Asal-usul éfék fotovoltaik dina keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96

Hatur nuhun parantos nganjang ka nature.com. Anjeun nganggo vérsi browser anu dukungan CSS-na kawates. Pikeun kéngingkeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu langkung énggal (atanapi mareuman modeu kompatibilitas dina Internet Explorer). Samentawis waktos, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami nampilkeun situs ieu tanpa gaya sareng JavaScript.

Kami ngalaporkeun pangaruh fotovoltaik anu luar biasa dina keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 sareng 300 K anu diinduksi ku iluminasi laser biru, anu langsung aya hubunganana sareng superkonduktivitas YBCO sareng antarmuka éléktroda logam YBCO. Aya pambalikan polaritas pikeun tegangan sirkuit terbuka Voc sareng arus sirkuit pondok Isc nalika YBCO ngalaman transisi tina superkonduktor ka kaayaan résistif. Kami nunjukkeun yén aya poténsial listrik di sakuliah antarmuka logam normal superkonduktor, anu nyayogikeun gaya pamisahan pikeun pasangan éléktron-liang anu diinduksi ku poto. Poténsi antarmuka ieu ngarahkeun ti YBCO ka éléktroda logam nalika YBCO superkonduktor sareng ngalih ka arah anu sabalikna nalika YBCO janten nonsuperkonduktor. Asal poténsial tiasa gampang dikaitkeun sareng pangaruh jarak dina antarmuka logam-superkonduktor nalika YBCO superkonduktor sareng nilaina diperkirakeun ~10–8 mV dina 50 K kalayan inténsitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi bahan tipe-p YBCO dina kaayaan normal sareng bahan tipe-n Ag-paste ngabentuk sambungan kuasi-pn anu tanggung jawab kana paripolah fotovoltaik keramik YBCO dina suhu anu luhur. Panemuan kami tiasa muka jalan pikeun aplikasi énggal alat foton-éléktronik sareng ngajelaskeun langkung seueur ngeunaan pangaruh jarak dina antarmuka superkonduktor-logam.

Tegangan foto-induksi dina superkonduktor suhu luhur parantos dilaporkeun dina awal taun 1990-an sareng parantos ditalungtik sacara éksténsif ti saprak harita, tapi sifat sareng mékanismena tetep teu acan ditetepkeun1,2,3,4,5. Pilem ipis YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, khususna, ditalungtik sacara intensif dina bentuk sél fotovoltaik (PV) kusabab celah énergi anu tiasa disaluyukeun9,10,11,12,13. Nanging, résistansi substrat anu luhur sok nyababkeun efisiensi konvérsi alat anu handap sareng nutupan sipat PV primér YBCO8. Di dieu kami ngalaporkeun pangaruh fotovoltaik anu luar biasa anu diinduksi ku iluminasi laser biru (λ = 450 nm) dina keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 sareng 300 K (Tc ~ 90 K). Kami nunjukkeun yén pangaruh PV langsung aya hubunganana sareng superkonduktivitas YBCO sareng sifat antarmuka éléktroda logam YBCO. Aya pambalikan polaritas pikeun tegangan sirkuit kabuka Voc sareng arus sirkuit pondok Isc nalika YBCO ngalaman transisi tina fase superkonduktor ka kaayaan résistif. Diusulkeun yén aya poténsial listrik di sakuliah antarmuka logam normal superkonduktor, anu nyayogikeun gaya pamisahan pikeun pasangan éléktron-liang anu diinduksi ku poto. Poténsi antarmuka ieu ngarahkeun ti YBCO ka éléktroda logam nalika YBCO superkonduktor sareng ngalih ka arah anu sabalikna nalika sampel janten nonsuperkonduktor. Asal poténsial tiasa sacara alami aya hubunganana sareng pangaruh jarak 14,15,16,17 dina antarmuka logam-superkonduktor nalika YBCO superkonduktor sareng nilaina diperkirakeun ~10−8 mV dina 50 K kalayan inténsitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi bahan tipe-p YBCO dina kaayaan normal sareng bahan tipe-n Ag-paste ngabentuk, paling dipikaresep, sambungan kuasi-pn anu tanggung jawab kana paripolah PV keramik YBCO dina suhu anu luhur. Panemuan kami ngajelaskeun langkung seueur ngeunaan asal-usul pangaruh PV dina keramik YBCO superkonduktor suhu luhur sareng muka jalan pikeun aplikasi na dina alat optoelektronik sapertos detektor cahaya pasif gancang jsb.

Gambar 1a–c nunjukkeun yén karakteristik IV tina sampel keramik YBCO dina 50 K. Tanpa cahaya, tegangan dina sampel tetep nol kalayan arus anu robih, sapertos anu tiasa dipiharep tina bahan superkonduktor. Éfék fotovoltaik anu jelas muncul nalika sinar laser diarahkeun ka katoda (Gambar 1a): kurva IV sajajar sareng sumbu I bergerak ka handap kalayan inténsitas laser anu ningkat. Éta jelas yén aya tegangan foto-induced négatip bahkan tanpa arus (sering disebut tegangan sirkuit terbuka Voc). Lamping nol tina kurva IV nunjukkeun yén sampel masih superkonduktor dina cahaya laser.

(a–c) sareng 300 K (e–g). Nilai V(I) diala ku cara ngalirkeun arus ti −10 mA ka +10 mA dina vakum. Ngan sabagian tina data ékspérimén anu dipidangkeun pikeun kajelasan. a, Karakteristik tegangan-arus YBCO diukur ku titik laser anu diposisikan dina katoda (i). Sadaya kurva IV mangrupikeun garis lempeng horizontal anu nunjukkeun sampel masih superkonduktor ku iradiasi laser. Kurva éta bergerak ka handap kalayan ningkatna inténsitas laser, nunjukkeun yén aya poténsial négatip (Voc) antara dua kabel tegangan sanajan arus nol. Kurva IV tetep teu robih nalika laser diarahkeun ka tengah sampel dina éter 50 K (b) atanapi 300 K (f). Garis horizontal bergerak ka luhur nalika anoda disinari (c). Modél skematis sambungan logam-superkonduktor dina 50 K dipidangkeun dina d. Karakteristik tegangan-arus tina kaayaan normal YBCO dina 300 K diukur ku sinar laser anu nunjuk ka katoda sareng anoda masing-masing dipasihkeun dina e sareng g. Sabalikna tina hasil dina 50 K, lamping anu henteu nol tina garis lempeng nunjukkeun yén YBCO aya dina kaayaan normal; nilai Voc rupa-rupa kalayan inténsitas cahaya dina arah anu sabalikna, nunjukkeun mékanisme pamisahan muatan anu béda. Struktur antarmuka anu mungkin dina 300 K digambarkeun dina hj Gambaran nyata sampel kalayan kabel.

YBCO anu beunghar oksigén dina kaayaan superkonduktor tiasa nyerep ampir sadaya spéktrum sinar panonpoé kusabab celah énergi anu alit pisan (Eg)9,10, sahingga nyiptakeun pasangan éléktron-liang (e-h). Pikeun ngahasilkeun tegangan sirkuit kabuka Voc ku cara nyerep foton, perlu misahkeun sacara spasial pasangan eh anu dihasilkeun ku poto sateuacan rekombinasi lumangsung18. Voc négatif, relatif ka katoda sareng anoda sapertos anu dituduhkeun dina Gambar 1i, nunjukkeun yén aya poténsial listrik di sakuliah antarmuka logam-superkonduktor, anu nyapu éléktron ka anoda sareng liang ka katoda. Upami ieu masalahna, kedah aya ogé titik poténsial anu nunjuk ti superkonduktor ka éléktroda logam di anoda. Hasilna, Voc positif bakal diala upami daérah sampel caket anoda disinari. Salajengna, teu kedah aya tegangan anu diinduksi ku poto nalika titik laser nunjuk ka daérah anu jauh ti éléktroda. Éta pastina masalahna sapertos anu tiasa ditingali tina Gambar 1b,c!.

Nalika titik cahaya pindah ti éléktroda katoda ka tengah sampel (sakitar 1,25 mm ti antarbeungeut), teu aya variasi kurva IV sareng teu aya Voc anu tiasa dititénan kalayan ningkatna inténsitas laser dugi ka nilai maksimum anu sayogi (Gambar 1b). Tangtosna, hasil ieu tiasa disababkeun ku umur operator anu diinduksi ku foto anu terbatas sareng kurangna gaya pamisahan dina sampel. Pasangan éléktron-liang tiasa didamel iraha waé sampel disinari, tapi kaseueuran pasangan e-h bakal musnah sareng teu aya pangaruh fotovoltaik anu dititénan upami titik laser murag dina daérah anu jauh ti éléktroda mana waé. Mindahkeun titik laser ka éléktroda anoda, kurva IV sajajar sareng sumbu I bergerak ka luhur kalayan ningkatna inténsitas laser (Gambar 1c). Médan listrik bawaan anu sami aya dina sambungan logam-superkonduktor di anoda. Nanging, éléktroda logam nyambung ka kabel positif sistem tés waktos ieu. Liang anu dihasilkeun ku laser didorong ka kabel anoda sahingga Voc positif dititénan. Hasil anu dipidangkeun di dieu nyayogikeun bukti anu kuat yén memang aya poténsial antarmuka anu nunjuk ti superkonduktor ka éléktroda logam.

Éfék fotovoltaik dina keramik YBa2Cu3O6.96 dina 300 K dipidangkeun dina Gambar 1e–g. Tanpa cahaya, kurva IV sampel mangrupikeun garis lempeng anu meuntas titik asal. Garis lempeng ieu bergerak ka luhur sajajar sareng garis aslina kalayan ningkatna inténsitas laser anu nyinari dina kabel katoda (Gambar 1e). Aya dua kasus pangwates anu dipikaresep pikeun alat fotovoltaik. Kaayaan hubung pondok lumangsung nalika V = 0. Arus dina hal ieu disebut arus hubung pondok (Isc). Kasus pangwates anu kadua nyaéta kaayaan hubung kabuka (Voc) anu lumangsung nalika R→∞ atanapi arusna nol. Gambar 1e sacara jelas nunjukkeun yén Voc positip sareng ningkat kalayan ningkatna inténsitas cahaya, kontras sareng hasil anu diala dina 50 K; sedengkeun Isc négatip dititénan ningkat gedéna kalayan cahaya, paripolah has sél surya normal.

Sarua kitu, nalika sinar laser diarahkeun ka daérah anu jauh ti éléktroda, kurva V (I) henteu gumantung kana inténsitas laser sareng teu aya pangaruh fotovoltaik anu katingali (Gambar 1f). Sarupa sareng pangukuran dina 50 K, kurva IV ngalih ka arah anu sabalikna nalika éléktroda anoda diiradiasi (Gambar 1g). Sadaya hasil anu diala pikeun sistem pasta YBCO-Ag ieu dina 300 K kalayan diiradiasi laser dina posisi sampel anu béda-béda saluyu sareng poténsi antarmuka anu sabalikna tina anu dititénan dina 50 K.

Kaseueuran éléktron ngembun dina pasangan Cooper dina superkonduktor YBCO di handap suhu transisi Tc na. Sedengkeun dina éléktroda logam, sadaya éléktron tetep dina bentuk tunggal. Aya gradien kapadetan anu ageung pikeun éléktron tunggal sareng pasangan Cooper di sakitar antarmuka logam-superkonduktor. Éléktron tunggal mayoritas-pamawa dina bahan logam bakal nyebar ka daérah superkonduktor, sedengkeun pasangan Cooper mayoritas-pamawa di daérah YBCO bakal nyebar ka daérah logam. Nalika pasangan Cooper anu mawa langkung seueur muatan sareng gaduh mobilitas anu langkung ageung tibatan éléktron tunggal nyebar ti YBCO ka daérah logam, atom anu muatanna positif ditinggalkeun, ngahasilkeun médan listrik di daérah muatan rohangan. Arah médan listrik ieu dipidangkeun dina diagram skematis Gambar 1d. Panerangan foton insiden caket daérah muatan rohangan tiasa nyiptakeun pasangan eh anu bakal dipisahkeun sareng disapu kaluar ngahasilkeun arus foto dina arah bias sabalikna. Pas éléktron kaluar tina médan listrik anu diwangun, aranjeunna dikondensasi kana pasangan sareng ngalir ka éléktroda anu sanés tanpa résistansi. Dina hal ieu, Voc sabalikna tina polaritas anu tos disetel sareng nampilkeun nilai négatip nalika sinar laser nunjuk ka daérah di sakitar éléktroda négatip. Tina nilai Voc, poténsial di sakuliah antarmuka tiasa diperkirakeun: jarak antara dua kabel tegangan d nyaéta ~5 × 10−3 m, ketebalan antarmuka logam-superkonduktor, di, kedah sami sareng panjang koherensi superkonduktor YBCO (~1 nm)19,20, nyandak nilai Voc = 0,03 mV, poténsial Vms dina antarmuka logam-superkonduktor dievaluasi janten ~10−11 V dina 50 K kalayan inténsitas laser 502 mW/cm2, nganggo persamaan,

Di dieu urang hoyong nekenkeun yén tegangan anu diinduksi ku foto henteu tiasa dijelaskeun ku pangaruh fototermal. Sacara ékspériméntal parantos ditetepkeun yén koéfisién Seebeck tina superkonduktor YBCO nyaéta Ss = 021. Koéfisién Seebeck pikeun kawat timah tambaga aya dina kisaran SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Suhu kawat tambaga dina titik laser tiasa naék sakedik 0,06 K kalayan inténsitas laser maksimum anu sayogi dina 50 K. Ieu tiasa ngahasilkeun poténsial termoelektrik 6,9 × 10−8 V anu tilu kali langkung alit tibatan Voc anu diala dina Gambar 1 (a). Jelas yén pangaruh termoelektrik leutik teuing pikeun ngajelaskeun hasil ékspériméntal. Nyatana, variasi suhu kusabab iradiasi laser bakal ngaleungit dina waktu kurang ti hiji menit supados kontribusi tina pangaruh termal tiasa dipaliré kalayan aman.

Éfék fotovoltaik YBCO dina suhu kamar ieu ngungkabkeun yén mékanisme pamisahan muatan anu béda kalibet di dieu. Superkonduktor YBCO dina kaayaan normal mangrupikeun bahan tipe-p kalayan liang salaku pamawa muatan22,23, sedengkeun pasta Ag logam ngagaduhan ciri bahan tipe-n. Sarupa sareng sambungan pn, difusi éléktron dina pasta pérak sareng liang dina keramik YBCO bakal ngabentuk médan listrik internal anu nunjuk ka keramik YBCO dina antarmuka (Gambar 1h). Médan internal ieu anu nyayogikeun gaya pamisahan sareng ngarah kana Voc positif sareng Isc négatip pikeun sistem pasta YBCO-Ag dina suhu kamar, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 1e. Alternatipna, Ag-YBCO tiasa ngabentuk sambungan Schottky tipe-p anu ogé ngarah kana poténsi antarmuka kalayan polaritas anu sami sapertos dina modél anu dipidangkeun di luhur24.

Pikeun nalungtik prosés évolusi anu lengkep tina sipat fotovoltaik salami transisi superkonduktor YBCO, kurva IV sampel dina 80 K diukur kalayan intensitas laser anu dipilih anu nyaangan dina éléktroda katoda (Gambar 2). Tanpa iradiasi laser, tegangan dina sampel tetep nol henteu paduli arus, nunjukkeun kaayaan superkonduktor sampel dina 80 K (Gambar 2a). Sarupa sareng data anu diala dina 50 K, kurva IV sajajar sareng sumbu I bergerak ka handap kalayan ningkatna inténsitas laser dugi ka nilai kritis Pc kahontal. Di luhur inténsitas laser kritis ieu (Pc), superkonduktor ngalaman transisi tina fase superkonduktor ka fase résistif; tegangan mimiti ningkat kalayan arus kusabab munculna résistansi dina superkonduktor. Hasilna, kurva IV mimiti motong sareng sumbu I sareng sumbu V anu ngarah kana Voc négatip sareng Isc positif dina mimitina. Ayeuna sampel sigana aya dina kaayaan khusus dimana polaritas Voc sareng Isc sénsitip pisan kana inténsitas cahaya; Kalayan paningkatan inténsitas cahaya anu sakedik pisan, Isc dirobih tina positif ka négatif sareng Voc tina nilai négatif ka positif, ngalangkungan asal (sensitivitas anu luhur tina sipat fotovoltaik, khususna nilai Isc, kana cahaya tiasa katingali langkung jelas dina Gambar 2b). Dina inténsitas laser pangluhurna anu sayogi, kurva IV dimaksudkeun pikeun sajajar sareng anu sanés, nunjukkeun kaayaan normal sampel YBCO.

Pusat titik laser diposisikan di sakitar éléktroda katoda (tingali Gambar 1i). a, kurva IV YBCO anu diiradiasi ku inténsitas laser anu béda. b (luhur), Gumantungna inténsitas laser tina tegangan sirkuit kabuka Voc sareng arus sirkuit pondok Isc. Nilai Isc teu tiasa diala dina inténsitas cahaya anu handap (< 110 mW/cm2) sabab kurva IV sajajar sareng sumbu I nalika sampel aya dina kaayaan superkonduktor. b (handap), résistansi diferensial salaku fungsi inténsitas laser.

Gumantungna inténsitas laser tina Voc sareng Isc dina 80 K dipidangkeun dina Gambar 2b (luhur). Sipat fotovoltaik tiasa dibahas dina tilu daérah inténsitas cahaya. Daérah kahiji aya di antara 0 sareng Pc, dimana YBCO mangrupikeun superkonduktor, Voc négatip sareng nurun (nilai absolut ningkat) kalayan inténsitas cahaya sareng ngahontal minimum di Pc. Daérah kadua nyaéta ti Pc ka inténsitas kritis P0 anu sanés, dimana Voc ningkat sedengkeun Isc nurun kalayan ningkatna inténsitas cahaya sareng duanana ngahontal nol di P0. Daérah katilu aya di luhur P0 dugi ka kaayaan normal YBCO kahontal. Sanaos Voc sareng Isc bénten-bénten sareng inténsitas cahaya sapertos di daérah 2, aranjeunna gaduh polaritas anu sabalikna di luhur inténsitas kritis P0. Pentingna P0 nyaéta teu aya pangaruh fotovoltaik sareng mékanisme pamisahan muatan robih sacara kualitatif dina titik khusus ieu. Sampel YBCO janten non-superkonduktor dina rentang inténsitas cahaya ieu tapi kaayaan normal tacan kahontal.

Jelas, karakteristik fotovoltaik sistem ieu raket patalina jeung superkonduktivitas YBCO sarta transisi superkonduktivitasna. Résistansi diferensial, dV/dI, YBCO dipidangkeun dina Gambar 2b (handap) salaku fungsi inténsitas laser. Sakumaha anu parantos disebatkeun sateuacanna, poténsi listrik anu diwangun dina antarmuka kusabab titik difusi pasangan Cooper ti superkonduktor ka logam. Sarupa sareng anu dititénan dina 50 K, pangaruh fotovoltaik ningkat kalayan ningkatna inténsitas laser ti 0 ka Pc. Nalika inténsitas laser ngahontal nilai anu rada luhur di luhur Pc, kurva IV mimiti miring sareng résistansi sampel mimiti némbongan, tapi polaritas poténsi antarmuka tacan robih. Pangaruh éksitasi optik kana superkonduktivitas parantos ditalungtik di daérah anu katingali atanapi caket IR. Sanaos prosés dasarna nyaéta megatkeun pasangan Cooper sareng ngancurkeun superkonduktivitas25,26, dina sababaraha kasus transisi superkonduktivitas tiasa ditingkatkeun27,28,29, fase anyar superkonduktivitas malah tiasa diinduksi30. Henteuna superkonduktivitas dina Pc tiasa disababkeun ku pegatna pasangan anu diinduksi ku foto. Dina titik P0, poténsial di sakuliah antarmuka janten nol, nunjukkeun kapadetan muatan di dua sisi antarmuka ngahontal tingkat anu sami dina inténsitas cahaya khusus ieu. Kanaékan inténsitas laser salajengna nyababkeun langkung seueur pasangan Cooper anu ancur sareng YBCO laun-laun dirobih deui janten bahan tipe-p. Tinimbang difusi éléktron sareng pasangan Cooper, fitur antarmuka ayeuna ditangtukeun ku difusi éléktron sareng liang anu ngarah kana pambalikan polaritas medan listrik dina antarmuka sareng akibatna Voc positif (bandingkeun Gambar 1d, h). Dina inténsitas laser anu luhur pisan, résistansi diferensial YBCO jenuh kana nilai anu saluyu sareng kaayaan normal sareng duanana Voc sareng Isc condong bénten-bénten sacara linier sareng inténsitas laser (Gambar 2b). Observasi ieu ngungkabkeun yén iradiasi laser dina kaayaan normal YBCO moal ngarobih résistansi sareng fitur antarmuka superkonduktor-logam tapi ngan ukur ningkatkeun konsentrasi pasangan éléktron-liang.

Pikeun nalungtik pangaruh suhu kana sipat fotovoltaik, sistem logam-superkonduktor diiradiasi dina katoda nganggo laser biru kalayan inténsitas 502 mW/cm2. Kurva IV anu diala dina suhu anu dipilih antara 50 sareng 300 K dipasihkeun dina Gambar 3a. Tegangan sirkuit kabuka Voc, arus sirkuit pondok Isc sareng résistansi diferensial teras tiasa diala tina kurva IV ieu sareng dipidangkeun dina Gambar 3b. Tanpa cahaya, sadaya kurva IV anu diukur dina suhu anu béda-béda ngalangkungan titik asal sapertos anu dipiharep (sisipan Gambar 3a). Karakteristik IV robih sacara drastis kalayan ningkatna suhu nalika sistem disinari ku sinar laser anu relatif kuat (502 mW/cm2). Dina suhu anu handap, kurva IV mangrupikeun garis lempeng anu sajajar sareng sumbu I kalayan nilai négatip Voc. Kurva ieu bergerak ka luhur kalayan ningkatna suhu sareng laun-laun robih janten garis kalayan lamping anu henteu nol dina suhu kritis Tcp (Gambar 3a (luhur)). Sigana sadaya kurva karakteristik IV muter di sakitar titik dina kuadran katilu. Voc ningkat tina nilai négatif ka positif sedengkeun Isc nurun tina nilai positif ka négatif. Di luhur suhu transisi superkonduktor asli Tc tina YBCO, kurva IV robih rada béda sareng suhu (handap Gambar 3a). Mimitina, puseur rotasi kurva IV ngalih ka kuadran kahiji. Kadua, Voc terus nurun sareng Isc ningkat sareng suhu ningkat (luhur Gambar 3b). Katilu, lamping kurva IV ningkat sacara linier sareng suhu anu ngahasilkeun koefisien résistansi suhu positif pikeun YBCO (handap Gambar 3b).

Gumantungna suhu kana karakteristik fotovoltaik pikeun sistem pasta YBCO-Ag dina iluminasi laser 502 mW/cm2.

Pusat titik laser diposisikan di sakitar éléktroda katoda (tingali Gambar 1i). a, kurva IV anu diala ti 50 dugi ka 90 K (luhur) sareng ti 100 dugi ka 300 K (handap) kalayan paningkatan suhu 5 K sareng 20 K, masing-masing. Sisipan a nunjukkeun karakteristik IV dina sababaraha suhu dina poék. Sadaya kurva meuntas titik asal. b, tegangan sirkuit kabuka Voc sareng arus sirkuit pondok Isc (luhur) sareng résistansi diferensial, dV/dI, tina YBCO (handap) salaku fungsi suhu. Suhu transisi superkonduktor résistansi nol Tcp henteu dipasihkeun sabab caket teuing ka Tc0.

Tilu suhu kritis tiasa dikenal tina Gambar 3b: Tcp, di luhurna YBCO janten non-superkonduktor; Tc0, dimana Voc sareng Isc janten enol sareng Tc, suhu transisi superkonduktor awal YBCO tanpa iradiasi laser. Di handap Tcp ~ 55 K, YBCO anu diiradiasi laser aya dina kaayaan superkonduktor kalayan konsentrasi pasangan Cooper anu relatif luhur. Pangaruh iradiasi laser nyaéta pikeun ngirangan suhu transisi superkonduktor résistansi enol ti 89 K ka ~ 55 K (handap Gambar 3b) ku cara ngirangan konsentrasi pasangan Cooper salian ti ngahasilkeun tegangan sareng arus fotovoltaik. Ningkatna suhu ogé ngarecah pasangan Cooper anu ngarah kana poténsial anu langkung handap dina antarmuka. Akibatna, nilai absolut Voc bakal janten langkung alit, sanaos inténsitas iluminasi laser anu sami diterapkeun. Poténsi antarmuka bakal janten langkung alit sareng langkung alit kalayan paningkatan suhu salajengna sareng ngahontal enol dina Tc0. Teu aya pangaruh fotovoltaik dina titik khusus ieu sabab teu aya médan internal pikeun misahkeun pasangan éléktron-liang anu diinduksi ku poto. Pembalikan polaritas poténsial lumangsung di luhur suhu kritis ieu sabab kapadetan muatan bébas dina pasta Ag langkung ageung tibatan dina YBCO anu laun-laun ditransfer deui ka bahan tipe-p. Di dieu urang hoyong nekenkeun yén pembalikan polaritas Voc sareng Isc lumangsung langsung saatos transisi superkonduktor résistansi nol, henteu paduli naon sababna transisi. Observasi ieu ngungkabkeun sacara jelas, pikeun kahiji kalina, korélasi antara superkonduktivitas sareng épék fotovoltaik anu aya hubunganana sareng poténsi antarmuka logam-superkonduktor. Sifat poténsial ieu di sakuliah antarmuka logam superkonduktor-normal parantos janten fokus panalungtikan salami sababaraha dekade ka pengker tapi aya seueur patarosan anu masih ngantosan dijawab. Pangukuran épék fotovoltaik tiasa janten metode anu efektif pikeun ngajalajah detil (sapertos kakuatan sareng polaritasna jsb.) tina poténsial penting ieu sareng ku kituna ngajelaskeun épék jarak superkonduktor suhu luhur.

Kanaékan suhu salajengna ti Tc0 ka Tc nyababkeun konsentrasi pasangan Cooper anu langkung alit sareng paningkatan poténsi antarmuka sareng akibatna Voc anu langkung ageung. Dina Tc, konsentrasi pasangan Cooper janten nol sareng poténsi anu diwangun dina antarmuka ngahontal maksimum, ngahasilkeun Voc maksimum sareng Isc minimum. Kanaékan Voc sareng Isc anu gancang (nilai absolut) dina rentang suhu ieu pakait sareng transisi superkonduktor anu dilegaan ti ΔT ~ 3 K ka ~ 34 K ku iradiasi laser kalayan inténsitas 502 mW / cm2 (Gambar 3b). Dina kaayaan normal di luhur Tc, tegangan sirkuit kabuka Voc nurun sareng suhu (luhur Gambar 3b), sami sareng paripolah linier Voc pikeun sél surya normal dumasar kana sambungan pn 31,32,33. Sanaos laju parobahan Voc sareng suhu (−dVoc / dT), anu gumantung pisan kana inténsitas laser, jauh langkung alit tibatan sél surya normal, koéfisién suhu Voc pikeun sambungan YBCO-Ag gaduh urutan magnitudo anu sami sareng sél surya. Arus bocor tina sambungan pn pikeun alat sél surya normal ningkat kalayan ningkatna suhu, anu nyababkeun panurunan Voc nalika suhu naék. Kurva IV linier anu dititénan pikeun sistem Ag-superkonduktor ieu, mimitina kusabab poténsi antarmuka anu alit pisan sareng anu kadua sambungan back-to-back tina dua heterojunction, ngajantenkeun hésé pikeun nangtukeun arus bocor. Nanging, sigana pisan yén gumantungna suhu anu sami tina arus bocor tanggung jawab kana paripolah Voc anu dititénan dina ékspérimén urang. Numutkeun définisi, Isc nyaéta arus anu diperyogikeun pikeun ngahasilkeun tegangan négatip pikeun ngimbangan Voc supados tegangan total nol. Nalika suhu naék, Voc janten langkung alit supados kirang arus anu diperyogikeun pikeun ngahasilkeun tegangan négatip. Salajengna, résistansi YBCO ningkat sacara linier kalayan suhu di luhur Tc (handap Gambar 3b), anu ogé nyumbang kana nilai absolut Isc anu langkung alit dina suhu anu luhur.

Perhatikeun yén hasil anu dipasihkeun dina Gambar 2,3 diala ku cara nyinarkeun laser di daérah sakitar éléktroda katoda. Pangukuran ogé parantos diulang kalayan titik laser anu diposisikan di anoda sareng karakteristik IV anu sami sareng sipat fotovoltaik parantos dititénan kecuali polaritas Voc sareng Isc parantos dibalikkeun dina hal ieu. Sadaya data ieu ngarah kana mékanisme pikeun pangaruh fotovoltaik, anu raket patalina sareng antarmuka superkonduktor-logam.

Singkatna, karakteristik IV tina sistem pasta YBCO-Ag superkonduktor anu diiradiasi laser parantos diukur salaku fungsi suhu sareng inténsitas laser. Pangaruh fotovoltaik anu luar biasa parantos dititénan dina kisaran suhu ti 50 dugi ka 300 K. Kapanggih yén sipat fotovoltaik berkorelasi kuat sareng superkonduktivitas keramik YBCO. Pembalikan polaritas Voc sareng Isc lumangsung langsung saatos transisi superkonduktor anu diinduksi ku foto ka non-superkonduktor. Gumantungna suhu Voc sareng Isc anu diukur dina inténsitas laser anu tetep ogé nunjukkeun pembalikan polaritas anu béda dina suhu kritis di luhur dimana sampel janten résistif. Ku cara nempatkeun titik laser ka bagian anu béda tina sampel, urang nunjukkeun yén aya poténsial listrik di sakuliah antarmuka, anu nyayogikeun gaya pamisahan pikeun pasangan éléktron-liang anu diinduksi ku foto. Poténsi antarmuka ieu ngarahkeun ti YBCO ka éléktroda logam nalika YBCO superkonduktor sareng ngalih ka arah anu sabalikna nalika sampel janten non-superkonduktor. Asal-usul poténsial ieu sacara alami tiasa aya hubunganana sareng pangaruh jarak dina antarmuka logam-superkonduktor nalika YBCO superkonduktor sareng diperkirakeun ~10−8 mV dina 50 K kalayan inténsitas laser 502 mW/cm2. Kontak bahan tipe-p YBCO dina kaayaan normal sareng bahan tipe-n Ag-paste ngabentuk sambungan kuasi-pn anu tanggung jawab kana paripolah fotovoltaik keramik YBCO dina suhu anu luhur. Observasi di luhur ngajelaskeun pangaruh PV dina keramik YBCO superkonduktor suhu luhur sareng muka jalan pikeun aplikasi énggal dina alat optoelektronik sapertos detektor cahaya pasif gancang sareng detektor foton tunggal.

Ékspérimén éfék fotovoltaik dilakukeun dina sampel keramik YBCO kandelna 0,52 mm sareng bentuk pasagi panjangna 8,64 × 2,26 mm2 sareng disinari ku laser biru gelombang kontinyu (λ = 450 nm) kalayan ukuran titik laser radiusna 1,25 mm. Ngagunakeun sampel pilem bulk tinimbang ipis ngamungkinkeun urang pikeun nalungtik sipat fotovoltaik superkonduktor tanpa kedah ngurus pangaruh substrat anu rumit6,7. Leuwih ti éta, bahan bulk tiasa kondusif pikeun prosedur persiapan anu saderhana sareng biaya anu relatif murah. Kawat timbal tambaga dihijikeun dina sampel YBCO kalayan pasta pérak ngabentuk opat éléktroda bunderan anu diaméterna sakitar 1 mm. Jarak antara dua éléktroda tegangan sakitar 5 mm. Karakteristik IV sampel diukur nganggo magnetometer sampel geter (VersaLab, Quantum Design) kalayan jandela kristal kuarsa. Métode opat kawat standar dianggo pikeun kéngingkeun kurva IV. Posisi relatif éléktroda sareng titik laser dipidangkeun dina Gambar 1i.

Kumaha nyutat artikel ieu: Yang, F. et al. Asal-usul pangaruh fotovoltaik dina keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Tegangan anu diinduksi ku laser anu dilarang simetri dina YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asal-usul sinyal fotovoltaik anomali dina Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pangukuran tegangan anu diinduksi laser tina superkonduktor Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Tegangan anu diinduksi ku laser samentawis dina pilem suhu kamar YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Réspon fotovoltaik anomali dina YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeksi pamawa liang fotogenerasi ka YBa2Cu3O7−x dina heterostruktur oksida. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Ulikan fotoémisi pilem ipis YBa2Cu3Oy dina cahaya anu kakeunaan. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Pangaruh fotovoltaik tina heterojunction YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb anu dipanaskeun dina tekanan parsial oksigén anu béda. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Struktur Dua-Gap dina kristal tunggal Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika relaksasi kuasipartikel dina superkonduktor kalayan struktur celah anu béda: Téori sareng ékspérimén ngeunaan YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Sipat-sipat Ngaréktifikasi tina heterojunction YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Panyerepan éksitonik sareng superkonduktivitas dina YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Konduktivitas fotoinduksi samentara dina kristal tunggal semikonduktor YBa2Cu3O6.3: milarian kaayaan logam fotoinduksi sareng superkonduktivitas fotoinduksi. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Modél torowongan tina éfék jarak superkonduktor. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Éfék jarak superkonduktor anu ditalungtik dina skala panjang mesoskopik. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Éfék jarak deukeut jeung superkonduktor nonsentrosimetris. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Pangaruh jarak superkonduktor anu kuat dina struktur hibrida Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fotosel sambungan pn silikon anyar pikeun ngarobah radiasi panonpoé jadi kakuatan listrik. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Pangaruh pangotor kana panjang koherensi superkonduktor dina kristal tunggal YBa2Cu3O6.9 anu didoping Zn- atanapi Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetorésistance kristal tunggal YBa2Cu3Oy anu teu kembar dina rupa-rupa doping: gumantungna doping liang anomali kana panjang koherensi. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika dina kakuatan termoelektrik oksida T-luhur. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Pergeseran momentum anu gumantung kana kapadetan pamawa tina puncak koheren sareng mode fonon LO dina superkonduktor Tc luhur tipe-p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Réduksi liang sareng akumulasi éléktron dina pilem ipis YBa2Cu3Oy nganggo téknik éléktrokimia: Bukti pikeun kaayaan logam tipe-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fisika sareng kimia tina jangkungna panghalang Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Pangaruh Pegatna Pasangan Éksternal Dinamis dina Pilem Superkonduktor. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Peningkatan superkonduktivitas anu diinduksi ku foto. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Fotokonduktivitas anu terus-terusan dina pilem YBa2Cu3O6+x salaku metode photodoping nuju fase logam sareng superkonduktor. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Dinamika kisi nonlinier salaku dasar pikeun superkonduktivitas anu ditingkatkeun dina YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Superkonduktivitas anu diinduksi ku cahaya dina cuprat anu diurutkeun ku garis. Élmu 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Gumantungna fungsi suhu VOC pikeun sél surya dina hubunganana sareng efisiensina pendekatan anyar. Desalinasi 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Pangaruh suhu dina sél surya silikon Schottky-barrier. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Gumantungna suhu pikeun parameter alat fotovoltaik sél surya polimér-fullerene dina kaayaan operasi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Karya ieu parantos dirojong ku Yayasan Élmu Alam Nasional Cina (Hibah No. 60571063), Proyék Panalungtikan Dasar Propinsi Henan, Cina (Hibah No. 122300410231).

FY nyerat téks makalah éta sareng MYH nyiapkeun sampel keramik YBCO. FY sareng MYH ngalaksanakeun ékspérimén sareng nganalisis hasilna. FGC mingpin proyék sareng interpretasi ilmiah data. Sadaya panulis marios naskah éta.

Karya ieu dilisensikeun dina Lisénsi Internasional Creative Commons Attribution 4.0. Gambar atanapi bahan pihak katilu sanés dina tulisan ieu kalebet dina lisénsi Creative Commons tulisan, kecuali upami dituduhkeun sanés dina garis kiridit; upami bahan éta henteu kalebet dina lisénsi Creative Commons, pangguna kedah kéngingkeun idin ti anu gaduh lisénsi pikeun ngahasilkeun deui bahan éta. Pikeun ningali salinan lisénsi ieu, kunjungi http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asal-usul éfék fotovoltaik dina keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Ku ngalebetkeun koméntar, anjeun satuju pikeun nurut kana Sarat jeung Pedoman Komunitas kami. Upami anjeun mendakan aya anu kasar atanapi anu henteu saluyu sareng sarat atawa pedoman kami, punten tandai éta salaku teu pantes.