Origjina e efektit fotovoltaik në qeramikën superpërçuese YBa2Cu3O6.96

Faleminderit që vizituat nature.com. Po përdorni një version shfletuesi me mbështetje të kufizuar për CSS. Për të përfituar përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues më të azhurnuar (ose të çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, po e shfaqim faqen pa stile dhe JavaScript.

Ne raportojmë një efekt fotovoltaik të jashtëzakonshëm në qeramikën YBa2Cu3O6.96 (YBCO) midis 50 dhe 300 K të induktuar nga ndriçimi me lazer blu, i cili lidhet drejtpërdrejt me superpërçueshmërinë e YBCO dhe ndërfaqen YBCO-elektrodë metalike. Ekziston një përmbysje e polaritetit për tensionin e qarkut të hapur Voc dhe rrymën e qarkut të shkurtër Isc kur YBCO kalon nga gjendja superpërçuese në atë rezistente. Ne tregojmë se ekziston një potencial elektrik përgjatë ndërfaqes superpërçues-metal normal, i cili siguron forcën ndarëse për çiftet elektron-vrimë të induktuara nga fotoja. Ky potencial ndërfaqeje drejtohet nga YBCO në elektrodën metalike kur YBCO është superpërçues dhe kalon në drejtimin e kundërt kur YBCO bëhet jo-superpërçues. Origjina e potencialit mund të shoqërohet lehtësisht me efektin e afërsisë në ndërfaqen metal-superpërçues kur YBCO është superpërçues dhe vlera e tij vlerësohet të jetë ~10-8 mV në 50 K me një intensitet lazeri prej 502 mW/cm2. Kombinimi i një materiali të tipit p YBCO në gjendje normale me një material të tipit n Ag-paste formon një kryqëzim kuazi-pn i cili është përgjegjës për sjelljen fotovoltaike të qeramikës YBCO në temperatura të larta. Gjetjet tona mund të hapin rrugën për aplikime të reja të pajisjeve fotono-elektronike dhe të hedhin dritë të mëtejshme mbi efektin e afërsisë në ndërfaqen superpërçues-metal.

Tensioni i fotoinduktuar në superpërçuesit me temperaturë të lartë është raportuar në fillim të viteve 1990 dhe është hetuar gjerësisht që atëherë, megjithatë natyra dhe mekanizmi i tij mbeten të pazgjidhura1,2,3,4,5. Filmat e hollë YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, në veçanti, studiohen intensivisht në formën e qelizës fotovoltaike (PV) për shkak të boshllëkut të saj të rregullueshëm të energjisë9,10,11,12,13. Megjithatë, rezistenca e lartë e substratit gjithmonë çon në një efikasitet të ulët të konvertimit të pajisjes dhe maskon vetitë primare PV të YBCO8. Këtu raportojmë efektin e jashtëzakonshëm fotovoltaik të induktuar nga ndriçimi me lazer blu (λ = 450 nm) në qeramikën YBa2Cu3O6.96 (YBCO) midis 50 dhe 300 K (Tc ~ 90 K). Ne tregojmë se efekti PV është i lidhur drejtpërdrejt me superpërçueshmërinë e YBCO dhe natyrën e ndërfaqes YBCO-elektrodë metalike. Ekziston një përmbysje e polaritetit për tensionin e qarkut të hapur Voc dhe rrymën e qarkut të shkurtër Isc kur YBCO kalon nga faza superpërçuese në një gjendje rezistive. Propozohet që ekziston një potencial elektrik përgjatë ndërfaqes superpërçues-metal normal, i cili siguron forcën ndarëse për çiftet elektron-vrimë të foto-induktuara. Ky potencial ndërfaqeje drejtohet nga YBCO në elektrodën metalike kur YBCO është superpërçues dhe kalon në drejtimin e kundërt kur mostra bëhet jo-superpërçuese. Origjina e potencialit mund të shoqërohet natyrshëm me efektin e afërsisë14,15,16,17 në ndërfaqen metal-superpërçues kur YBCO është superpërçues dhe vlera e tij vlerësohet të jetë ~10−8 mV në 50 K me një intensitet lazeri prej 502 mW/cm2. Kombinimi i një materiali të tipit p YBCO në gjendje normale me një material të tipit n Ag-paste formon, me shumë mundësi, një kryqëzim kuazi-pn i cili është përgjegjës për sjelljen PV të qeramikës YBCO në temperatura të larta. Vëzhgimet tona hedhin dritë të mëtejshme mbi origjinën e efektit fotovoltaik në qeramikat YBCO superpërçuese në temperaturë të lartë dhe hapin rrugën për zbatimin e tij në pajisjet optoelektronike siç janë detektori i shpejtë pasiv i dritës etj.

Figura 1a–c tregon karakteristikat IV të mostrës qeramike YBCO në 50 K. Pa ndriçim me dritë, tensioni në të gjithë mostrën mbetet në zero me ndryshimin e rrymës, siç mund të pritet nga një material superpërçues. Efekti i dukshëm fotovoltaik shfaqet kur rrezja lazer drejtohet në katodë (Fig. 1a): kurbat IV paralel me boshtin I lëvizin poshtë me rritjen e intensitetit të lazerit. Është e qartë se ekziston një tension negativ i fotoinduktuar edhe pa asnjë rrymë (shpesh i quajtur tension i qarkut të hapur Voc). Pjerrësia zero e kurbës IV tregon se mostra është ende superpërçuese nën ndriçimin me lazer.

(a–c) dhe 300 K (e–g). Vlerat e V(I) u morën duke e zhvendosur rrymën nga −10 mA në +10 mA në vakum. Vetëm një pjesë e të dhënave eksperimentale është paraqitur për hir të qartësisë. a, Karakteristikat e rrymës-tensionit të YBCO të matura me pikën lazer të pozicionuar në katodë (i). Të gjitha kurbat IV janë vija të drejta horizontale që tregojnë se mostra është ende superpërçuese me rrezatim lazeri. Kurba lëviz poshtë me rritjen e intensitetit të lazerit, duke treguar se ekziston një potencial negativ (Voc) midis dy përçuesve të tensionit edhe me rrymë zero. Kurbat IV mbeten të pandryshuara kur lazeri drejtohet në qendër të mostrës në eter 50 K (b) ose 300 K (f). Vija horizontale lëviz lart ndërsa anoda ndriçohet (c). Një model skematik i kryqëzimit metal-superpërçues në 50 K është treguar në d. Karakteristikat e rrymës-tensionit të gjendjes normale të YBCO në 300 K të matura me rrezen lazer të drejtuar në katodë dhe anodë janë dhënë në e dhe g përkatësisht. Në dallim nga rezultatet në 50 K, pjerrësia jo-zero e vijave të drejta tregon se YBCO është në gjendje normale; vlerat e Voc ndryshojnë me intensitetin e dritës në një drejtim të kundërt, duke treguar një mekanizëm të ndryshëm të ndarjes së ngarkesës. Një strukturë e mundshme ndërfaqeje në 300 K është paraqitur në hj. Pamja reale e mostrës me tela.

YBCO-ja e pasur me oksigjen në gjendje superpërçuese mund të thithë pothuajse të gjithë spektrin e dritës së diellit për shkak të boshllëkut të saj shumë të vogël të energjisë (Eg)9,10, duke krijuar kështu çifte elektron-vrimë (e–h). Për të prodhuar një tension të qarkut të hapur Voc nga thithja e fotoneve, është e nevojshme të ndahen në mënyrë hapësinore çiftet e eh të gjeneruara nga fotot para se të ndodhë rekombinimi18. Voc negativ, në lidhje me katodën dhe anodën siç tregohet në Fig. 1i, sugjeron që ekziston një potencial elektrik në të gjithë ndërfaqen metal-superpërçues, i cili i çon elektronet në anodë dhe vrimat në katodë. Nëse është ky rasti, duhet të ketë edhe një potencial të drejtuar nga superpërçuesi në elektrodën metalike në anodë. Si pasojë, një Voc pozitiv do të merrej nëse zona e mostrës pranë anodës ndriçohet. Për më tepër, nuk duhet të ketë tensione të induktuara nga fotot kur pika e lazerit drejtohet në zona larg elektrodave. Sigurisht që është rasti siç mund të shihet nga Fig. 1b,c!.

Kur pika e dritës lëviz nga elektroda e katodës në qendër të mostrës (rreth 1.25 mm larg nga ndërfaqet), nuk mund të vërehet asnjë ndryshim i kurbave IV dhe asnjë Voc me rritjen e intensitetit të lazerit në vlerën maksimale të disponueshme (Fig. 1b). Natyrisht, ky rezultat mund t'i atribuohet jetëgjatësisë së kufizuar të bartësve të foto-induktuar dhe mungesës së forcës ndarëse në mostër. Çiftet elektron-vrimë mund të krijohen sa herë që mostra ndriçohet, por shumica e çifteve e-h do të asgjësohen dhe nuk vërehet asnjë efekt fotovoltaik nëse pika e lazerit bie në zona larg nga ndonjë prej elektrodave. Duke e zhvendosur pikën e lazerit në elektrodat e anodës, kurbat IV paralel me boshtin I lëvizin lart me rritjen e intensitetit të lazerit (Fig. 1c). Një fushë elektrike e integruar e ngjashme ekziston në kryqëzimin metal-superpërçues në anodë. Megjithatë, elektroda metalike lidhet me përçuesin pozitiv të sistemit të testimit këtë herë. Vrimat e prodhuara nga lazeri shtyhen në përçuesin e anodës dhe kështu vërehet një Voc pozitiv. Rezultatet e paraqitura këtu ofrojnë prova të forta se ekziston me të vërtetë një potencial ndërfaqeje që drejtohet nga superpërçuesi në elektrodën metalike.

Efekti fotovoltaik në qeramikën YBa2Cu3O6.96 në 300 K është treguar në Fig. 1e–g. Pa ndriçim me dritë, kurba IV e mostrës është një vijë e drejtë që kalon origjinën. Kjo vijë e drejtë lëviz lart paralelisht me atë origjinale me intensitet në rritje të lazerit që rrezaton në përçuesit e katodës (Fig. 1e). Ekzistojnë dy raste kufizuese me interes për një pajisje fotovoltaike. Gjendja e qarkut të shkurtër ndodh kur V = 0. Rryma në këtë rast quhet rrymë e qarkut të shkurtër (Isc). Rasti i dytë kufizues është gjendja e qarkut të hapur (Voc) e cila ndodh kur R→∞ ose rryma është zero. Figura 1e tregon qartë se Voc është pozitiv dhe rritet me rritjen e intensitetit të dritës, në kontrast me rezultatin e marrë në 50 K; ndërsa një Isc negativ vërehet të rritet në madhësi me ndriçimin e dritës, një sjellje tipike e qelizave diellore normale.

Në mënyrë të ngjashme, kur rrezja e lazerit drejtohet në zona larg elektrodave, kurba V(I) është e pavarur nga intensiteti i lazerit dhe nuk shfaqet efekt fotovoltaik (Fig. 1f). Ngjashëm me matjen në 50 K, kurbat IV lëvizin në drejtim të kundërt ndërsa elektroda e anodës rrezatohet (Fig. 1g). Të gjitha këto rezultate të marra për këtë sistem paste YBCO-Ag në 300 K me lazer të rrezatuar në pozicione të ndryshme të mostrës janë në përputhje me një potencial ndërfaqeje të kundërt me atë të vëzhguar në 50 K.

Shumica e elektroneve kondensohen në çifte Cooper në YBCO superpërçuese nën temperaturën e tij të tranzicionit Tc. Ndërsa është në elektrodën metalike, të gjitha elektronet mbeten në formë të vetme. Ekziston një gradient i madh dendësie si për elektronet e vetme ashtu edhe për çiftet Cooper në afërsi të ndërfaqes metal-superpërçues. Elektronet e vetme me bartës shumicë në materialin metalik do të shpërndahen në rajonin e superpërçuesit, ndërsa çiftet Cooper me bartës shumicë në rajonin YBCO do të shpërndahen në rajonin e metalit. Ndërsa çiftet Cooper që mbajnë më shumë ngarkesa dhe kanë një lëvizshmëri më të madhe sesa elektronet e vetme shpërndahen nga YBCO në rajonin metalik, atomet e ngarkuara pozitivisht mbeten pas, duke rezultuar në një fushë elektrike në rajonin e ngarkesës hapësinore. Drejtimi i kësaj fushe elektrike është treguar në diagramin skematik Fig. 1d. Ndriçimi i fotonit incident pranë rajonit të ngarkesës hapësinore mund të krijojë çifte eh që do të ndahen dhe do të fshihen duke prodhuar një fotorrymë në drejtimin e polarizimit të kundërt. Sapo elektronet dalin nga fusha elektrike e integruar, ato kondensohen në çifte dhe rrjedhin në elektrodën tjetër pa rezistencë. Në këtë rast, Voc është i kundërt me polaritetin e paracaktuar dhe shfaq një vlerë negative kur rrezja lazer tregon zonën përreth elektrodës negative. Nga vlera e Voc, potenciali në të gjithë ndërfaqen mund të vlerësohet: distanca midis dy përçuesve të tensionit d është ~5 × 10−3 m, trashësia e ndërfaqes metal-superpërçues, di, duhet të jetë e njëjta renditje madhësie si gjatësia e koherencës së superpërçuesit YBCO (~1 nm)19,20, merrni vlerën e Voc = 0.03 mV, potenciali Vms në ndërfaqen metal-superpërçues vlerësohet të jetë ~10−11 V në 50 K me një intensitet lazeri prej 502 mW/cm2, duke përdorur ekuacionin,

Duam të theksojmë këtu se tensioni i induktuar nga foto-efekti termik nuk mund të shpjegohet nga efekti foto-termik. Është vërtetuar eksperimentalisht se koeficienti Seebeck i superpërçuesit YBCO është Ss = 021. Koeficienti Seebeck për telat e plumbit të bakrit është në diapazonin SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Temperatura e telit të bakrit në pikën e lazerit mund të rritet me një sasi të vogël prej 0.06 K me intensitetin maksimal të lazerit të disponueshëm në 50 K. Kjo mund të prodhojë një potencial termoelektrik prej 6.9 × 10−8 V, i cili është tre urdhra madhësie më i vogël se Voc i marrë në Fig. 1 (a). Është e qartë se efekti termoelektrik është shumë i vogël për të shpjeguar rezultatet eksperimentale. Në fakt, ndryshimi i temperaturës për shkak të rrezatimit të lazerit do të zhdukej në më pak se një minutë, kështu që kontributi nga efekti termik mund të injorohet në mënyrë të sigurt.

Ky efekt fotovoltaik i YBCO-së në temperaturën e dhomës zbulon se këtu përfshihet një mekanizëm i ndryshëm i ndarjes së ngarkesës. YBCO superpërçues në gjendje normale është një material i tipit p me vrima si bartës të ngarkesës22,23, ndërsa pasta metalike Ag ka karakteristikat e një materiali të tipit n. Ngjashëm me nyjet pn, difuzioni i elektroneve në pastën e argjendit dhe vrimat në qeramikën YBCO do të formojë një fushë elektrike të brendshme që tregon qeramikën YBCO në ndërfaqen (Fig. 1h). Është kjo fushë e brendshme që siguron forcën e ndarjes dhe çon në një Voc pozitiv dhe Isc negativ për sistemin pastë YBCO-Ag në temperaturën e dhomës, siç tregohet në Fig. 1e. Nga ana tjetër, Ag-YBCO mund të formojë një nyje Schottky të tipit p e cila gjithashtu çon në një potencial ndërfaqeje me të njëjtin polaritet si në modelin e paraqitur më sipër24.

Për të hetuar procesin e detajuar të evolucionit të vetive fotovoltaike gjatë tranzicionit superpërçues të YBCO-së, u matën kurbat IV të mostrës në 80 K me intensitete të zgjedhura lazeri që ndriçonin në elektrodën e katodës (Fig. 2). Pa rrezatim lazeri, tensioni në të gjithë mostrën mbetet në zero pavarësisht nga rryma, duke treguar gjendjen superpërçuese të mostrës në 80 K (Fig. 2a). Ngjashëm me të dhënat e marra në 50 K, kurbat IV paralel me boshtin I lëvizin poshtë me rritjen e intensitetit të lazerit derisa të arrihet një vlerë kritike Pc. Mbi këtë intensitet kritik të lazerit (Pc), superpërçuesi i nënshtrohet një tranzicioni nga një fazë superpërçuese në një fazë rezistente; tensioni fillon të rritet me rrymën për shkak të shfaqjes së rezistencës në superpërçues. Si rezultat, kurba IV fillon të kryqëzohet me boshtin I dhe boshtin V duke çuar në një Voc negativ dhe një Isc pozitiv në fillim. Tani mostra duket se është në një gjendje të veçantë në të cilën polariteti i Voc dhe Isc është jashtëzakonisht i ndjeshëm ndaj intensitetit të dritës; Me një rritje shumë të vogël të intensitetit të dritës, Isc shndërrohet nga pozitive në negative dhe Voc nga negative në pozitive, duke kaluar origjinën (ndjeshmëria e lartë e vetive fotovoltaike, veçanërisht vlera e Isc, ndaj ndriçimit të dritës mund të shihet më qartë në Fig. 2b). Në intensitetin më të lartë të lazerit të disponueshëm, kurbat IV synojnë të jenë paralele me njëra-tjetrën, duke treguar gjendjen normale të mostrës YBCO.

Qendra e pikës së lazerit është e pozicionuar rreth elektrodave të katodës (shih Fig. 1i). a, Kurbat IV të YBCO të rrezatuar me intensitete të ndryshme lazeri. b (sipër), Varësia e intensitetit të lazerit nga tensioni i qarkut të hapur Voc dhe rryma e qarkut të shkurtër Isc. Vlerat Isc nuk mund të merren në intensitet të ulët të dritës (< 110 mW/cm2) sepse kurbat IV janë paralele me boshtin I kur mostra është në gjendje superpërçuese. b (poshtë), rezistenca diferenciale si një funksion i intensitetit të lazerit.

Varësia e intensitetit të lazerit të Voc dhe Isc në 80 K tregohet në Fig. 2b (sipër). Vetitë fotovoltaike mund të diskutohen në tre rajone të intensitetit të dritës. Rajoni i parë është midis 0 dhe Pc, në të cilin YBCO është superpërçues, Voc është negativ dhe zvogëlohet (vlera absolute rritet) me intensitetin e dritës dhe duke arritur një minimum në Pc. Rajoni i dytë është nga Pc në një intensitet tjetër kritik P0, në të cilin Voc rritet ndërsa Isc zvogëlohet me rritjen e intensitetit të dritës dhe të dy arrijnë zero në P0. Rajoni i tretë është mbi P0 derisa të arrihet gjendja normale e YBCO. Edhe pse si Voc ashtu edhe Isc ndryshojnë me intensitetin e dritës në të njëjtën mënyrë si në rajonin 2, ato kanë polaritet të kundërt mbi intensitetin kritik P0. Rëndësia e P0 qëndron në atë se nuk ka efekt fotovoltaik dhe mekanizmi i ndarjes së ngarkesës ndryshon cilësisht në këtë pikë të veçantë. Mostra YBCO bëhet jo-superpërçuese në këtë diapazon të intensitetit të dritës, por gjendja normale ende nuk është arritur.

Është e qartë se karakteristikat fotovoltaike të sistemit janë të lidhura ngushtë me superpërçueshmërinë e YBCO-së dhe tranzicionin e tij superpërçues. Rezistenca diferenciale, dV/dI, e YBCO-së tregohet në Fig. 2b (poshtë) si një funksion i intensitetit të lazerit. Siç u përmend më parë, potenciali elektrik i ndërtuar në ndërfaqe për shkak të pikave të difuzionit të çiftit Cooper nga superpërçuesi në metal. Ngjashëm me atë të vëzhguar në 50 K, efekti fotovoltaik rritet me rritjen e intensitetit të lazerit nga 0 në Pc. Kur intensiteti i lazerit arrin një vlerë pak mbi Pc, kurba IV fillon të anohet dhe rezistenca e mostrës fillon të shfaqet, por polariteti i potencialit të ndërfaqes nuk është ndryshuar ende. Efekti i ngacmimit optik në superpërçueshmëri është hetuar në rajonin e dukshëm ose afër IR. Ndërsa procesi bazë është të ndash çiftet Cooper dhe të shkatërrosh superpërçueshmërinë25,26, në disa raste tranzicioni i superpërçueshmërisë mund të përmirësohet27,28,29, madje mund të induktohen faza të reja të superpërçueshmërisë30. Mungesa e superpërçueshmërisë në Pc mund t'i atribuohet thyerjes së çiftit të induktuar nga fotoja. Në pikën P0, potenciali në të gjithë ndërfaqen bëhet zero, duke treguar se dendësia e ngarkesës në të dyja anët e ndërfaqes arrin të njëjtin nivel nën këtë intensitet të veçantë të ndriçimit të dritës. Rritja e mëtejshme e intensitetit të lazerit rezulton në shkatërrimin e më shumë çifteve Cooper dhe YBCO transformohet gradualisht përsëri në një material të tipit p. Në vend të difuzionit të elektroneve dhe çifteve Cooper, karakteristika e ndërfaqes tani përcaktohet nga difuzioni i elektroneve dhe vrimave, i cili çon në një përmbysje të polaritetit të fushës elektrike në ndërfaqe dhe rrjedhimisht në një Voc pozitiv (krahaso Fig. 1d, h). Në intensitet shumë të lartë të lazerit, rezistenca diferenciale e ngopurave YBCO në një vlerë që korrespondon me gjendjen normale dhe si Voc ashtu edhe Isc kanë tendencë të ndryshojnë linearisht me intensitetin e lazerit (Fig. 2b). Ky vëzhgim zbulon se rrezatimi me lazer në YBCO në gjendje normale nuk do ta ndryshojë më rezistencën e tij dhe tiparin e ndërfaqes superpërçues-metal, por vetëm do të rrisë përqendrimin e çifteve elektron-vrimë.

Për të hetuar efektin e temperaturës në vetitë fotovoltaike, sistemi metal-superpërçues u rrezatua në katodë me lazer blu me intensitet 502 mW/cm2. Kurbat IV të marra në temperatura të zgjedhura midis 50 dhe 300 K janë dhënë në Fig. 3a. Tensioni i qarkut të hapur Voc, rryma e qarkut të shkurtër Isc dhe rezistenca diferenciale mund të merren më pas nga këto kurba IV dhe tregohen në Fig. 3b. Pa ndriçim drite, të gjitha kurbat IV të matura në temperatura të ndryshme kalojnë origjinën siç pritet (futja e Fig. 3a). Karakteristikat IV ndryshojnë në mënyrë drastike me rritjen e temperaturës kur sistemi ndriçohet nga një rreze lazeri relativisht e fortë (502 mW/cm2). Në temperatura të ulëta, kurbat IV janë vija të drejta paralele me boshtin I me vlera negative të Voc. Kjo kurbë lëviz lart me rritjen e temperaturës dhe gradualisht shndërrohet në një vijë me një pjerrësi jo zero në një temperaturë kritike Tcp (Fig. 3a (sipër)). Duket se të gjitha kurbat karakteristike IV rrotullohen rreth një pike në kuadrantin e tretë. Voc rritet nga një vlerë negative në një vlerë pozitive, ndërsa Isc zvogëlohet nga një vlerë pozitive në një vlerë negative. Mbi temperaturën origjinale të tranzicionit superpërçues Tc të YBCO-së, kurba IV ndryshon mjaft ndryshe me temperaturën (fundi i Fig. 3a). Së pari, qendra e rrotullimit të kurbave IV lëviz në kuadrantin e parë. Së dyti, Voc vazhdon të ulet dhe Isc rritet me rritjen e temperaturës (faqja e sipërme e Fig. 3b). Së treti, pjerrësia e kurbave IV rritet në mënyrë lineare me temperaturën, duke rezultuar në një koeficient pozitiv të rezistencës së temperaturës për YBCO-në (fundi i Fig. 3b).

Varësia e karakteristikave fotovoltaike nga temperatura për sistemin YBCO-Ag paste nën ndriçim me lazer 502 mW/cm2.

Qendra e pikës së lazerit është pozicionuar rreth elektrodave të katodës (shih Fig. 1i). a, kurbat IV të marra nga 50 në 90 K (sipër) dhe nga 100 në 300 K (poshtë) me një rritje të temperaturës prej 5 K dhe 20 K, përkatësisht. Inset a tregon karakteristikat IV në disa temperatura në errësirë. Të gjitha kurbat kalojnë pikën e origjinës. b, tensioni i qarkut të hapur Voc dhe rryma e qarkut të shkurtër Isc (sipër) dhe rezistenca diferenciale, dV/dI, e YBCO (poshtë) si një funksion i temperaturës. Temperatura e tranzicionit superpërçues me rezistencë zero Tcp nuk është dhënë sepse është shumë afër Tc0.

Tre temperatura kritike mund të njihen nga Fig. 3b: Tcp, mbi të cilën YBCO bëhet jo-superpërçues; Tc0, në të cilën si Voc ashtu edhe Isc bëhen zero dhe Tc, temperatura fillestare e tranzicionit superpërçues të YBCO pa rrezatim lazer. Nën Tcp ~ 55 K, YBCO i rrezatuar me lazer është në gjendje superpërçuese me përqendrim relativisht të lartë të çifteve Cooper. Efekti i rrezatimit lazer është të zvogëlojë temperaturën e tranzicionit superpërçues me rezistencë zero nga 89 K në ~55 K (fundi i Fig. 3b) duke zvogëluar përqendrimin e çiftit Cooper përveç prodhimit të tensionit dhe rrymës fotovoltaike. Rritja e temperaturës gjithashtu i prish çiftet Cooper duke çuar në një potencial më të ulët në ndërfaqe. Si pasojë, vlera absolute e Voc do të bëhet më e vogël, megjithëse aplikohet i njëjti intensitet i ndriçimit me lazer. Potenciali i ndërfaqes do të bëhet gjithnjë e më i vogël me rritje të mëtejshme të temperaturës dhe arrin zero në Tc0. Nuk ka efekt fotovoltaik në këtë pikë të veçantë sepse nuk ka fushë të brendshme për të ndarë çiftet elektron-vrimë të induktuara nga fotoja. Një përmbysje e polaritetit të potencialit ndodh mbi këtë temperaturë kritike, pasi dendësia e ngarkesës së lirë në pastën e Ag është më e madhe se ajo në YBCO, e cila transferohet gradualisht përsëri në një material të tipit p. Këtu duam të theksojmë se përmbysja e polaritetit të Voc dhe Isc ndodh menjëherë pas tranzicionit të superpërçueshmërisë me rezistencë zero, pavarësisht nga shkaku i tranzicionit. Ky vëzhgim zbulon qartë, për herë të parë, korrelacionin midis superpërçueshmërisë dhe efekteve fotovoltaike të shoqëruara me potencialin e ndërfaqes metal-superpërçues. Natyra e këtij potenciali përgjatë ndërfaqes superpërçues-metal normal ka qenë një fokus kërkimor për disa dekada të fundit, por ka shumë pyetje që ende presin përgjigje. Matja e efektit fotovoltaik mund të jetë një metodë efektive për të eksploruar detajet (të tilla si forca dhe polariteti i tij etj.) të këtij potenciali të rëndësishëm dhe kështu të hedhë dritë mbi efektin e afërsisë së superpërçueshmërisë në temperaturë të lartë.

Rritja e mëtejshme e temperaturës nga Tc0 në Tc çon në një përqendrim më të vogël të çifteve Cooper dhe një rritje në potencialin e ndërfaqes dhe rrjedhimisht në një Voc më të madh. Në Tc, përqendrimi i çiftit Cooper bëhet zero dhe potenciali i ndërtimit në ndërfaqe arrin një maksimum, duke rezultuar në Voc maksimal dhe Isc minimal. Rritja e shpejtë e Voc dhe Isc (vlera absolute) në këtë diapazon temperature korrespondon me tranzicionin superpërçues i cili zgjerohet nga ΔT ~ 3 K në ~34 K nga rrezatimi lazer me intensitet 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Në gjendjet normale mbi Tc, tensioni i qarkut të hapur Voc zvogëlohet me temperaturën (kryesia e Fig. 3b), ngjashëm me sjelljen lineare të Voc për qelizat diellore normale bazuar në kryqëzimet pn31,32,33. Megjithëse shkalla e ndryshimit të Voc me temperaturën (−dVoc/dT), e cila varet fort nga intensiteti i lazerit, është shumë më e vogël se ajo e qelizave diellore normale, koeficienti i temperaturës së Voc për kryqëzimin YBCO-Ag ka të njëjtin rend madhësie si ai i qelizave diellore. Rryma e rrjedhjes së një kryqëzimi pn për një pajisje normale qelize diellore rritet me rritjen e temperaturës, duke çuar në një ulje të Voc ndërsa temperatura rritet. Kurbat lineare IV të vëzhguara për këtë sistem Ag-superpërçues, për shkak të së pari potencialit shumë të vogël të ndërfaqes dhe së dyti lidhjes shpinë më shpinë të dy hetero-kryqëzimeve, e bëjnë të vështirë përcaktimin e rrymës së rrjedhjes. Megjithatë, duket shumë e mundshme që e njëjta varësi e temperaturës së rrymës së rrjedhjes është përgjegjëse për sjelljen Voc të vëzhguar në eksperimentin tonë. Sipas përkufizimit, Isc është rryma e nevojshme për të prodhuar një tension negativ për të kompensuar Voc në mënyrë që tensioni total të jetë zero. Ndërsa temperatura rritet, Voc bëhet më i vogël në mënyrë që të nevojitet më pak rrymë për të prodhuar tensionin negativ. Për më tepër, rezistenca e YBCO rritet në mënyrë lineare me temperaturën mbi Tc (fundi i Fig. 3b), gjë që gjithashtu kontribuon në vlerën më të vogël absolute të Isc në temperatura të larta.

Vini re se rezultatet e dhëna në Fig. 2, 3 janë marrë duke rrezatuar me lazer në zonën përreth elektrodave të katodës. Matjet janë përsëritur gjithashtu me pikën lazer të pozicionuar në anodë dhe janë vërejtur karakteristika të ngjashme IV dhe veti fotovoltaike, përveç se polariteti i Voc dhe Isc është përmbysur në këtë rast. Të gjitha këto të dhëna çojnë në një mekanizëm për efektin fotovoltaik, i cili është i lidhur ngushtë me ndërfaqen superpërçues-metal.

Si përmbledhje, karakteristikat IV të sistemit superpërçues të pastës YBCO-Ag të rrezatuar me lazer janë matur si funksione të temperaturës dhe intensitetit të lazerit. Efekt fotovoltaik i jashtëzakonshëm është vërejtur në diapazonin e temperaturës nga 50 deri në 300 K. Është zbuluar se vetitë fotovoltaike lidhen fort me superpërçueshmërinë e qeramikës YBCO. Një përmbysje e polaritetit të Voc dhe Isc ndodh menjëherë pas tranzicionit nga superpërçues i fotoinduktuar në jo-superpërçues. Varësia nga temperatura e Voc dhe Isc e matur me intensitet fiks të lazerit tregon gjithashtu një përmbysje të dallueshme të polaritetit në një temperaturë kritike mbi të cilën mostra bëhet rezistente. Duke e vendosur pikën e lazerit në një pjesë të ndryshme të mostrës, ne tregojmë se ekziston një potencial elektrik në të gjithë ndërfaqen, e cila siguron forcën ndarëse për çiftet elektron-vrimë të fotoinduktuara. Ky potencial i ndërfaqes drejtohet nga YBCO në elektrodën metalike kur YBCO është superpërçues dhe kalon në drejtimin e kundërt kur mostra bëhet jo-superpërçuese. Origjina e potencialit mund të shoqërohet natyrshëm me efektin e afërsisë në ndërfaqen metal-superpërçues kur YBCO është superpërçues dhe vlerësohet të jetë ~10−8 mV në 50 K me një intensitet lazeri prej 502 mW/cm2. Kontakti i një materiali të tipit p YBCO në gjendje normale me një material të tipit n Ag-paste formon një kryqëzim kuazi-pn i cili është përgjegjës për sjelljen fotovoltaike të qeramikës YBCO në temperatura të larta. Vëzhgimet e mësipërme hedhin dritë mbi efektin PV në qeramikat YBCO superpërçuese në temperaturë të lartë dhe hapin rrugën për aplikime të reja në pajisjet optoelektronike siç janë detektori i shpejtë pasiv i dritës dhe detektori i një fotoni të vetëm.

Eksperimentet e efektit fotovoltaik u kryen në një mostër qeramike YBCO me trashësi 0.52 mm dhe formë drejtkëndëshe 8.64 × 2.26 mm2 dhe të ndriçuar nga lazer blu me valë të vazhdueshme (λ = 450 nm) me madhësi të pikës lazer prej 1.25 mm në rreze. Përdorimi i mostrës masive në vend të mostrës së filmit të hollë na lejon të studiojmë vetitë fotovoltaike të superpërçuesit pa pasur nevojë të merremi me ndikimin kompleks të substratit6,7. Për më tepër, materiali masiv mund të jetë i favorshëm për procedurën e tij të thjeshtë të përgatitjes dhe koston relativisht të ulët. Telat e plumbit të bakrit janë të lidhur në mostrën YBCO me pastë argjendi duke formuar katër elektroda rrethore me diametër rreth 1 mm. Distanca midis dy elektrodave të tensionit është rreth 5 mm. Karakteristikat IV të mostrës u matën duke përdorur magnetometrin e mostrës së dridhjeve (VersaLab, Quantum Design) me një dritare kristali kuarci. Metoda standarde me katër tela u përdor për të marrë kurbat IV. Pozicionet relative të elektrodave dhe pikës së lazerit tregohen në Fig. 1i.

Si ta citoni këtë artikull: Yang, F. et al. Origjina e efektit fotovoltaik në qeramikën superpërçuese YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Tensione të induktuara nga lazeri të ndaluara nga simetria në YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Origjina e sinjalit fotovoltaik anormal në Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Matja e tensioneve të induktuara nga lazeri të Bi-Sr-Ca-Cu-O superpërçues. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Tensione kalimtare të induktuara nga lazeri në filma në temperaturë ambienti të YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Përgjigje fotovoltaike anomale në YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeksion i fotogjeneruar i bartësit të vrimave në YBa2Cu3O7−x në një heterostrukturë oksidi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Studimi i fotoemisionit të filmave të hollë YBa2Cu3Oy nën ndriçim të lehtë. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Efekti fotovoltaik i heterolidhjes YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb të pjekur në presione të ndryshme të pjesshme të oksigjenit. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Struktura me dy boshllëqe në kristalet e vetme Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika e relaksimit të kuazipjesëzave në superpërçues me struktura të ndryshme boshllëqesh: Teoria dhe eksperimentet mbi YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Vetitë ndreqëse të hetero-lidhjes YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Thithja eksitonike dhe superpërçueshmëria në YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Përçueshmëri kalimtare e fotoinduktuar në kristale të vetme gjysmëpërçuese të YBa2Cu3O6.3: kërkim për gjendje metalike të fotoinduktuar dhe për superpërçueshmëri të fotoinduktuar. Komuniteti i Gjendjes së Ngurtë. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Modeli i tunelimit të efektit të afërsisë superpërçuese. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Efekti i afërsisë superpërçuese i hetuar në një shkallë gjatësie mezoskopike. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Efekti i afërsisë me superpërçues jocentrosimetrikë. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Efekti i fortë i afërsisë superpërçuese në strukturat hibride Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Një fotoqelizë e re silikoni e kryqëzimit pn për shndërrimin e rrezatimit diellor në energji elektrike. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Efektet e papastërtive në gjatësinë e koherencës superpërçuese në kristalet e vetme YBa2Cu3O6.9 të dopuara me Zn ose Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetorezistenca e kristaleve të vetme YBa2Cu3Oy të pabinjakzuara në një gamë të gjerë dopingu: varësia anormale e gjatësisë së koherencës nga dopingu i vrimave. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika në fuqinë termoelektrike të oksideve me T të lartë. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Zhvendosja e momentit të varur nga dendësia e bartësit e majës koherente dhe moda e fononit LO në superpërçuesit me Tc të lartë të tipit p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Reduktimi i vrimave dhe akumulimi i elektroneve në filma të hollë YBa2Cu3Oy duke përdorur një teknikë elektrokimike: Dëshmi për një gjendje metalike të tipit n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fizika dhe kimia e lartësisë së barrierës Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efektet e Prishjes Dinamike të Çifteve të Jashtme në Filmat Superpërçues. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Përmirësimi i superpërçueshmërisë nga fotoindukti. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Fotopërçueshmëria persistente në filmat YBa2Cu3O6+x si një metodë e fotodopimit drejt fazave metalike dhe superpërçuese. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Dinamika jolineare e rrjetës si bazë për superpërçueshmëri të përmirësuar në YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Superpërçueshmëria e induktuar nga drita në një bakër të renditur në vija. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Varësia funksionale e VOC nga temperatura për një qelizë diellore në lidhje me efikasitetin e saj, qasje e re. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Efektet e temperaturës në qelizat diellore të silikonit me barrierë Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Varësia nga temperatura për parametrat e pajisjes fotovoltaike të qelizave diellore polimer-fulleren në kushte operimi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Ky punim është mbështetur nga Fondacioni Kombëtar i Shkencave Natyrore të Kinës (Granti Nr. 60571063), Projektet e Kërkimit Themelor të Provincës Henan, Kinë (Granti Nr. 122300410231).

FY shkroi tekstin e punimit dhe MYH përgatiti mostrën qeramike YBCO. FY dhe MYH kryen eksperimentin dhe analizuan rezultatet. FGC udhëhoqi projektin dhe interpretimin shkencor të të dhënave. Të gjithë autorët shqyrtuan dorëshkrimin.

Kjo vepër është e licencuar sipas një Licence Ndërkombëtare Creative Commons Attribution 4.0. Imazhet ose materiale të tjera të palëve të treta në këtë artikull përfshihen në licencën Creative Commons të artikullit, përveç nëse tregohet ndryshe në rreshtin e kreditit; nëse materiali nuk është përfshirë sipas licencës Creative Commons, përdoruesit do të duhet të marrin leje nga mbajtësi i licencës për të riprodhuar materialin. Për të parë një kopje të kësaj licence, vizitoni http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Origjina e efektit fotovoltaik në qeramikën superpërçuese YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Duke paraqitur një koment, ju pranoni të zbatoni Kushtet dhe Udhëzimet tona të Komunitetit. Nëse gjeni diçka abuzive ose që nuk përputhet me kushtet ose udhëzimet tona, ju lutemi ta raportoni atë si të papërshtatshme.