Hvala, ker ste obiskali nature.com. Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo uporabo novejšega brskalnika (ali izklop načina združljivosti v Internet Explorerju). Medtem, da bi zagotovili nadaljnjo podporo, spletno mesto prikazujemo brez slogov in JavaScripta.
Poročamo o izjemnem fotovoltaičnem učinku v keramiki YBa2Cu3O6.96 (YBCO) med 50 in 300 K, ki ga inducira osvetlitev z modrim laserjem. Učinek je neposredno povezan s superprevodnostjo YBCO in vmesnikom YBCO-kovinska elektroda. Pri prehodu YBCO iz superprevodnega v uporovno stanje pride do obrata polarnosti napetosti odprtega tokokroga Voc in toka kratkega stika Isc. Pokazali smo, da na vmesniku med superprevodnikom in normalno kovino obstaja električni potencial, ki zagotavlja ločilno silo za fotoinducirane pare elektronov in vrzeli. Ta potencial vmesnika se usmeri od YBCO do kovinske elektrode, ko je YBCO superprevoden, in se preklopi v nasprotno smer, ko YBCO postane neprevoden. Izvor potenciala je mogoče zlahka povezati z učinkom bližine na vmesniku kovina-superprevodnik, ko je YBCO superprevoden, njegova vrednost pa je ocenjena na ~10–8 mV pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW/cm2. Kombinacija YBCO, materiala p-tipa v normalnem stanju, z n-tipom Ag-paste tvori kvazi-pn spoj, ki je odgovoren za fotovoltaično obnašanje keramike YBCO pri visokih temperaturah. Naše ugotovitve bi lahko utrle pot novim aplikacijam fotonskih elektronskih naprav in osvetlile učinek bližine na vmesniku med superprevodnikom in kovino.
Fotoinducirana napetost v visokotemperaturnih superprevodnikih je bila opisana v zgodnjih devetdesetih letih prejšnjega stoletja in od takrat obsežno raziskana, vendar njena narava in mehanizem ostajata nejasna1,2,3,4,5. Tanke plasti YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 se zlasti intenzivno preučujejo v obliki fotovoltaičnih (PV) celic zaradi njihove nastavljive energijske vrzeli9,10,11,12,13. Vendar pa visoka upornost substrata vedno vodi do nizke učinkovitosti pretvorbe naprave in prikriva primarne PV lastnosti YBCO8. Tukaj poročamo o izjemnem fotovoltaičnem učinku, ki ga povzroči osvetlitev z modrim laserjem (λ = 450 nm) v keramiki YBa2Cu3O6.96 (YBCO) med 50 in 300 K (Tc ~ 90 K). Pokazali smo, da je PV učinek neposredno povezan s superprevodnostjo YBCO in naravo vmesnika YBCO-kovinska elektroda. Pri prehodu YBCO iz superprevodne faze v uporovno stanje pride do obratne polarnosti napetosti odprtega tokokroga Voc in toka kratkega stika Isc. Predlagano je, da na vmesniku med superprevodnikom in normalno kovino obstaja električni potencial, ki zagotavlja ločilno silo za fotoinducirane pare elektronov in vrzeli. Ta potencial vmesnika se usmeri od YBCO do kovinske elektrode, ko je YBCO superprevoden, in se preklopi v nasprotno smer, ko vzorec postane neprevoden. Izvor potenciala je lahko naravno povezan z učinkom bližine14,15,16,17 na vmesniku med kovino in superprevodnikom, ko je YBCO superprevoden, njegova vrednost pa je ocenjena na ~10−8 mV pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW/cm2. Kombinacija materiala p-tipa YBCO v normalnem stanju z materialom n-tipa Ag-pasta najverjetneje tvori kvazi-pn spoj, ki je odgovoren za PV obnašanje keramike YBCO pri visokih temperaturah. Naša opažanja so dodatno osvetlila izvor PV efekta v visokotemperaturni superprevodni YBCO keramiki in utrla pot njegovi uporabi v optoelektronskih napravah, kot so hitri pasivni detektorji svetlobe itd.
Slika 1a–c prikazuje IV karakteristike keramičnega vzorca YBCO pri 50 K. Brez svetlobne osvetlitve napetost na vzorcu ostane nič s spreminjajočim se tokom, kar je pričakovati od superprevodnega materiala. Očitni fotovoltaični učinek se pojavi, ko je laserski žarek usmerjen na katodo (slika 1a): IV krivulje, vzporedne z osjo I, se premikajo navzdol z naraščajočo intenzivnostjo laserja. Očitno je, da obstaja negativna fotoinducirana napetost tudi brez toka (pogosto imenovana napetost odprtega tokokroga Voc). Ničelni naklon IV krivulje kaže, da je vzorec pod lasersko osvetlitvijo še vedno superprevoden.
(a–c) in 300 K (e–g). Vrednosti V(I) so bile pridobljene s spreminjanjem toka od −10 mA do +10 mA v vakuumu. Zaradi jasnosti je predstavljen le del eksperimentalnih podatkov. a, Karakteristike tokovno-napetostnega odziva YBCO, izmerjene z lasersko točko, nameščeno na katodi (i). Vse IV krivulje so vodoravne ravne črte, kar kaže, da je vzorec še vedno superprevoden z laserskim obsevanjem. Krivulja se premika navzdol z naraščajočo intenzivnostjo laserja, kar kaže, da obstaja negativni potencial (Voc) med obema napetostnima vodnikoma tudi pri ničelnem toku. IV krivulje ostanejo nespremenjene, ko je laser usmerjen v središče vzorca pri 50 K (b) ali 300 K (f). Vodoravna črta se premika navzgor, ko je anoda osvetljena (c). Shematski model stika kovina-superprevodnik pri 50 K je prikazan v d. Karakteristike tokovno-napetostnega odziva YBCO v normalnem stanju pri 300 K, izmerjene z laserskim žarkom, usmerjenim v katodo oziroma anodo, so podane v e in g. V nasprotju z rezultati pri 50 K neničelni naklon ravnih črt kaže, da je YBCO v normalnem stanju; vrednosti Voc se spreminjajo z intenzivnostjo svetlobe v nasprotni smeri, kar kaže na drugačen mehanizem ločevanja naboja. Možna struktura vmesnika pri 300 K je prikazana na hj. Dejanska slika vzorca s priključki.
YBCO, bogat s kisikom, v superprevodnem stanju lahko zaradi zelo majhne energijske vrzeli (Eg)9,10 absorbira skoraj celoten spekter sončne svetlobe in s tem ustvari elektronsko-vrzelne pare (e–h). Za nastanek napetosti odprtega tokokroga Voc z absorpcijo fotonov je potrebno prostorsko ločiti fotogenerirane eh pare, preden pride do rekombinacije18. Negativni Voc glede na katodo in anodo, kot je prikazano na sliki 1i, kaže na to, da na vmesniku kovina-superprevodnik obstaja električni potencial, ki elektrone pomika proti anodi in vrzeli proti katodi. Če je temu tako, bi moral obstajati tudi potencial, ki kaže od superprevodnika proti kovinski elektrodi na anodi. Posledično bi se dobil pozitiven Voc, če bi bilo osvetljeno območje vzorca blizu anode. Poleg tega ne bi smelo biti fotoinduciranih napetosti, ko je laserska točka usmerjena na območja daleč od elektrod. To zagotovo drži, kot je razvidno iz slike 1b,c!.
Ko se svetlobna pega premakne od katodne elektrode do središča vzorca (približno 1,25 mm stran od vmesnikov), z naraščajočo intenzivnostjo laserja do največje razpoložljive vrednosti ni mogoče opaziti sprememb IV krivulj in Voc (slika 1b). Seveda lahko ta rezultat pripišemo omejeni življenjski dobi fotoinduciranih nosilcev in pomanjkanju ločilne sile v vzorcu. Elektronsko-vrtenski pari se lahko ustvarijo vsakič, ko je vzorec osvetljen, vendar se večina parov e–h anihilira in fotovoltaični učinek se ne opazi, če laserska pega pade na območja, ki so daleč stran od katere koli elektrode. S premikanjem laserske pege proti anodnim elektrodam se IV krivulje, vzporedne z osjo I, premikajo navzgor z naraščajočo intenzivnostjo laserja (slika 1c). Podobno vgrajeno električno polje obstaja v stiku kovina-superprevodnik na anodi. Vendar se kovinska elektroda tokrat priključi na pozitivni priključek testnega sistema. Vrtine, ki jih ustvari laser, se potisnejo na anodni priključek in tako opazimo pozitiven Voc. Predstavljeni rezultati zagotavljajo močan dokaz, da dejansko obstaja vmesni potencial, ki kaže od superprevodnika do kovinske elektrode.
Fotovoltaični učinek v keramiki YBa2Cu3O6.96 pri 300 K je prikazan na sliki 1e–g. Brez svetlobne osvetlitve je IV krivulja vzorca premica, ki seka izhodišče. Ta premica se premika navzgor vzporedno z izvirno z naraščajočo intenzivnostjo laserja, ki obseva katodne vodnike (slika 1e). Za fotovoltaično napravo obstajata dva mejna primera, ki sta zanimiva. Kratki stik se pojavi, ko je V = 0. Tok se v tem primeru imenuje kratkostični tok (Isc). Drugi mejni primer je stanje odprtega tokokroga (Voc), ki se pojavi, ko je R→∞ ali je tok nič. Slika 1e jasno kaže, da je Voc pozitiven in se povečuje z naraščajočo intenzivnostjo svetlobe, v nasprotju z rezultatom, dobljenim pri 50 K; medtem ko se negativni Isc povečuje z osvetlitvijo, kar je tipično vedenje normalnih sončnih celic.
Podobno je krivulja V(I) neodvisna od intenzivnosti laserja, ko je laserski žarek usmerjen na območja daleč stran od elektrod, in ni fotovoltaičnega učinka (slika 1f). Podobno kot pri meritvi pri 50 K se krivulje IV premaknejo v nasprotno smer, ko je anodna elektroda obsevana (slika 1g). Vsi ti rezultati, dobljeni za ta pastni sistem YBCO-Ag pri 300 K z laserskim obsevanjem na različnih položajih vzorca, so skladni z vmesnim potencialom, ki je nasproten tistemu, opaženemu pri 50 K.
Večina elektronov se v superprevodnem YBCO pod temperaturo prehoda Tc kondenzira v Cooperjeve pare. Medtem ko so elektroni v kovinski elektrodi, ostanejo vsi elektroni v singularni obliki. V bližini vmesnika kovina-superprevodnik obstaja velik gradient gostote tako za singularne elektrone kot za Cooperjeve pare. Singularni elektroni večinskih nosilcev v kovinskem materialu bodo difundirali v območje superprevodnika, medtem ko bodo Cooperjevi pari večinskih nosilcev v območju YBCO difundirali v kovinsko območje. Ker Cooperjevi pari, ki nosijo več nabojev in imajo večjo mobilnost kot singularni elektroni, difundirajo iz YBCO v kovinsko območje, ostanejo pozitivno nabiti atomi, kar povzroči električno polje v območju prostorskega naboja. Smer tega električnega polja je prikazana na shematskem diagramu na sliki 1d. Vpadna fotonska osvetlitev v bližini območja prostorskega naboja lahko ustvari eh pare, ki se bodo ločili in pometali ven, kar bo ustvarilo fototok v smeri obratne prednapetosti. Takoj ko elektroni zapustijo vgrajeno električno polje, se kondenzirajo v pare in tečejo do druge elektrode brez upora. V tem primeru je Voc nasproten prednastavljeni polarnosti in prikazuje negativno vrednost, ko laserski žarek usmeri območje okoli negativne elektrode. Iz vrednosti Voc je mogoče oceniti potencial na vmesniku: razdalja med obema napetostnima vodnikoma d je ~5 × 10−3 m, debelina vmesnika kovina-superprevodnik, di, mora biti istega reda velikosti kot koherenčna dolžina superprevodnika YBCO (~1 nm)19,20, če vzamemo vrednost Voc = 0,03 mV, je potencial Vms na vmesniku kovina-superprevodnik ocenjen na ~10−11 V pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW/cm2 z uporabo enačbe,
Tukaj želimo poudariti, da fotoinducirane napetosti ni mogoče razložiti s fototermičnim učinkom. Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je Seebeckov koeficient superprevodnika YBCO Ss = 021. Seebeckov koeficient za bakrene žice je v območju SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperaturo bakrene žice na laserski točki je mogoče zvišati za majhno količino 0,06 K, pri čemer je največja laserska intenzivnost razpoložljiva pri 50 K. To bi lahko ustvarilo termoelektrični potencial 6,9 × 10−8 V, kar je za tri velikostne razrede manj od Voc, dobljenega na sliki 1 (a). Očitno je, da je termoelektrični učinek premajhen, da bi pojasnil eksperimentalne rezultate. Pravzaprav bi temperaturna sprememba zaradi laserskega obsevanja izginila v manj kot eni minuti, tako da lahko prispevek toplotnega učinka varno zanemarimo.
Ta fotovoltaični učinek YBCO pri sobni temperaturi razkriva, da je tukaj vključen drugačen mehanizem ločevanja naboja. Superprevodni YBCO je v normalnem stanju material p-tipa z luknjami kot nosilci naboja22,23, medtem ko ima kovinska Ag-pasta značilnosti materiala n-tipa. Podobno kot pn spoji bo difuzija elektronov v srebrni pasti in lukenj v keramiki YBCO tvorila notranje električno polje, ki kaže na keramiko YBCO na vmesniku (slika 1h). Prav to notranje polje zagotavlja ločilno silo in vodi do pozitivnega Voc in negativnega Isc za sistem paste YBCO-Ag pri sobni temperaturi, kot je prikazano na sliki 1e. Druga možnost je, da Ag-YBCO tvori Schottkyjev spoj p-tipa, ki prav tako vodi do potenciala vmesnika z enako polarnostjo kot v zgoraj predstavljenem modelu24.
Za raziskavo podrobnega procesa evolucije fotovoltaičnih lastnosti med superprevodnim prehodom YBCO so bile izmerjene IV krivulje vzorca pri 80 K z izbranimi laserskimi intenzivnostmi, ki osvetljujejo katodno elektrodo (slika 2). Brez laserskega obsevanja napetost na vzorcu ostane na nič ne glede na tok, kar kaže na superprevodno stanje vzorca pri 80 K (slika 2a). Podobno kot pri podatkih, pridobljenih pri 50 K, se IV krivulje, vzporedne z osjo I, premikajo navzdol z naraščajočo lasersko intenzivnostjo, dokler ni dosežena kritična vrednost Pc. Nad to kritično lasersko intenzivnostjo (Pc) superprevodnik preide iz superprevodne faze v uporovno fazo; napetost se začne povečevati s tokom zaradi pojava upora v superprevodniku. Posledično se IV krivulja začne sekati z osjo I in osjo V, kar sprva vodi do negativnega Voc in pozitivnega Isc. Zdaj se zdi, da je vzorec v posebnem stanju, v katerem je polarnost Voc in Isc izjemno občutljiva na intenzivnost svetlobe; Z zelo majhnim povečanjem intenzivnosti svetlobe se Isc pretvori iz pozitivne v negativno in Voc iz negativne v pozitivno vrednost, pri čemer preide izhodišče (visoka občutljivost fotovoltaičnih lastnosti, zlasti vrednosti Isc, na svetlobno osvetlitev je bolj jasno vidna na sliki 2b). Pri najvišji razpoložljivi laserski intenzivnosti naj bi bile IV krivulje vzporedne druga z drugo, kar pomeni normalno stanje vzorca YBCO.
Središče laserske točke je nameščeno okoli katodnih elektrod (glej sliko 1i). a, IV krivulje YBCO, obsevanega z različnimi laserskimi intenzivnostmi. b (zgoraj), Odvisnost laserske intenzivnosti od napetosti odprtega tokokroga Voc in kratkostičnega toka Isc. Vrednosti Isc ni mogoče dobiti pri nizki svetlobni intenzivnosti (< 110 mW/cm2), ker so IV krivulje vzporedne z osjo I, ko je vzorec v superprevodnem stanju. b (spodaj), diferencialna upornost kot funkcija laserske intenzivnosti.
Odvisnost Voc in Isc od intenzivnosti laserja pri 80 K je prikazana na sliki 2b (zgoraj). Fotovoltaične lastnosti lahko obravnavamo v treh območjih intenzivnosti svetlobe. Prvo območje je med 0 in Pc, kjer je YBCO superprevoden, Voc je negativen in se zmanjšuje (absolutna vrednost narašča) z intenzivnostjo svetlobe ter doseže minimum pri Pc. Drugo območje je od Pc do druge kritične intenzivnosti P0, kjer se Voc povečuje, Isc pa se zmanjšuje z naraščajočo intenzivnostjo svetlobe in oba dosežeta nič pri P0. Tretje območje je nad P0, dokler ni doseženo normalno stanje YBCO. Čeprav se tako Voc kot Isc spreminjata z intenzivnostjo svetlobe na enak način kot v območju 2, imata nad kritično intenzivnostjo P0 nasprotno polarnost. Pomen P0 je v tem, da ni fotovoltaičnega učinka in se mehanizem ločevanja naboja na tej točki kvalitativno spremeni. Vzorec YBCO v tem območju intenzivnosti svetlobe postane ne-superprevoden, vendar normalno stanje še ni doseženo.
Jasno je, da so fotovoltaične lastnosti sistema tesno povezane s superprevodnostjo YBCO in njegovim superprevodnim prehodom. Diferencialna upornost, dV/dI, YBCO je prikazana na sliki 2b (spodaj) kot funkcija laserske intenzivnosti. Kot smo že omenili, se vgrajeni električni potencial na vmesniku zaradi difuzije Cooperjevih parov kaže od superprevodnika do kovine. Podobno kot pri 50 K se fotovoltaični učinek poveča z naraščajočo lasersko intenzivnostjo od 0 do Pc. Ko laserska intenzivnost doseže vrednost nekoliko nad Pc, se IV krivulja začne nagibati in začne se pojavljati upornost vzorca, vendar se polarnost potenciala vmesnika še ne spremeni. Vpliv optičnega vzbujanja na superprevodnost je bil raziskan v vidnem ali bližnjem infrardečem območju. Medtem ko je osnovni postopek razpad Cooperjevih parov in uničenje superprevodnosti25,26, se lahko v nekaterih primerih superprevodni prehod okrepi27,28,29, lahko pa se celo inducirajo nove faze superprevodnosti30. Odsotnost superprevodnosti pri Pc lahko pripišemo fotoinduciranemu prekinjanju para. V točki P0 potencial na vmesniku postane nič, kar kaže, da gostota naboja na obeh straneh vmesnika doseže enako raven pri tej določeni intenzivnosti svetlobne osvetlitve. Nadaljnje povečanje intenzivnosti laserja povzroči uničenje več Cooperjevih parov in YBCO se postopoma pretvori nazaj v material p-tipa. Namesto difuzije elektronov in Cooperjevih parov je značilnost vmesnika zdaj določena z difuzijo elektronov in vrzeli, kar vodi do obrata polarnosti električnega polja v vmesniku in posledično do pozitivnega Voc (primerjaj sliki 1d,h). Pri zelo visoki intenzivnosti laserja se diferencialna upornost YBCO nasiči na vrednost, ki ustreza normalnemu stanju, in tako Voc kot Isc se linearno spreminjata z intenzivnostjo laserja (slika 2b). To opažanje kaže, da lasersko obsevanje YBCO v normalnem stanju ne bo več spreminjalo njegove upornosti in značilnosti vmesnika superprevodnik-kovina, temveč bo le povečalo koncentracijo elektronsko-vrtenskih parov.
Za raziskavo vpliva temperature na fotovoltaične lastnosti je bil sistem kovina-superprevodnik na katodi obsevan z modrim laserjem z intenzivnostjo 502 mW/cm2. IV krivulje, dobljene pri izbranih temperaturah med 50 in 300 K, so prikazane na sliki 3a. Iz teh IV krivulj je mogoče nato dobiti napetost odprtega tokokroga Voc, kratkostični tok Isc in diferencialno upornost, ki so prikazani na sliki 3b. Brez svetlobne osvetlitve vse IV krivulje, izmerjene pri različnih temperaturah, prečkajo izhodišče, kot je bilo pričakovano (vložek na sliki 3a). IV karakteristike se drastično spreminjajo z naraščajočo temperaturo, ko je sistem osvetljen z relativno močnim laserskim žarkom (502 mW/cm2). Pri nizkih temperaturah so IV krivulje ravne črte, vzporedne z osjo I, z negativnimi vrednostmi Voc. Ta krivulja se z naraščajočo temperaturo premika navzgor in se pri kritični temperaturi Tcp postopoma spremeni v črto z neničelnim naklonom (slika 3a (zgoraj)). Zdi se, da se vse IV karakteristične krivulje vrtijo okoli točke v tretjem kvadrantu. Voc se povečuje iz negativne v pozitivno vrednost, medtem ko se Isc zmanjšuje iz pozitivne v negativno vrednost. Nad prvotno temperaturo superprevodnega prehoda Tc za YBCO se IV krivulja s temperaturo spreminja precej različno (spodaj na sliki 3a). Prvič, središče vrtenja IV krivulj se premakne v prvi kvadrant. Drugič, Voc se z naraščajočo temperaturo še naprej zmanjšuje, Isc pa narašča (zgoraj na sliki 3b). Tretjič, naklon IV krivulj se linearno povečuje s temperaturo, kar povzroči pozitiven temperaturni koeficient upora za YBCO (spodaj na sliki 3b).
Temperaturna odvisnost fotovoltaičnih karakteristik za pastni sistem YBCO-Ag pri laserski osvetlitvi 502 mW/cm2.
Središče laserske točke je nameščeno okoli katodnih elektrod (glej sliko 1i). a, IV krivulje, dobljene od 50 do 90 K (zgoraj) in od 100 do 300 K (spodaj) s temperaturnim korakom 5 K oziroma 20 K. Vstavek a prikazuje IV karakteristike pri več temperaturah v temi. Vse krivulje sekajo izhodiščno točko. b, napetost odprtega tokokroga Voc in kratkostični tok Isc (zgoraj) ter diferencialna upornost dV/dI YBCO (spodaj) kot funkcija temperature. Temperatura prehoda v superprevodno stanje z ničelno upornostjo Tcp ni podana, ker je preblizu Tc0.
Na sliki 3b lahko razberemo tri kritične temperature: Tcp, nad katero YBCO postane ne-superprevoden; Tc0, pri kateri tako Voc kot Isc postaneta nič, in Tc, prvotna temperatura prehoda v superprevodno stanje YBCO brez laserskega obsevanja. Pod Tcp ~ 55 K je lasersko obsevani YBCO v superprevodnem stanju z relativno visoko koncentracijo Cooperjevih parov. Učinek laserskega obsevanja je znižanje temperature prehoda v superprevodno stanje pri ničelni upornosti z 89 K na ~55 K (spodaj na sliki 3b) z zmanjšanjem koncentracije Cooperjevih parov, poleg tega pa se ustvari fotovoltaična napetost in tok. Naraščajoča temperatura prav tako razgradi Cooperjeve pare, kar vodi do nižjega potenciala na vmesniku. Posledično se bo absolutna vrednost Voc zmanjšala, čeprav se uporabi enaka intenzivnost laserskega obsevanja. Potencial vmesnika se bo z nadaljnjim naraščanjem temperature vedno bolj zmanjšujel in bo pri Tc0 dosegel nič. Na tej posebni točki ni fotovoltaičnega učinka, ker ni notranjega polja, ki bi ločevalo fotoinducirane pare elektronov in vrzeli. Nad to kritično temperaturo pride do obrata polarnosti potenciala, saj je gostota prostega naboja v Ag pasti večja kot v YBCO, ki se postopoma prenese nazaj v material p-tipa. Tukaj želimo poudariti, da se obrat polarnosti Voc in Isc pojavi takoj po prehodu v superprevodno stanje z ničelno upornostjo, ne glede na vzrok prehoda. To opažanje prvič jasno razkriva korelacijo med superprevodnostjo in fotovoltaičnimi učinki, povezanimi s potencialom vmesnika kovina-superprevodnik. Narava tega potenciala na vmesniku superprevodnik-normalna kovina je bila v središču raziskav že nekaj desetletij, vendar še vedno obstaja veliko vprašanj, na katera ni odgovorov. Merjenje fotovoltaičnega učinka se lahko izkaže za učinkovito metodo za raziskovanje podrobnosti (kot so njegova jakost in polarnost itd.) tega pomembnega potenciala in s tem osvetli učinek bližine visokotemperaturne superprevodnosti.
Nadaljnje povečanje temperature od Tc0 do Tc vodi do manjše koncentracije Cooperjevih parov in povečanja potenciala vmesnika ter posledično večjega Voc. Pri Tc koncentracija Cooperjevih parov postane nič in potencial kopičenja na vmesniku doseže maksimum, kar ima za posledico največji Voc in minimalni Isc. Hitro povečanje Voc in Isc (absolutna vrednost) v tem temperaturnem območju ustreza superprevodnemu prehodu, ki se z laserskim obsevanjem z intenzivnostjo 502 mW/cm2 razširi od ΔT ~ 3 K do ~34 K (slika 3b). V normalnih stanjih nad Tc se napetost odprtega tokokroga Voc zmanjšuje s temperaturo (zgornji del slike 3b), podobno linearnemu obnašanju Voc za normalne sončne celice na osnovi pn spojev31,32,33. Čeprav je hitrost spremembe Voc s temperaturo (−dVoc/dT), ki je močno odvisna od intenzivnosti laserja, veliko manjša kot pri normalnih sončnih celicah, ima temperaturni koeficient Voc za spoj YBCO-Ag enak velikostni red kot pri sončnih celicah. Uhajalni tok pn spoja za normalno sončno celico se povečuje z naraščajočo temperaturo, kar vodi do zmanjšanja Voc z naraščanjem temperature. Linearne IV krivulje, opažene za ta sistem Ag-superprevodnik, zaradi najprej zelo majhnega potenciala vmesnika in nato povezave obeh heterospojnic "na hrbtno stran", otežujejo določanje uhajalnega toka. Kljub temu se zdi zelo verjetno, da je ista temperaturna odvisnost uhajalnega toka odgovorna za obnašanje Voc, opaženo v našem poskusu. V skladu z definicijo je Isc tok, potreben za nastanek negativne napetosti za kompenzacijo Voc, tako da je skupna napetost nič. Z naraščanjem temperature se Voc zmanjšuje, tako da je za nastanek negativne napetosti potrebno manj toka. Poleg tega se upor YBCO linearno povečuje s temperaturo nad Tc (spodaj na sliki 3b), kar prispeva tudi k manjši absolutni vrednosti Isc pri visokih temperaturah.
Upoštevajte, da so rezultati, prikazani na slikah 2 in 3, pridobljeni z laserskim obsevanjem območja okoli katodnih elektrod. Meritve so bile ponovljene tudi z lasersko točko, nameščeno na anodi, in opažene so bile podobne IV karakteristike in fotovoltaične lastnosti, le da je bila v tem primeru polarnost Voc in Isc obrnjena. Vsi ti podatki vodijo do mehanizma fotovoltaičnega učinka, ki je tesno povezan z vmesnikom med superprevodnikom in kovino.
Skratka, izmerjene so bile IV karakteristike lasersko obsevanega superprevodnega pastnega sistema YBCO-Ag kot funkcije temperature in laserske intenzivnosti. V temperaturnem območju od 50 do 300 K je bil opažen izjemen fotovoltaični učinek. Ugotovljeno je bilo, da so fotovoltaične lastnosti močno povezane s superprevodnostjo keramike YBCO. Do obrata polarnosti Voc in Isc pride takoj po fotoinduciranem prehodu iz superprevodnega v neprevodno stanje. Temperaturna odvisnost Voc in Isc, izmerjena pri fiksni laserski intenzivnosti, kaže tudi izrazito obrat polarnosti pri kritični temperaturi, nad katero vzorec postane uporoven. Z lociranjem laserske točke na različne dele vzorca pokažemo, da na vmesniku obstaja električni potencial, ki zagotavlja ločilno silo za fotoinducirane pare elektronov in vrzeli. Ta potencial vmesnika se usmerja od YBCO do kovinske elektrode, ko je YBCO superprevoden, in se preklopi v nasprotno smer, ko vzorec postane neprevoden. Izvor potenciala je lahko naravno povezan z učinkom bližine na vmesniku kovina-superprevodnik, ko je YBCO superprevoden, in je ocenjen na ~10−8 mV pri 50 K z lasersko intenzivnostjo 502 mW/cm2. Stik materiala p-tipa YBCO v normalnem stanju z materialom n-tipa Ag-pasta tvori kvazi-pn stik, ki je odgovoren za fotovoltaično obnašanje keramike YBCO pri visokih temperaturah. Zgornja opažanja osvetljujejo PV učinek v visokotemperaturni superprevodni keramiki YBCO in utirajo pot novim aplikacijam v optoelektronskih napravah, kot sta hitri pasivni detektor svetlobe in detektor posameznih fotonov.
Poskusi fotovoltaičnega učinka so bili izvedeni na keramičnem vzorcu YBCO debeline 0,52 mm in pravokotne oblike 8,64 × 2,26 mm2, osvetljenem z modrim laserjem z neprekinjenim valovanjem (λ = 450 nm) z velikostjo laserske pike s polmerom 1,25 mm. Uporaba vzorca v razsutem stanju namesto tankoplastnega nam omogoča preučevanje fotovoltaičnih lastnosti superprevodnika, ne da bi se morali ukvarjati s kompleksnim vplivom substrata6,7. Poleg tega bi lahko bil material v razsutem stanju ugoden zaradi preprostega postopka priprave in relativno nizkih stroškov. Bakrene žice so na vzorec YBCO pritrjene s srebrno pasto, ki tvori štiri krožne elektrode s premerom približno 1 mm. Razdalja med dvema napetostnima elektrodama je približno 5 mm. IV značilnosti vzorca so bile izmerjene z vibracijskim magnetometrom za vzorec (VersaLab, Quantum Design) z oknom iz kremenčevega kristala. Za pridobitev IV krivulj je bila uporabljena standardna štirižična metoda. Relativni položaji elektrod in laserske pike so prikazani na sliki 1i.
Kako citirati ta članek: Yang, F. et al. Izvor fotovoltaičnega učinka v superprevodni keramiki YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG in Testardi, LR Simetrično prepovedane lasersko inducirane napetosti v YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP in Dong, SY Izvor anomalnega fotovoltaičnega signala v Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR in Wang, GW Merjenje lasersko induciranih napetosti superprevodnega Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL in sod. Prehodne lasersko inducirane napetosti v filmih YBa2Cu3O7-x pri sobni temperaturi. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS in Zheng, JP Anomalni fotovoltaični odziv v YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. in Hiroi, Z. Injiciranje fotogeneriranih nosilcev lukenj v YBa2Cu3O7−x v oksidni heterostrukturi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Študija fotoemisije tankih filmov YBa2Cu3Oy pod svetlobno osvetlitvijo. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaični učinek heterospojnice YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb, žarjene pri različnih parcialnih tlakih kisika. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Dvo-režna struktura v monokristalih Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. in Mihailović, D. Dinamika relaksacije kvazidelcev v superprevodnikih z različnimi strukturami rež: Teorija in poskusi na YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ in Shen, BG Usmerjevalne lastnosti heterospoja YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL in Tanner, DB Eksitonska absorpcija in superprevodnost v YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ in Stucky, G. Prehodna fotoinducirana prevodnost v polprevodniških monokristalih YBa2Cu3O6.3: iskanje fotoinduciranega kovinskega stanja in fotoinducirane superprevodnosti. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunelski model superprevodnega bližinskega učinka. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Učinek bližine superprevodnosti, raziskan na mezoskopski dolžinski lestvici. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. in Manske, D. Učinek bližine pri necentrosimetričnih superprevodnikih. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Močan superprevodni učinek bližine v hibridnih strukturah Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS in Pearson, GL Nova silicijeva fotocelica s pn spojem za pretvorbo sončnega sevanja v električno energijo. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Vpliv nečistoč na superprevodno koherenčno dolžino v monokristalih YBa2Cu3O6.9, dopiranih z Zn ali Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. in Segawa, K. Magnetna upornost nedvojčenih monokristalov YBa2Cu3Oy v širokem območju dopiranja: anomalna odvisnost koherenčne dolžine od dopiranja lukenj. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD in Cooper, JR Sistematika termoelektrične moči oksidov z visoko temperaturo. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. idr. Premik gibalne količine koherentnega vrha, odvisen od gostote nosilcev, in fononski način LO v superprevodnikih p-tipa z visoko temperaturo Tc. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Redukcija lukenj in kopičenje elektronov v tankih filmih YBa2Cu3Oy z uporabo elektrokemijske tehnike: dokazi za kovinsko stanje n-tipa. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizika in kemija višine Schottkyjeve pregrade. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. in Langenberg, DN Učinki dinamičnega prekinitve zunanjih parov v superprevodnih filmih. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoinducirano povečanje superprevodnosti. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Obstojna fotoprevodnost v filmih YBa2Cu3O6+x kot metoda fotodopiranja proti kovinskim in superprevodnim fazam. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nelinearna dinamika mreže kot osnova za povečano superprevodnost v YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Svetlobno inducirana superprevodnost v progasto urejenem kupratu. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK in Al-Nuaim, IA. Nov pristop k funkcionalni odvisnosti HOS od temperature za sončno celico v povezavi z njeno učinkovitostjo. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM in Anderson, WA Temperaturni učinki v silicijevih sončnih celicah s Schottkyjevo pregrado. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. in Tuladhar, SM Temperaturna odvisnost parametrov fotovoltaičnih naprav sončnih celic iz polimera in fulerena v obratovalnih pogojih. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
To delo so podprli Nacionalna fundacija za naravoslovje Kitajske (št. nepovratnih sredstev 60571063) in Temeljni raziskovalni projekti province Henan na Kitajskem (št. nepovratnih sredstev 122300410231).
FY je napisal besedilo članka, MYH pa je pripravil keramični vzorec YBCO. FY in MYH sta izvedla poskus in analizirala rezultate. FGC je vodil projekt in znanstveno interpretacijo podatkov. Vsi avtorji so pregledali rokopis.
To delo je licencirano pod mednarodno licenco Creative Commons Priznanje avtorstva 4.0. Slike ali drugo gradivo tretjih oseb v tem članku so vključeni v licenco Creative Commons članka, razen če je v navedbi avtorja navedeno drugače; če gradivo ni vključeno v licenco Creative Commons, bodo morali uporabniki za reprodukcijo gradiva pridobiti dovoljenje imetnika licence. Za ogled kopije te licence obiščite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. in Chang, F. Izvor fotovoltaičnega učinka v superprevodni keramiki YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Z oddajo komentarja se strinjate, da boste upoštevali naše pogoje in smernice skupnosti. Če najdete kaj žaljivega ali kar ni v skladu z našimi pogoji ali smernicami, to označite kot neprimerno.
Čas objave: 22. april 2020