Ursprunget till den fotovoltaiska effekten i supraledande YBa2Cu3O6.96-keramik

Tack för att du besöker nature.com. Du använder en webbläsarversion med begränsat stöd för CSS. För att få bästa möjliga upplevelse rekommenderar vi att du använder en nyare webbläsare (eller stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). Under tiden, för att säkerställa fortsatt stöd, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.

Vi rapporterar en anmärkningsvärd fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellan 50 och 300 K inducerad av blå laserbelysning, vilket är direkt relaterat till YBCO:s supraledningsförmåga och gränssnittet mellan YBCO och metallelektroden. Det sker en polaritetsomkastning för tomgångsspänningen Voc och kortslutningsströmmen Isc när YBCO genomgår en övergång från supraledande till resistivt tillstånd. Vi visar att det finns en elektrisk potential över gränssnittet mellan supraledare och normalmetall, vilket ger separationskraften för de fotoinducerade elektron-hålparen. Denna gränssnittspotential riktas från YBCO till metallelektroden när YBCO är supraledande och växlar till motsatt riktning när YBCO blir icke-supraledande. Ursprunget till potentialen kan lätt associeras med närhetseffekten vid metall-supraledargränssnittet när YBCO är supraledande och dess värde uppskattas till ~10–8 mV vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombinationen av ett p-typmaterial YBCO i normalt tillstånd med ett n-typmaterial Ag-pasta bildar en kvasi-pn-övergång som är ansvarig för det fotovoltaiska beteendet hos YBCO-keramik vid höga temperaturer. Våra resultat kan bana väg för nya tillämpningar av foton-elektroniska komponenter och kasta ytterligare ljus över närhetseffekten vid gränssnittet mellan supraledare och metall.

Fotoinducerad spänning i högtemperatursupraledare har rapporterats i början av 1990-talet och undersökts ingående sedan dess, men dess natur och mekanism förblir oklara1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tunnfilmer6,7,8 studeras i synnerhet intensivt i form av fotovoltaiska (PV) celler på grund av dess justerbara energigap9,10,11,12,13. Emellertid leder hög resistans hos substratet alltid till en låg omvandlingseffektivitet hos anordningen och maskerar de primära PV-egenskaperna hos YBCO8. Här rapporterar vi en anmärkningsvärd fotovoltaisk effekt inducerad av blålaserbelysning (λ = 450 nm) i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellan 50 och 300 K (Tc ~ 90 K). Vi visar att PV-effekten är direkt relaterad till YBCOs supraledningsförmåga och naturen hos gränssnittet mellan YBCO och metallelektroden. Det sker en polaritetsomkastning för tomgångsspänningen Voc och kortslutningsströmmen Isc när YBCO genomgår en övergång från supraledande fas till ett resistivt tillstånd. Det föreslås att det finns en elektrisk potential över gränssnittet mellan supraledare och normalmetall, vilket ger separationskraften för de fotoinducerade elektron-hålparen. Denna gränssnittspotential riktas från YBCO till metallelektroden när YBCO är supraledande och växlar till motsatt riktning när provet blir icke-supraledande. Ursprunget till potentialen kan vara naturligt förknippat med närhetseffekten14,15,16,17 vid metall-supraledargränssnittet när YBCO är supraledande och dess värde uppskattas till ~10−8 mV vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombinationen av ett p-typmaterial YBCO i normalt tillstånd med ett n-typmaterial Ag-pasta bildar troligen en kvasi-pn-övergång som är ansvarig för PV-beteendet hos YBCO-keramik vid höga temperaturer. Våra observationer belyser ytterligare ursprunget till PV-effekten i högtemperatursupraledande YBCO-keramik och banar väg för dess tillämpning i optoelektroniska enheter såsom snabba passiva ljusdetektorer etc.

Figur 1a–c visar IV-karakteristiken för YBCO-keramprovet vid 50 K. Utan ljusbelysning förblir spänningen över provet noll med förändrad ström, vilket kan förväntas av ett supraledande material. En tydlig fotovoltaisk effekt uppträder när laserstrålen riktas mot katoden (Fig. 1a): IV-kurvorna parallellt med I-axeln rör sig nedåt med ökande laserintensitet. Det är uppenbart att det finns en negativ fotoinducerad spänning även utan ström (ofta kallad tomgångsspänning Voc). Nolllutningen för IV-kurvan indikerar att provet fortfarande är supraledande under laserbelysning.

(a–c) och 300 K (e–g). Värden för V(I) erhölls genom att svepa strömmen från −10 mA till +10 mA i vakuum. Endast en del av de experimentella data presenteras för tydlighetens skull. a, Ström-spänningskarakteristik för YBCO mätt med laserpunkt placerad vid katoden (i). Alla IV-kurvor är horisontella raka linjer som indikerar att provet fortfarande är supraledande med laserbestrålning. Kurvan rör sig nedåt med ökande laserintensitet, vilket indikerar att det finns en negativ potential (Voc) mellan de två spänningsledarna även med noll ström. IV-kurvorna förblir oförändrade när lasern riktas mot provets centrum vid antingen 50 K (b) eller 300 K (f). Den horisontella linjen rör sig uppåt när anoden lyser (c). En schematisk modell av metall-supraledarövergången vid 50 K visas i d. Ström-spänningskarakteristik för YBCO i normalt tillstånd vid 300 K mätt med laserstråle riktad mot katoden och anoden ges i e respektive g. I motsats till resultaten vid 50 K indikerar den icke-nolllutande lutningen för de raka linjerna att YBCO är i normalt tillstånd; värdena för Voc varierar med ljusintensiteten i motsatt riktning, vilket indikerar en annan laddningsseparationsmekanism. En möjlig gränssnittsstruktur vid 300 K visas i hj. Den verkliga bilden av provet med ledningar.

Syrerik YBCO i supraledande tillstånd kan absorbera nästan hela spektrumet av solljus tack vare sitt mycket lilla energigap (Eg)9,10, och därigenom skapa elektron-hål-par (e–h). För att producera en öppen kretsspänning Voc genom absorption av fotoner är det nödvändigt att rumsligt separera fotogenererade eh-par innan rekombination sker18. Den negativa Voc, i förhållande till katoden och anoden, som indikeras i figur 1i, antyder att det finns en elektrisk potential över metall-supraledare-gränssnittet, som sveper elektronerna till anoden och hålen till katoden. Om så är fallet bör det också finnas en potential som pekar från supraledaren till metallelektroden vid anoden. Följaktligen skulle en positiv Voc erhållas om provområdet nära anoden är belyst. Dessutom bör det inte finnas några fotoinducerade spänningar när laserfläcken pekar mot områden långt från elektroderna. Det är verkligen fallet, vilket framgår av figur 1b,c!.

När ljusfläcken rör sig från katodelektroden till provets mitt (cirka 1,25 mm från gränssnitten) kan ingen variation av IV-kurvorna och inga Voc observeras med ökande laserintensitet till det maximala tillgängliga värdet (Fig. 1b). Naturligtvis kan detta resultat tillskrivas den begränsade livslängden för fotoinducerade bärare och bristen på separationskraft i provet. Elektronhålpar kan skapas närhelst provet belyses, men de flesta e-h-paren kommer att förintas och ingen fotovoltaisk effekt observeras om laserfläcken faller på områden långt ifrån någon av elektroderna. Genom att flytta laserfläcken till anodelektroderna rör sig IV-kurvorna parallellt med I-axeln uppåt med ökande laserintensitet (Fig. 1c). Ett liknande inbyggt elektriskt fält finns i metall-supraledarens övergång vid anoden. Denna gång ansluter dock metallelektroden till testsystemets positiva ledare. Hålen som produceras av lasern trycks mot anodledningen och därmed observeras en positiv Voc. Resultaten som presenteras här ger starka bevis för att det verkligen existerar en gränssnittspotential som pekar från supraledaren till metallelektroden.

Den fotovoltaiska effekten i YBa2Cu3O6.96-keramik vid 300 K visas i figur 1e–g. Utan ljusbelysning är provets IV-kurva en rak linje som korsar origo. Denna raka linje rör sig uppåt parallellt med den ursprungliga linjen med ökande laserintensitet som strålar ut mot katodledarna (figur 1e). Det finns två gränsfall av intresse för en fotovoltaisk anordning. Kortslutningstillståndet inträffar när V = 0. Strömmen i detta fall kallas kortslutningsströmmen (Isc). Det andra gränsfallet är öppen krets (Voc) som inträffar när R→∞ eller strömmen är noll. Figur 1e visar tydligt att Voc är positiv och ökar med ökande ljusintensitet, i motsats till resultatet som erhålls vid 50 K; medan en negativ Isc observeras öka i magnitud med ljusbelysning, ett typiskt beteende hos normala solceller.

På liknande sätt, när laserstrålen riktas mot områden långt ifrån elektroderna, är V(I)-kurvan oberoende av laserintensiteten och ingen fotovoltaisk effekt uppstår (Fig. 1f). I likhet med mätningen vid 50 K rör sig IV-kurvorna i motsatt riktning när anodelektroden bestrålas (Fig. 1g). Alla dessa resultat som erhållits för detta YBCO-Ag-pastasystem vid 300 K med laser bestrålad på olika positioner i provet överensstämmer med en gränssnittspotential motsatt den som observerats vid 50 K.

De flesta elektronerna kondenserar i Cooper-par i supraledande YBCO under dess övergångstemperatur Tc. Medan de befinner sig i metallelektroden förblir alla elektroner i singularform. Det finns en stor densitetsgradient för både singulära elektroner och Cooper-par i närheten av metall-supraledare-gränssnittet. Majoritetsbärarelektroner i metalliskt material diffunderar in i supraledarregionen, medan majoritetsbärarelektroner i YBCO-regionen diffunderar in i metallregionen. Eftersom Cooper-par som bär fler laddningar och har större mobilitet än singulära elektroner diffunderar från YBCO in i metallregionen, lämnas positivt laddade atomer kvar, vilket resulterar i ett elektriskt fält i rymdladdningsregionen. Riktningen för detta elektriska fält visas i schemat Fig. 1d. Infallande fotonbelysning nära rymdladdningsregionen kan skapa eh-par som separeras och sveps ut och producerar en fotoström i omvänd riktning. Så snart elektronerna lämnar det inbyggda elektriska fältet kondenseras de i par och flyter till den andra elektroden utan motstånd. I detta fall är Voc motsatt den förinställda polariteten och visar ett negativt värde när laserstrålen pekar mot området runt den negativa elektroden. Från värdet på Voc kan potentialen över gränssnittet uppskattas: avståndet mellan de två spänningsledarna d är ~5 × 10−3 m, tjockleken på metall-supraledare-gränssnittet, di, bör vara av samma storleksordning som koherenslängden för YBCO-supraledaren (~1 nm)19,20, ta värdet på Voc = 0,03 mV, potentialen Vms vid metall-supraledare-gränssnittet utvärderas till ~10−11 V vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2, med hjälp av ekvationen,

Vi vill här betona att den fotoinducerade spänningen inte kan förklaras av den fototermiska effekten. Det har experimentellt fastställts att Seebeck-koefficienten för supraledaren YBCO är Ss = 021. Seebeck-koefficienten för koppartrådar ligger i intervallet SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperaturen på koppartråden vid laserpunkten kan höjas med en liten mängd på 0,06 K med maximal laserintensitet tillgänglig vid 50 K. Detta skulle kunna producera en termoelektrisk potential på 6,9 × 10−8 V, vilket är tre storleksordningar mindre än Voc som erhållits i figur 1 (a). Det är uppenbart att den termoelektriska effekten är för liten för att förklara de experimentella resultaten. Faktum är att temperaturvariationen på grund av laserbestrålning skulle försvinna på mindre än en minut, så bidraget från den termiska effekten kan ignoreras säkert.

Denna fotovoltaiska effekt av YBCO vid rumstemperatur avslöjar att en annan laddningsseparationsmekanism är inblandad här. Supraledande YBCO är i normalt tillstånd ett p-typmaterial med hål som laddningsbärare22,23, medan metallisk Ag-pasta har egenskaper hos ett n-typmaterial. I likhet med pn-övergångar kommer diffusionen av elektroner i silverpastan och hål i YBCO-keramik att bilda ett internt elektriskt fält som pekar mot YBCO-keramik vid gränssnittet (Fig. 1h). Det är detta interna fält som ger separationskraften och leder till en positiv Voc och negativ Isc för YBCO-Ag-pastasystemet vid rumstemperatur, såsom visas i Fig. 1e. Alternativt skulle Ag-YBCO kunna bilda en p-typ Schottky-övergång vilket också leder till en gränssnittspotential med samma polaritet som i modellen som presenteras ovan24.

För att undersöka den detaljerade utvecklingsprocessen av de fotovoltaiska egenskaperna under supraledande övergång hos YBCO, mättes IV-kurvor för provet vid 80 K med utvalda laserintensiteter som lyste upp vid katodelektroden (Fig. 2). Utan laserbestrålning förblir spänningen över provet noll oavsett ström, vilket indikerar provets supraledande tillstånd vid 80 K (Fig. 2a). I likhet med data som erhölls vid 50 K rör sig IV-kurvor parallella med I-axeln nedåt med ökande laserintensitet tills ett kritiskt värde Pc uppnås. Över denna kritiska laserintensitet (Pc) genomgår supraledaren en övergång från en supraledande fas till en resistiv fas; spänningen börjar öka med strömmen på grund av uppkomsten av resistans i supraledaren. Som ett resultat börjar IV-kurvan skära I-axeln och V-axeln, vilket leder till en negativ Voc och en positiv Isc till en början. Nu verkar provet befinna sig i ett speciellt tillstånd där polariteten hos Voc och Isc är extremt känslig för ljusintensitet; Med en mycket liten ökning av ljusintensiteten omvandlas Isc från positivt till negativt och Voc från negativt till positivt värde, och passerar origo (den höga känsligheten hos fotovoltaiska egenskaper, särskilt värdet på Isc, för ljusinstrålning kan ses tydligare i figur 2b). Vid den högsta tillgängliga laserintensiteten avser IV-kurvorna att vara parallella med varandra, vilket indikerar YBCO-provets normala tillstånd.

Laserpunktens centrum är placerat runt katodelektroderna (se Fig. 1i). a, IV-kurvor för YBCO bestrålad med olika laserintensiteter. b (överst), Laserintensitetsberoende av tomgångsspänning Voc och kortslutningsström Isc. Isc-värdena kan inte erhållas vid låg ljusintensitet (< 110 mW/cm2) eftersom IV-kurvorna är parallella med I-axeln när provet är i supraledande tillstånd. b (nederst), differentiell resistans som funktion av laserintensitet.

Laserintensitetsberoendet för Voc och Isc vid 80 K visas i figur 2b (överst). De fotovoltaiska egenskaperna kan diskuteras i tre områden med ljusintensitet. Det första området ligger mellan 0 och Pc, där YBCO är supraledande, Voc är negativt och minskar (absolutvärdet ökar) med ljusintensiteten och når ett minimum vid Pc. Det andra området ligger från Pc till en annan kritisk intensitet P0, där Voc ökar medan Isc minskar med ökande ljusintensitet och båda når noll vid P0. Det tredje området ligger över P0 tills det normala tillståndet för YBCO uppnås. Även om både Voc och Isc varierar med ljusintensiteten på samma sätt som i område 2, har de motsatt polaritet över den kritiska intensiteten P0. Betydelsen av P0 ligger i att det inte finns någon fotovoltaisk effekt och laddningsseparationsmekanismen förändras kvalitativt vid denna specifika punkt. YBCO-provet blir icke-supraledande i detta ljusintensitetsområde men det normala tillståndet har ännu inte uppnåtts.

Systemets fotovoltaiska egenskaper är tydligt nära relaterade till YBCO:s supraledningsförmåga och dess supraledande övergång. Differentialresistansen, dV/dI, för YBCO visas i figur 2b (nederst) som en funktion av laserintensiteten. Som tidigare nämnts, den inbyggda elektriska potentialen i gränssnittet på grund av Cooper-parets diffusionspunkter från supraledaren till metallen. I likhet med den som observerades vid 50 K, förstärks den fotovoltaiska effekten med ökande laserintensitet från 0 till Pc. När laserintensiteten når ett värde något över Pc, börjar IV-kurvan att luta och provets resistans börjar synas, men polariteten hos gränssnittspotentialen har ännu inte ändrats. Effekten av optisk excitation på supraledningen har undersökts i det synliga eller nära-IR-området. Medan den grundläggande processen är att bryta upp Cooper-paren och förstöra supraledningen25,26, kan i vissa fall supraledningsövergången förbättras27,28,29, nya faser av supraledning kan till och med induceras30. Avsaknaden av supraledning vid Pc kan tillskrivas det fotoinducerade parbrottet. Vid punkten P0 blir potentialen över gränssnittet noll, vilket indikerar att laddningstätheten på båda sidor av gränssnittet når samma nivå under denna specifika ljusintensitet. Ytterligare ökning av laserintensiteten resulterar i att fler Cooper-par förstörs och YBCO gradvis omvandlas tillbaka till ett p-typmaterial. Istället för elektron- och Cooper-pardiffusion bestäms gränssnittets egenskaper nu av elektron- och håldiffusion, vilket leder till en polaritetsomkastning av det elektriska fältet i gränssnittet och följaktligen en positiv Voc (jämför Fig. 1d, h). Vid mycket hög laserintensitet mättas YBCO:s differentiella resistans till ett värde som motsvarar det normala tillståndet och både Voc och Isc tenderar att variera linjärt med laserintensiteten (Fig. 2b). Denna observation visar att laserbestrålning på YBCO i normalt tillstånd inte längre kommer att ändra dess resistivitet och egenskaperna hos supraledare-metallgränssnittet utan bara öka koncentrationen av elektron-hål-paren.

För att undersöka temperaturens inverkan på de fotovoltaiska egenskaperna bestrålades metall-supraledarsystemet vid katoden med en blå laser med intensiteten 502 mW/cm2. IV-kurvor erhållna vid utvalda temperaturer mellan 50 och 300 K visas i figur 3a. Tomgångsspänningen Voc, kortslutningsströmmen Isc och differentialresistansen kan sedan erhållas från dessa IV-kurvor och visas i figur 3b. Utan ljusbelysning passerar alla IV-kurvor mätta vid olika temperaturer origo som förväntat (infälld bild i figur 3a). IV-karakteristiken förändras drastiskt med ökande temperatur när systemet belyses av en relativt stark laserstråle (502 mW/cm2). Vid låga temperaturer är IV-kurvorna raka linjer parallella med I-axeln med negativa värden på Voc. Denna kurva rör sig uppåt med ökande temperatur och övergår gradvis till en linje med en nollskild lutning vid en kritisk temperatur Tcp (figur 3a (överst)). Det verkar som att alla IV-karakteristikkurvor roterar kring en punkt i den tredje kvadranten. Voc ökar från ett negativt värde till ett positivt medan Isc minskar från ett positivt till ett negativt värde. Över den ursprungliga supraledande övergångstemperaturen Tc för YBCO ändras IV-kurvan ganska annorlunda med temperaturen (nederst i figur 3a). För det första flyttas rotationscentrumet för IV-kurvorna till den första kvadranten. För det andra fortsätter Voc att minska och Isc ökar med ökande temperatur (överst i figur 3b). För det tredje ökar lutningen på IV-kurvorna linjärt med temperaturen, vilket resulterar i en positiv temperaturkoefficient för resistansen för YBCO (nederst i figur 3b).

Temperaturberoende av fotovoltaiska egenskaper för YBCO-Ag-pastasystem under 502 mW/cm2 laserbelysning.

Laserpunktens centrum är placerat runt katodelektroderna (se fig. 1i). a, IV-kurvor erhållna från 50 till 90 K (överst) respektive från 100 till 300 K (nederst) med en temperaturökning på 5 K respektive 20 K. Insats a visar IV-karakteristika vid flera temperaturer i mörker. Alla kurvor korsar utgångspunkten. b, tomgångsspänning Voc och kortslutningsström Isc (överst) och differentialresistansen, dV/dI, för YBCO (nederst) som funktion av temperaturen. Den supraledande övergångstemperaturen Tcp vid nollresistans anges inte eftersom den är för nära Tc0.

Tre kritiska temperaturer kan identifieras från figur 3b: Tcp, över vilken YBCO blir icke-supraledande; Tc0, vid vilken både Voc och Isc blir noll och Tc, den ursprungliga supraledande övergångstemperaturen för YBCO utan laserbestrålning. Under Tcp ~ 55 K är den laserbestrålade YBCO i supraledande tillstånd med relativt hög koncentration av Cooper-par. Effekten av laserbestrålning är att minska den supraledande övergångstemperaturen med noll resistans från 89 K till ~ 55 K (nederst i figur 3b) genom att minska Cooper-parkoncentrationen utöver att producera fotovoltaisk spänning och ström. Ökande temperatur bryter också ner Cooper-paren vilket leder till en lägre potential i gränssnittet. Följaktligen kommer det absoluta värdet av Voc att bli mindre, även om samma intensitet av laserbelysning appliceras. Gränssnittspotentialen kommer att bli mindre och mindre med ytterligare temperaturökning och når noll vid Tc0. Det finns ingen fotovoltaisk effekt vid denna speciella punkt eftersom det inte finns något internt fält för att separera de fotoinducerade elektron-hål-paren. En polaritetsomkastning av potentialen sker över denna kritiska temperatur eftersom den fria laddningstätheten i Ag-pasta är större än den i YBCO, vilket gradvis överförs tillbaka till ett p-typ material. Här vill vi betona att polaritetsomkastningen av Voc och Isc sker omedelbart efter nollresistans-supraledande övergången, oavsett orsaken till övergången. Denna observation avslöjar tydligt, för första gången, korrelationen mellan supraledning och de fotovoltaiska effekter som är förknippade med potentialen mellan metall och supraledare i gränssnittet. Naturen hos denna potential över gränssnittet mellan supraledare och normal metall har varit ett forskningsfokus under de senaste decennierna, men det finns många frågor som fortfarande väntar på att besvaras. Mätning av den fotovoltaiska effekten kan visa sig vara en effektiv metod för att utforska detaljerna (såsom dess styrka och polaritet etc.) hos denna viktiga potential och därmed belysa den supraledande närhetseffekten vid hög temperatur.

Ytterligare temperaturökning från Tc0 till Tc leder till en mindre koncentration av Cooper-par och en ökning av gränssnittspotentialen och följaktligen större Voc. Vid Tc blir Cooper-parkoncentrationen noll och den inbyggda potentialen vid gränssnittet når ett maximum, vilket resulterar i maximal Voc och minimal Isc. Den snabba ökningen av Voc och Isc (absolutvärde) i detta temperaturområde motsvarar den supraledande övergången som vidgas från ΔT ~ 3 K till ~ 34 K genom laserbestrålning med intensiteten 502 mW/cm2 (Fig. 3b). I normala tillstånd ovanför Tc minskar tomgångsspänningen Voc med temperaturen (överst i Fig. 3b), liknande det linjära beteendet hos Voc för normala solceller baserat på pn-övergångar 31, 32, 33. Även om förändringshastigheten för Voc med temperaturen (-dVoc/dT), som starkt beror på laserintensiteten, är mycket mindre än för normala solceller, har temperaturkoefficienten för Voc för YBCO-Ag-övergången samma storleksordning som för solcellerna. Läckströmmen för en pn-övergång för en normal solcellsanordning ökar med ökande temperatur, vilket leder till en minskning av Voc när temperaturen ökar. De linjära IV-kurvorna som observerats för detta Ag-supraledarsystem, på grund av dels den mycket lilla gränssnittspotentialen och dels den rygg-mot-rygg-kopplingen mellan de två heteroövergångarna, gör det svårt att bestämma läckströmmen. Ändå verkar det mycket troligt att samma temperaturberoende för läckströmmen är ansvarigt för Voc-beteendet som observerades i vårt experiment. Enligt definitionen är Isc den ström som behövs för att producera en negativ spänning för att kompensera Voc så att den totala spänningen är noll. När temperaturen ökar blir Voc mindre så att mindre ström behövs för att producera den negativa spänningen. Dessutom ökar resistansen hos YBCO linjärt med temperaturen över Tc (nederst i figur 3b), vilket också bidrar till det mindre absoluta värdet för Isc vid höga temperaturer.

Observera att resultaten i figurerna 2 och 3 erhålls genom laserbestrålning mot området runt katodelektroderna. Mätningar har också upprepats med laserpunkten placerad vid anoden och liknande IV-karakteristika och fotovoltaiska egenskaper har observerats, förutom att polariteten hos Voc och Isc har omvänts i detta fall. Alla dessa data leder till en mekanism för den fotovoltaiska effekten, som är nära relaterad till gränssnittet mellan supraledare och metall.

Sammanfattningsvis har IV-egenskaperna hos laserbestrålat supraledande YBCO-Ag-pastasystem mätts som funktioner av temperatur och laserintensitet. Anmärkningsvärd fotovoltaisk effekt har observerats i temperaturområdet 50 till 300 K. Det har visat sig att de fotovoltaiska egenskaperna korrelerar starkt med supraledningsförmågan hos YBCO-keramik. En polaritetsomvändning av Voc och Isc sker omedelbart efter den fotoinducerade supraledande till icke-supraledande övergången. Temperaturberoendet för Voc och Isc mätt vid fast laserintensitet visar också en distinkt polaritetsomvändning vid en kritisk temperatur över vilken provet blir resistivt. Genom att placera laserfläcken på olika delar av provet visar vi att det finns en elektrisk potential över gränssnittet, vilket ger separationskraften för de fotoinducerade elektron-hål-paren. Denna gränssnittspotential riktas från YBCO till metallelektroden när YBCO är supraledande och växlar till motsatt riktning när provet blir icke-supraledande. Potentialens ursprung kan vara naturligt förknippat med närhetseffekten vid gränssnittet mellan metall och supraledare när YBCO är supraledande och uppskattas till ~10−8 mV vid 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kontakt mellan ett p-typmaterial YBCO i normalt tillstånd och ett n-typmaterial Ag-pasta bildar en kvasi-pn-övergång som är ansvarig för det fotovoltaiska beteendet hos YBCO-keramik vid höga temperaturer. Ovanstående observationer belyser PV-effekten i högtemperatursupraledande YBCO-keramik och banar väg för nya tillämpningar inom optoelektroniska komponenter såsom snabb passiv ljusdetektor och enkelfotondetektor.

Experimenten med fotovoltaiska effekter utfördes på ett YBCO-keramiskt prov med en tjocklek på 0,52 mm och en rektangulär form på 8,64 × 2,26 mm2, belyst med en kontinuerlig blålaser (λ = 450 nm) med en laserfläcksstorlek på 1,25 mm i radie. Genom att använda ett bulkprov snarare än ett tunnfilmsprov kan vi studera supraledarens fotovoltaiska egenskaper utan att behöva hantera substratets komplexa inverkan6,7. Dessutom kan bulkmaterialet vara gynnsamt på grund av sin enkla framställningsprocedur och relativt låga kostnad. Koppartrådarna är sammanfogade med silverpasta på YBCO-provet och bildar fyra cirkulära elektroder med en diameter på cirka 1 mm. Avståndet mellan de två spänningselektroderna är cirka 5 mm. Provets IV-karakteristik mättes med hjälp av en vibrationsprovmagnetometer (VersaLab, Quantum Design) med ett kvartskristallfönster. Standard fyrtrådsmetod användes för att erhålla IV-kurvorna. De relativa positionerna för elektroderna och laserfläcken visas i figur 1i.

Hur man citerar den här artikeln: Yang, F. et al. Ursprunget till fotovoltaisk effekt i supraledande YBa2Cu3O6.96-keramik. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetriförbjudna laserinducerade spänningar i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Ursprunget till den anomala fotovoltaiska signalen i Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Mätning av laserinducerade spänningar hos supraledande Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Transienta laserinducerade spänningar i rumstemperaturfilmer av YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Anomalt fotovoltaiskt svar i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenererad hålbärarinjektion till YBa2Cu3O7−x i en oxidheterostruktur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Fotoemissionsstudie av YBa2Cu3Oy-tunnfilmer under ljusbelysning. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Fotovoltaisk effekt av YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heteroövergång glödgad vid olika syrepartialtryck. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Tvågapstruktur i Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkristaller. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kvasipartikelrelaxationsdynamik i supraledare med olika gapstrukturer: Teori och experiment på YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Likriktningsegenskaper hos YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroövergången. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonabsorption och supraledning i YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transient fotoinducerad konduktivitet i halvledande enkristaller av YBa2Cu3O6.3: sökande efter fotoinducerat metalliskt tillstånd och fotoinducerad supraledning. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Tunnelmodell för den supraledande närhetseffekten. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Supraledande närhetseffekt undersökt på en mesoskopisk längdskala. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Närhetseffekt med icke-centrosymmetriska supraledare. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Stark supraledande närhetseffekt i Pb-Bi2Te3 hybridstrukturer. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL En ny kisel-pn-övergångsfotocell för att omvandla solstrålning till elektrisk energi. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Föroreningars effekter på den supraledande koherenslängden i Zn- eller Ni-dopade YBa2Cu3O6.9 enkristaller. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistans hos obuntvinnade YBa2Cu3Oy-enkristaller i ett brett dopningsområde: anomalt håldopningsberoende av koherenslängden. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Systematik inom termoelektrisk effekt hos oxider med hög Tg. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Bärartäthetsberoende momentumförskjutning av den koherenta toppen och LO-fononläget i p-typ hög-Tc-supraledare. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Hålreduktion och elektronackumulering i YBa2Cu3Oy-tunnfilmer med hjälp av en elektrokemisk teknik: Bevis för ett metalliskt tillstånd av n-typ. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT. Fysik och kemi för Schottky-barriärens höjd. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekter av dynamisk extern parbrytning i supraledande filmer. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Fotoinducerad förstärkning av supraledningsförmåga. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Persistent fotokonduktivitet i YBa2Cu3O6+x-filmer som en metod för fotodopning mot metalliska och supraledande faser. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Icke-linjär gitterdynamik som grund för förbättrad supraledning i YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Ljusinducerad supraledning i ett randordnat kuprat. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Det temperaturfunktionella beroendet av VOC för en solcell i förhållande till dess effektivitet (ny metod). Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Temperatureffekter i Schottky-barriärkiselsolceller. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturberoende för fotovoltaiska parametrar hos polymer-fulleren-solceller under driftsförhållanden. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Detta arbete har fått stöd av National Natural Science Foundation of China (bidragsnr 60571063) och Fundamental Research Projects i Henan-provinsen, Kina (bidragsnr 122300410231).

FY skrev texten till artikeln och MYH förberedde YBCO-keramprovet. FY och MYH utförde experimentet och analyserade resultaten. FGC ledde projektet och den vetenskapliga tolkningen av data. Alla författare granskade manuskriptet.

Detta verk är licensierat under en Creative Commons Attribution 4.0 International-licens. Bilderna eller annat material från tredje part i den här artikeln ingår i artikelns Creative Commons-licens, om inte annat anges i kreditraden. Om materialet inte ingår i Creative Commons-licensen måste användare få tillstånd från licensinnehavaren för att reproducera materialet. För att se en kopia av denna licens, besök http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Ursprunget till den fotovoltaiska effekten i supraledande YBa2Cu3O6.96-keramik. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Genom att skicka in en kommentar godkänner du att följa våra villkor och riktlinjer för communityn. Om du hittar något kränkande eller som inte följer våra villkor eller riktlinjer, vänligen flagga det som olämpligt.