treptat înapoi într-un material de tip p. În loc de difuzia electronilor și a perechilor Cooper, caracteristica interfeței este acum determinată de difuzia electronilor și a golurilor, ceea ce duce la o inversare a polarității câmpului electric din interfață și, în consecință, la un Voc pozitiv (comparați Fig. 1d, h). La o intensitate laser foarte mare, rezistența diferențială a YBCO se saturează la o valoare corespunzătoare stării normale, iar atât Voc, cât și Isc tind să varieze liniar cu intensitatea laserului (Fig. 2b). Această observație arată că iradierea cu laser a YBCO în stare normală nu îi va mai schimba rezistivitatea și caracteristica interfeței supraconductor-metal, ci doar va crește concentrația perechilor electron-gol.

Pentru a investiga efectul temperaturii asupra proprietăților fotovoltaice, sistemul metal-supraconductor a fost iradiat la catod cu un laser albastru cu intensitatea de 502 mW/cm2. Curbele IV obținute la temperaturi selectate între 50 și 300 K sunt prezentate în Fig. 3a. Tensiunea în circuit deschis Voc, curentul de scurtcircuit Isc și rezistența diferențială pot fi apoi obținute din aceste curbe IV și sunt prezentate în Fig. 3b. Fără iluminare luminoasă, toate curbele IV măsurate la diferite temperaturi trec de origine, așa cum era de așteptat (inserție în Fig. 3a). Caracteristicile IV se schimbă drastic odată cu creșterea temperaturii atunci când sistemul este iluminat de un fascicul laser relativ puternic (502 mW/cm2). La temperaturi scăzute, curbele IV sunt linii drepte paralele cu axa I, cu valori negative ale Voc. Această curbă se deplasează în sus odată cu creșterea temperaturii și se transformă treptat într-o linie cu o pantă diferită de zero la o temperatură critică Tcp (Fig. 3a (sus)). Se pare că toate curbele caracteristice IV se rotesc în jurul unui punct din al treilea cadran. Voc crește de la o valoare negativă la una pozitivă, în timp ce Isc scade de la o valoare pozitivă la o valoare negativă. Peste temperatura inițială de tranziție supraconductoare Tc a YBCO, curba IV se modifică destul de diferit odată cu temperatura (partea de jos a Fig. 3a). În primul rând, centrul de rotație al curbelor IV se deplasează în primul cadran. În al doilea rând, Voc continuă să scadă, iar Isc crește odată cu creșterea temperaturii (partea de sus a Fig. 3b). În al treilea rând, panta curbelor IV crește liniar odată cu temperatura, rezultând un coeficient de temperatură pozitiv al rezistenței pentru YBCO (partea de jos a Fig. 3b).

Dependența de temperatură a caracteristicilor fotovoltaice pentru sistemul de pastă YBCO-Ag sub iluminare laser de 502 mW/cm2.

Centrul spotului laser este poziționat în jurul electrozilor catodului (vezi Fig. 1i). a, Curbe IV obținute de la 50 la 90 K (sus) și de la 100 la 300 K (jos) cu o creștere a temperaturii de 5 K și respectiv 20 K. Inserția a prezintă caracteristicile IV la diferite temperaturi în întuneric. Toate curbele intersectează punctul de origine. b, Tensiunea în circuit deschis Voc și curentul de scurtcircuit Isc (sus) și rezistența diferențială, dV/dI, a YBCO (jos) în funcție de temperatură. Temperatura de tranziție supraconductoare cu rezistență zero Tcp nu este dată deoarece este prea aproape de Tc0.

Trei temperaturi critice pot fi recunoscute din Fig. 3b: Tcp, peste care YBCO devine nesupraconductor; Tc0, la care atât Voc, cât și Isc devin zero, și Tc, temperatura inițială de tranziție supraconductoare a YBCO fără iradiere cu laser. Sub Tcp ~ 55 K, YBCO iradiat cu laser se află în stare supraconductoare cu o concentrație relativ mare de perechi Cooper. Efectul iradierii cu laser este de a reduce temperatura de tranziție supraconductoare cu rezistență zero de la 89 K la ~55 K (partea de jos a Fig. 3b) prin reducerea concentrației de perechi Cooper, pe lângă producerea de tensiune și curent fotovoltaic. Creșterea temperaturii descompune, de asemenea, perechile Cooper, ducând la un potențial mai scăzut la interfață. În consecință, valoarea absolută a Voc va deveni mai mică, deși se aplică aceeași intensitate a iluminării cu laser. Potențialul de la interfață va deveni din ce în ce mai mic odată cu creșterea ulterioară a temperaturii și va ajunge la zero la Tc0. Nu există efect fotovoltaic în acest punct special, deoarece nu există un câmp intern care să separe perechile electron-gaură induse de lumină. O inversare a polarității potențialului are loc peste această temperatură critică, deoarece densitatea sarcinii libere în pasta de Ag este mai mare decât cea din YBCO, care este transferată treptat înapoi la un material de tip p. Aici dorim să subliniem faptul că inversarea polarității Voc și Isc are loc imediat după tranziția supraconductoare cu rezistență zero, indiferent de cauza tranziției. Această observație dezvăluie clar, pentru prima dată, corelația dintre supraconductivitate și efectele fotovoltaice asociate cu potențialul interfeței metal-supraconductor. Natura acestui potențial pe interfața supraconductor-metal normal a fost un punct central de cercetare în ultimele decenii, dar există multe întrebări care încă așteaptă răspuns. Măsurarea efectului fotovoltaic se poate dovedi a fi o metodă eficientă pentru explorarea detaliilor (cum ar fi intensitatea și polaritatea etc.) acestui potențial important și, prin urmare, pentru a clarifica efectul de proximitate supraconductor la temperatură înaltă.

Creșterea suplimentară a temperaturii de la Tc0 la Tc duce la o concentrație mai mică de perechi Cooper și la o creștere a potențialului de interfață și, în consecință, la un Voc mai mare. La Tc, concentrația perechilor Cooper devine zero, iar potențialul de acumulare la interfață atinge un maxim, rezultând un Voc maxim și un Isc minim. Creșterea rapidă a Voc și Isc (valoare absolută) în acest interval de temperatură corespunde tranziției supraconductoare care este lărgită de la ΔT ~ 3 K la ~34 K prin iradiere laser cu intensitate de 502 mW/cm2 (Fig. 3b). În stările normale peste Tc, tensiunea în circuit deschis Voc scade odată cu temperatura (partea de sus a Fig. 3b), similar cu comportamentul liniar al Voc pentru celulele solare normale bazate pe joncțiuni pn31,32,33. Deși rata de variație a Voc în funcție de temperatură (−dVoc/dT), care depinde puternic de intensitatea laserului, este mult mai mică decât cea a celulelor solare normale, coeficientul de temperatură al Voc pentru joncțiunea YBCO-Ag are același ordin de mărime ca și cel al celulelor solare. Curentul de scurgere al unei joncțiuni pn pentru un dispozitiv normal cu celulă solară crește odată cu creșterea temperaturii, ducând la o scădere a Voc pe măsură ce temperatura crește. Curbele IV liniare observate pentru acest sistem Ag-supraconductor, datorită în primul rând potențialului foarte mic de interfață și, în al doilea rând, conexiunii spate-în-spate a celor două heterojoncțiuni, fac dificilă determinarea curentului de scurgere. Cu toate acestea, pare foarte probabil ca aceeași dependență de temperatură a curentului de scurgere să fie responsabilă pentru comportamentul Voc observat în experimentul nostru. Conform definiției, Isc este curentul necesar pentru a produce o tensiune negativă pentru a compensa Voc, astfel încât tensiunea totală să fie zero. Pe măsură ce temperatura crește, Voc devine mai mic, astfel încât este necesar mai puțin curent pentru a produce tensiunea negativă. În plus, rezistența YBCO crește liniar cu temperatura peste Tc (partea de jos a Fig. 3b), ceea ce contribuie, de asemenea, la valoarea absolută mai mică a lui Isc la temperaturi ridicate.

Observați că rezultatele prezentate în Figurile 2 și 3 sunt obținute prin iradiere cu laser în zona din jurul electrozilor catodici. Măsurătorile au fost repetate și cu un spot laser poziționat la anod și s-au observat caracteristici IV și proprietăți fotovoltaice similare, cu excepția faptului că polaritatea Voc și Isc a fost inversată în acest caz. Toate aceste date conduc la un mecanism pentru efectul fotovoltaic, care este strâns legat de interfața supraconductor-metal.

În concluzie, caracteristicile IV ale sistemului de pastă supraconductoare YBCO-Ag iradiat cu laser au fost măsurate în funcții de temperatură și intensitate laser. Un efect fotovoltaic remarcabil a fost observat în intervalul de temperatură de la 50 la 300 K. S-a constatat că proprietățile fotovoltaice se corelează puternic cu supraconductivitatea ceramicii YBCO. O inversare a polarității Voc și Isc are loc imediat după tranziția de la supraconductoare la nesupraconductoare indusă de lumină. Dependența de temperatură a Voc și Isc măsurate la o intensitate laser fixă ​​arată, de asemenea, o inversare distinctă a polarității la o temperatură critică peste care proba devine rezistivă. Prin localizarea spotului laser într-o altă parte a probei, arătăm că există un potențial electric la interfață, care furnizează forța de separare pentru perechile electron-gaură induse de lumină. Acest potențial de interfață se direcționează de la YBCO la electrodul metalic atunci când YBCO este supraconductor și comută în direcția opusă atunci când proba devine nesupraconductoare. Originea potențialului poate fi asociată în mod natural cu efectul de proximitate la interfața metal-supraconductor atunci când YBCO este supraconductor și este estimat a fi ~10−8 mV la 50 K cu o intensitate laser de 502 mW/cm2. Contactul unui material YBCO de tip p în stare normală cu un material de tip n, pastă de Ag, formează o joncțiune cvasi-pn care este responsabilă de comportamentul fotovoltaic al ceramicii YBCO la temperaturi ridicate. Observațiile de mai sus aruncă lumină asupra efectului fotovoltaic în ceramica YBCO supraconductoare la temperatură înaltă și deschid calea către noi aplicații în dispozitivele optoelectronice, cum ar fi detectorul pasiv rapid de lumină și detectorul de foton unic.

Experimentele privind efectul fotovoltaic au fost efectuate pe o probă ceramică YBCO cu grosimea de 0,52 mm și o formă dreptunghiulară de 8,64 × 2,26 mm2, iluminată de un laser albastru cu undă continuă (λ = 450 nm) cu o dimensiune a spotului laser de 1,25 mm în rază. Utilizarea unei probe în vrac, în loc de o peliculă subțire, ne permite să studiem proprietățile fotovoltaice ale supraconductorului fără a fi nevoie să ne ocupăm de influența complexă a substratului6,7. Mai mult, materialul în vrac ar putea fi propice pentru procedura sa simplă de preparare și costul relativ scăzut. Firele de cupru sunt fixate pe proba YBCO cu pastă de argint, formând patru electrozi circulari cu diametrul de aproximativ 1 mm. Distanța dintre cei doi electrozi de tensiune este de aproximativ 5 mm. Caracteristicile IV ale probei au fost măsurate folosind magnetometrul pentru probe cu vibrații (VersaLab, Quantum Design) cu o fereastră cu cristale de cuarț. Pentru a obține curbele IV a fost utilizată metoda standard cu patru fire. Pozițiile relative ale electrozilor și ale spotului laser sunt prezentate în Fig. 1i.

Cum se citează acest articol: Yang, F. și colab. Originea efectului fotovoltaic în ceramica supraconductoare YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG și Testardi, LR Tensiuni induse de laser cu simetrie interzisă în YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP și Dong, SY. Originea semnalului fotovoltaic anomal în Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR și Wang, GW. Măsurarea tensiunilor induse de laser ale supraconductorilor Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL și colab. Tensiuni tranzitorii induse de laser în pelicule de YBa2Cu3O7-x la temperatura camerei. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS și Zheng, JP. Răspuns fotovoltaic anomal în YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. și Hiroi, Z. Injecție fotogenerată de purtători de goluri în YBa2Cu3O7−x într-o heterostructură de oxid. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. și colab. Studiu de fotoemisie a peliculelor subțiri de YBa2Cu3Oy sub iluminare luminoasă. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. și colab. Efectul fotovoltaic al heterojoncțiunii YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb recoaptă la diferite presiuni parțiale de oxigen. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA și colab. Structura cu două lacune în monocristalele Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. și Mihailovic, D. Dinamica relaxării cvasiparticulelor în supraconductori cu diferite structuri gap: Teorie și experimente pe YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ și Shen, BG Proprietăți rectificatoare ale heterojoncțiunii YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL și Tanner, DB. Absorbție excitonică și supraconductivitate în YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ și Stucky, G. Conductivitatea tranzitorie fotoindusă în monocristale semiconductoare de YBa2Cu3O6.3: căutarea stării metalice fotoinduse și a supraconductivității fotoinduse. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Modelul de tunelare al efectului de proximitate supraconductor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. și colab. Efectul de proximitate supraconductor studiat la o scară de lungime mezoscopică. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. și Manske, D. Efect de proximitate cu supraconductori necentrosimetrici. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM și colab. Efect puternic de proximitate supraconductor în structurile hibride Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS și Pearson, GL O nouă fotocelulă cu joncțiune pn din siliciu pentru convertirea radiației solare în energie electrică. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Efectele impurităților asupra lungimii de coerență supraconductoare în monocristale YBa2Cu3O6.9 dopate cu Zn sau Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. și Segawa, K. Magnetorezistența monocristalelor YBa2Cu3Oy neînfășurate într-o gamă largă de dopare: dependență anormală a lungimii de coerență față de doparea cu goluri. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD și Cooper, JR. Sistematică în studiul puterii termoelectrice a oxizilor cu T ridicat. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. și colab. Deplasarea impulsului dependentă de densitatea purtătorilor de sarcină a vârfului coerent și a modului fononic LO în supraconductori de tip p cu temperatură ridicată de transfer. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. și colab. Reducerea găurilor și acumularea de electroni în pelicule subțiri de YBa2Cu3Oy folosind o tehnică electrochimică: Dovezi ale unei stări metalice de tip n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fizica și chimia înălțimii barierei Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. și Langenberg, DN. Efectele ruperii dinamice externe a perechilor în pelicule supraconductoare. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. și colab. Îmbunătățirea supraconductivității indusă de lumină. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI și colab. Fotoconductivitatea persistentă în pelicule de YBa2Cu3O6+x ca metodă de fotodopare față de faze metalice și supraconductoare. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. și colab. Dinamica neliniară a rețelei ca bază pentru supraconductivitatea îmbunătățită în YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. și colab. Supraconductivitatea indusă de lumină într-un cuprat ordonat în dungi. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK și Al-Nuaim, IA Dependența funcțională a COV-urilor de temperatură pentru o celulă solară în raport cu eficiența sa - o nouă abordare. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM și Anderson, WA Efectele temperaturii în celulele solare din siliciu cu barieră Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. și Tuladhar, SM Dependența de temperatură a parametrilor dispozitivelor fotovoltaice ale celulelor solare polimer-fulerenă în condiții de funcționare. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională de Științe Naturale din China (Grantul nr. 60571063) și de Proiectele de Cercetare Fundamentală din provincia Henan, China (Grantul nr. 122300410231).

FY a scris textul lucrării, iar MYH a pregătit proba ceramică YBCO. FY și MYH au efectuat experimentul și au analizat rezultatele. FGC a condus proiectul și interpretarea științifică a datelor. Toți autorii au revizuit manuscrisul.

Această lucrare este licențiată sub o licență Creative Commons Attribution 4.0 International. Imaginile sau alte materiale terțe din acest articol sunt incluse în licența Creative Commons a articolului, cu excepția cazului în care se specifică altfel în linia de credit; dacă materialul nu este inclus sub licența Creative Commons, utilizatorii vor trebui să obțină permisiunea deținătorului licenței pentru a reproduce materialul. Pentru a vizualiza o copie a acestei licențe, vizitați http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. și Chang, F. Originea efectului fotovoltaic în ceramica supraconductoare YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și Regulile comunității noastre. Dacă găsiți ceva abuziv sau care nu respectă termenii sau regulile noastre, vă rugăm să îl semnalați ca fiind neadecvat.