Asante kwa kutembelea nature.com. Unatumia toleo la kivinjari lenye usaidizi mdogo kwa CSS. Ili kupata matumizi bora, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa zaidi (au zima hali ya utangamano katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tunaonyesha tovuti bila mitindo na JavaScript.
Tunaripoti athari ya ajabu ya photovoltaic katika kauri ya YBa2Cu3O6.96 (YBCO) kati ya 50 na 300 K inayosababishwa na mwangaza wa leza ya bluu, ambayo inahusiana moja kwa moja na superconductivity ya YBCO na kiolesura cha elektrodi ya metali ya YBCO. Kuna mabadiliko ya polarity kwa volti ya saketi wazi ya Voc na mkondo wa saketi fupi Isc wakati YBCO inapitia mpito kutoka superconductor hadi hali ya upinzani. Tunaonyesha kuwa kuna uwezo wa umeme katika kiolesura cha metali cha kawaida cha superconductor, ambacho hutoa nguvu ya kutenganisha kwa jozi za elektroni-shimo zinazosababishwa na picha. Uwezo huu wa kiolesura huelekeza kutoka YBCO hadi elektrodi ya chuma wakati YBCO inapoendesha superconductor na hubadilika kwenda upande mwingine wakati YBCO inakuwa isiyoendesha superconductor. Asili ya uwezo inaweza kuhusishwa kwa urahisi na athari ya ukaribu kwenye kiolesura cha metali-superconductor wakati YBCO inaendesha superconductor na thamani yake inakadiriwa kuwa ~10–8 mV kwa 50 K na nguvu ya leza ya 502 mW/cm2. Mchanganyiko wa nyenzo ya aina ya p YBCO katika hali ya kawaida na nyenzo ya aina ya n Ag-baste huunda makutano ya nusu-pn ambayo huwajibika kwa tabia ya fotovoltaiki ya kauri za YBCO katika halijoto ya juu. Matokeo yetu yanaweza kufungua njia ya matumizi mapya ya vifaa vya fotoni-elektroniki na kutoa mwanga zaidi kuhusu athari ya ukaribu kwenye kiolesura cha superconductor-metal.
Volti inayosababishwa na picha katika viendeshaji vya halijoto ya juu imeripotiwa mwanzoni mwa miaka ya 1990 na kuchunguzwa kwa kina tangu wakati huo, lakini asili na utaratibu wake bado haujatulia. 1,2,3,4,5. Filamu nyembamba za YBa2Cu3O7-δ (YBCO) 6,7,8, haswa, husomwa kwa kina katika mfumo wa seli ya photovoltaic (PV) kutokana na pengo lake la nishati linaloweza kurekebishwa 9,10,11,12,13. Hata hivyo, upinzani mkubwa wa substrate daima husababisha ufanisi mdogo wa ubadilishaji wa kifaa na huficha sifa za msingi za PV za YBCO8. Hapa tunaripoti athari ya ajabu ya photovoltaic inayosababishwa na mwangaza wa leza ya bluu (λ = 450 nm) katika kauri ya YBa2Cu3O6.96 (YBCO) kati ya 50 na 300 K (Tc ~ 90 K). Tunaonyesha kuwa athari ya PV inahusiana moja kwa moja na upitishaji wa juu wa YBCO na asili ya kiolesura cha elektrodi ya metali ya YBCO. Kuna mabadiliko ya polari kwa volti ya mzunguko wazi ya Voc na mkondo wa mzunguko mfupi Isc wakati YBCO inapitia mabadiliko kutoka awamu ya superconducting hadi hali ya upinzani. Inapendekezwa kuwa kuna uwezo wa umeme katika kiolesura cha chuma cha kawaida cha superconductor, ambacho hutoa nguvu ya kutenganisha kwa jozi za elektroni-shimo zinazosababishwa na picha. Uwezo huu wa kiolesura huelekeza kutoka YBCO hadi elektrodi ya chuma wakati YBCO inapoendesha superconducting na hubadilika kwenda upande mwingine wakati sampuli inakuwa isiyoendesha superconducting. Asili ya uwezo inaweza kuhusishwa kiasili na athari ya ukaribu14,15,16,17 kwenye kiolesura cha metali-superconductor wakati YBCO inaendesha superconducting na thamani yake inakadiriwa kuwa ~10−8 mV kwa 50 K na nguvu ya leza ya 502 mW/cm2. Mchanganyiko wa nyenzo ya aina ya p YBCO katika hali ya kawaida na nyenzo ya aina ya n Ag-baste huunda, uwezekano mkubwa, makutano ya nusu-pn ambayo yanawajibika kwa tabia ya PV ya kauri za YBCO katika hali ya joto kali. Uchunguzi wetu unatoa mwanga zaidi kuhusu asili ya athari ya PV katika kauri za YBCO zenye upitishaji joto wa juu na kufungua njia ya matumizi yake katika vifaa vya kielektroniki kama vile kigunduzi cha mwanga wa haraka usiotumia mwanga n.k.
Mchoro 1a–c unaonyesha kwamba sifa za IV za sampuli ya kauri ya YBCO katika 50 K. Bila mwangaza wa mwanga, volteji katika sampuli hubaki kwenye sifuri na mkondo unaobadilika, kama inavyotarajiwa kutoka kwa nyenzo inayopitisha nguvu nyingi. Athari dhahiri ya fotovoltaiki inaonekana wakati boriti ya leza inaelekezwa kwenye kathodi (Mchoro 1a): mikunjo ya IV sambamba na mhimili wa I hushuka chini kwa kuongezeka kwa nguvu ya leza. Ni dhahiri kwamba kuna volteji hasi inayosababishwa na picha hata bila mkondo wowote (mara nyingi huitwa volteji ya mzunguko wazi Voc). Mteremko wa sifuri wa mkunjo wa IV unaonyesha kwamba sampuli bado inapitisha nguvu nyingi chini ya mwangaza wa leza.
(a–c) na 300 K (e–g). Thamani za V(I) zilipatikana kwa kufagia mkondo kutoka −10 mA hadi +10 mA katika utupu. Sehemu tu ya data ya majaribio inawasilishwa kwa ajili ya uwazi. a, Sifa za volteji ya Mkondo wa YBCO zilizopimwa kwa doa la leza lililowekwa kwenye kathodi (i). Mikunjo yote ya IV ni mistari iliyonyooka mlalo inayoonyesha kuwa sampuli bado inapitisha umeme kwa kutumia miale ya leza. Mkunjo hushuka chini kwa kuongezeka kwa nguvu ya leza, ikionyesha kuwa kuna uwezo hasi (Voc) kati ya volteji mbili hata kwa mkondo sifuri. Mikunjo ya IV hubaki bila kubadilika wakati leza inaelekezwa katikati ya sampuli kwenye etha 50 K (b) au 300 K (f). Mstari mlalo husogea juu wakati anodi inapoangaziwa (c). Mfano wa kimchoro wa makutano ya chuma-superconductor kwenye 50 K unaonyeshwa katika d. Sifa za volteji ya mkondo wa YBCO katika hali ya kawaida katika 300 K zinazopimwa kwa kutumia boriti ya leza iliyoelekezwa kwenye kathodi na anodi hutolewa katika e na g mtawalia. Tofauti na matokeo katika 50 K, mteremko usio na sifuri wa mistari iliyonyooka unaonyesha kuwa YBCO iko katika hali ya kawaida; thamani za Voc hutofautiana kulingana na kiwango cha mwanga katika mwelekeo tofauti, ikionyesha utaratibu tofauti wa utenganishaji wa chaji. Muundo unaowezekana wa kiolesura katika 300 K unaonyeshwa katika hj Picha halisi ya sampuli yenye leads.
YBCO yenye utajiri wa oksijeni katika hali ya superconducting inaweza kunyonya karibu wigo kamili wa mwanga wa jua kutokana na pengo lake dogo sana la nishati (Mfano)9,10, na hivyo kuunda jozi za elektroni-mashimo (e-h). Ili kutoa volteji ya saketi wazi Voc kwa kunyonya fotoni, ni muhimu kutenganisha jozi za eh zinazozalishwa na picha kabla ya kurudiana tena kutokea18. Voc hasi, ikilinganishwa na kathodi na anodi kama ilivyoonyeshwa kwenye Mchoro 1i, inaonyesha kwamba kuna uwezo wa umeme katika kiolesura cha chuma-superconductor, ambacho husogeza elektroni kwenye anodi na mashimo kwenye kathodi. Ikiwa ndivyo ilivyo, kunapaswa pia kuwa na uwezo unaoelekea kutoka kwa superconductor hadi elektrodi ya chuma kwenye anodi. Kwa hivyo, Voc chanya itapatikana ikiwa eneo la sampuli karibu na anodi litaangaziwa. Zaidi ya hayo, haipaswi kuwa na volteji zinazosababishwa na picha wakati doa la leza linaelekezwa kwenye maeneo mbali na elektrodi. Hakika ndivyo ilivyo kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa Mchoro 1b,c!.
Wakati doa la mwanga linapotoka kutoka kwa elektrodi ya kathodi hadi katikati ya sampuli (karibu 1.25 mm mbali na violesura), hakuna tofauti ya mikunjo ya IV na hakuna Voc inayoweza kuonekana kwa kuongeza nguvu ya leza hadi thamani ya juu inayopatikana (Mchoro 1b). Kwa kawaida, matokeo haya yanaweza kuhusishwa na muda mdogo wa maisha wa wabebaji wanaosababishwa na picha na ukosefu wa nguvu ya utengano katika sampuli. Jozi za elektroni-shimo zinaweza kuundwa wakati wowote sampuli inapoangaziwa, lakini jozi nyingi za e-h zitaangamizwa na hakuna athari ya photovoltaic inayoonekana ikiwa doa la leza litaanguka kwenye maeneo yaliyo mbali na elektrodi yoyote. Kuhamisha doa la leza hadi kwa elektrodi za anode, mikunjo ya IV sambamba na mhimili wa I husogea juu kwa kuongezeka kwa nguvu ya leza (Mchoro 1c). Sehemu kama hiyo ya umeme iliyojengewa ndani ipo katika makutano ya chuma-superconductor kwenye anode. Hata hivyo, elektrodi ya metali huunganishwa na risasi chanya ya mfumo wa majaribio wakati huu. Mashimo yanayozalishwa na leza husukumwa hadi risasi ya anode na hivyo Voc chanya huonekana. Matokeo yaliyowasilishwa hapa yanatoa ushahidi thabiti kwamba kuna uwezekano wa kiolesura kuelekeza kutoka kwa kondakta mkuu hadi elektrodi ya chuma.
Athari ya fotovoltaiki katika kauri za YBa2Cu3O6.96 kwa 300 K inaonyeshwa kwenye Mchoro 1e–g. Bila mwangaza wa mwanga, mkunjo wa IV wa sampuli ni mstari ulionyooka unaovuka asili. Mstari huu ulionyooka husogea juu sambamba na ule wa asili huku nguvu ya leza ikiongezeka kwenye ncha za kathodi (Mchoro 1e). Kuna visa viwili vya kupunguza vinavyovutia kwa kifaa cha fotovoltaiki. Hali ya mzunguko mfupi hutokea wakati V = 0. Mkondo katika kesi hii unajulikana kama mkondo wa mzunguko mfupi (Isc). Kesi ya pili ya kupunguza ni hali ya mzunguko wazi (Voc) ambayo hutokea wakati R→∞ au mkondo ni sifuri. Mchoro 1e unaonyesha wazi kwamba Voc ni chanya na huongezeka kadri nguvu ya mwanga inavyoongezeka, tofauti na matokeo yaliyopatikana kwa 50 K; huku Isc hasi ikionekana kuongezeka kwa ukubwa kadri mwangaza unavyoongezeka, tabia ya kawaida ya seli za kawaida za jua.
Vile vile, wakati boriti ya leza inapoelekezwa kwenye maeneo yaliyo mbali na elektrodi, mkunjo wa V(I) hautegemei nguvu ya leza na hakuna athari ya photovoltaic inayoonekana (Mchoro 1f). Sawa na kipimo cha 50 K, mikunjo ya IV husogea upande mwingine huku elektrodi ya anodi ikimwagiliwa (Mchoro 1g). Matokeo haya yote yaliyopatikana kwa mfumo huu wa kubandika wa YBCO-Ag kwenye 300 K huku leza ikimwagiliwa katika nafasi tofauti za sampuli yanaendana na uwezo wa kiolesura kinyume na ule unaoonekana kwenye 50 K.
Elektroni nyingi huganda katika jozi za Cooper katika YBCO inayopitisha umeme zaidi chini ya halijoto yake ya mpito Tc. Wakati zikiwa kwenye elektrodi ya chuma, elektroni zote hubaki katika umbo la umoja. Kuna mteremko mkubwa wa msongamano kwa elektroni za umoja na jozi za Cooper karibu na kiolesura cha chuma-superconductor. Elektroni za umoja zinazobeba umeme mwingi katika nyenzo za metali zitasambaa hadi kwenye eneo la superconductor, ilhali jozi za Cooper zinazobeba umeme mwingi katika eneo la YBCO zitasambaa hadi kwenye eneo la metali. Jozi za Cooper zinapobeba chaji zaidi na kuwa na uhamaji mkubwa kuliko elektroni za umoja zinasambaa kutoka YBCO hadi kwenye eneo la metali, atomi zenye chaji chanya huachwa nyuma, na kusababisha uwanja wa umeme katika eneo la chaji cha nafasi. Mwelekeo wa uwanja huu wa umeme unaonyeshwa kwenye mchoro wa kielelezo Mchoro 1d. Mwangaza wa fotoni wa tukio karibu na eneo la chaji cha nafasi unaweza kuunda jozi za eh ambazo zitatenganishwa na kufutwa na kutoa mkondo wa picha katika mwelekeo wa kinyume. Mara tu elektroni zinapotoka kwenye uwanja wa umeme uliojengwa ndani, hugandamizwa katika jozi na kutiririka hadi kwenye elektrodi nyingine bila upinzani. Katika hali hii, Voc iko kinyume na polarity iliyowekwa tayari na inaonyesha thamani hasi wakati boriti ya leza inapoelekeza kwenye eneo linalozunguka elektrodi hasi. Kutoka kwa thamani ya Voc, uwezo katika kiolesura unaweza kukadiriwa: umbali kati ya volteji mbili d ni ~5 × 10−3 m, unene wa kiolesura cha metali-superconductor, di, unapaswa kuwa mpangilio sawa wa ukubwa kama urefu wa mshikamano wa YBCO superconductor (~1 nm)19,20, chukua thamani ya Voc = 0.03 mV, Vms zinazowezekana kwenye kiolesura cha metali-superconductor zinatathminiwa kuwa ~10−11 V kwa 50 K na nguvu ya leza ya 502 mW/cm2, kwa kutumia mlinganyo,
Tunataka kusisitiza hapa kwamba volteji inayosababishwa na picha haiwezi kuelezewa na athari ya joto la picha. Imethibitishwa kimajaribio kwamba mgawo wa Seebeck wa superconductor YBCO ni Ss = 021. Mgawo wa Seebeck kwa waya za shaba zenye risasi uko katika kiwango cha SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Halijoto ya waya ya shaba kwenye sehemu ya leza inaweza kuinuliwa kwa kiasi kidogo cha 0.06 K huku kiwango cha juu cha nguvu ya leza kikipatikana kwa 50 K. Hii inaweza kutoa uwezo wa joto la umeme wa 6.9 × 10−8 V ambao ni ukubwa wa oda tatu chini ya Voc iliyopatikana kwenye Mchoro 1 (a). Ni dhahiri kwamba athari ya joto la umeme ni ndogo sana kuelezea matokeo ya majaribio. Kwa kweli, tofauti ya halijoto kutokana na mionzi ya leza ingetoweka kwa chini ya dakika moja ili mchango kutoka kwa athari ya joto uweze kupuuzwa kwa usalama.
Athari hii ya photovoltaic ya YBCO kwenye halijoto ya kawaida inaonyesha kwamba utaratibu tofauti wa utenganishaji wa chaji unahusika hapa. Kupitisha YBCO katika hali ya kawaida ni nyenzo ya aina ya p yenye mashimo kama kibeba chaji22,23, huku Ag-baste ya metali ikiwa na sifa za nyenzo ya aina ya n. Sawa na makutano ya pn, usambaaji wa elektroni kwenye mchanganyiko wa fedha na mashimo kwenye kauri ya YBCO utaunda uwanja wa ndani wa umeme unaoelekeza kwenye kauri ya YBCO kwenye kiolesura (Mchoro 1h). Ni uwanja huu wa ndani ambao hutoa nguvu ya utenganishaji na husababisha Voc chanya na Isc hasi kwa mfumo wa mchanganyiko wa YBCO-Ag kwenye halijoto ya kawaida, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1e. Vinginevyo, Ag-YBCO inaweza kuunda makutano ya Schottky ya aina ya p ambayo pia husababisha uwezo wa kiolesura wenye polarity sawa na katika modeli iliyowasilishwa hapo juu24.
Ili kuchunguza mchakato wa kina wa mageuzi ya sifa za photovoltaic wakati wa mpito wa superconducting wa YBCO, mikunjo ya IV ya sampuli katika 80 K ilipimwa kwa nguvu ya leza iliyochaguliwa inayoangazia elektrodi ya kathodi (Mchoro 2). Bila miale ya leza, volteji katika sampuli hubaki kwenye sifuri bila kujali mkondo, ikionyesha hali ya superconducting ya sampuli katika 80 K (Mchoro 2a). Sawa na data iliyopatikana katika 50 K, mikunjo ya IV sambamba na mhimili wa I hushuka chini kwa nguvu ya leza inayoongezeka hadi thamani muhimu Pc ifikiwe. Juu ya nguvu hii muhimu ya leza (Pc), superconductor hupitia mpito kutoka awamu ya superconducting hadi awamu ya upinzani; volteji huanza kuongezeka kwa mkondo kutokana na kuonekana kwa upinzani katika superconductor. Matokeo yake, mkunjo wa IV huanza kuingiliana na mhimili wa I na mhimili wa V na kusababisha Voc hasi na Isc chanya mwanzoni. Sasa sampuli inaonekana kuwa katika hali maalum ambapo polarity ya Voc na Isc ni nyeti sana kwa nguvu ya mwanga; Kwa ongezeko dogo sana la kiwango cha mwanga, Isc hubadilishwa kutoka chanya hadi hasi na Voc kutoka thamani hasi hadi chanya, na kupitisha asili (unyeti mkubwa wa sifa za fotovoltaiki, haswa thamani ya Isc, hadi mwangaza wa mwanga unaweza kuonekana wazi zaidi katika Mchoro 2b). Katika kiwango cha juu zaidi cha leza kinachopatikana, mikunjo ya IV inakusudia kuwa sambamba na kila mmoja, ikiashiria hali ya kawaida ya sampuli ya YBCO.
Kituo cha leza kimewekwa karibu na elektrodi za kathodi (tazama Mchoro 1i). a, Mikunjo ya IV ya YBCO iliyowashwa na nguvu tofauti za leza. b (juu), Utegemezi wa nguvu ya leza wa volti ya saketi wazi Voc na mkondo wa saketi fupi Isc. Thamani za Isc haziwezi kupatikana kwa nguvu ya chini ya mwanga (< 110 mW/cm2) kwa sababu mikunjo ya IV ni sambamba na mhimili wa I wakati sampuli iko katika hali ya superconducting. b (chini), upinzani tofauti kama kazi ya nguvu ya leza.
Utegemezi wa nguvu ya leza wa Voc na Isc katika 80 K unaonyeshwa kwenye Mchoro 2b (juu). Sifa za fotovoltaiki zinaweza kujadiliwa katika maeneo matatu ya nguvu ya mwanga. Eneo la kwanza ni kati ya 0 na Pc, ambapo YBCO inaongoza kwa upitishaji wa juu, Voc ni hasi na hupungua (thamani kamili huongezeka) kwa nguvu ya mwanga na kufikia kiwango cha chini kabisa katika Pc. Eneo la pili ni kutoka Pc hadi nguvu nyingine muhimu P0, ambapo Voc huongezeka huku Isc ikipungua kwa nguvu ya mwanga inayoongezeka na zote hufikia sifuri katika P0. Eneo la tatu liko juu ya P0 hadi hali ya kawaida ya YBCO ifikiwe. Ingawa Voc na Isc zote hutofautiana kwa nguvu ya mwanga kwa njia sawa na katika eneo la 2, zina polarity kinyume juu ya nguvu muhimu P0. Umuhimu wa P0 upo katika kwamba hakuna athari ya fotovoltaiki na utaratibu wa utenganisho wa chaji hubadilika kimaumbile katika hatua hii maalum. Sampuli ya YBCO inakuwa isiyoongoza katika safu hii ya nguvu ya mwanga lakini hali ya kawaida bado haijafikiwa.
Ni wazi kwamba sifa za fotovoltaiki za mfumo zinahusiana kwa karibu na superconductivity ya YBCO na mpito wake wa superconductivity. Upinzani tofauti, dV/dI, wa YBCO unaonyeshwa kwenye Mchoro 2b (chini) kama kazi ya nguvu ya leza. Kama ilivyotajwa hapo awali, uwezo wa umeme uliojengewa ndani katika kiolesura kutokana na sehemu za uenezaji wa jozi ya Cooper kutoka kwa superconductor hadi chuma. Sawa na ile iliyoonekana kwenye 50 K, athari ya photovoltaiki huimarishwa kwa kuongezeka kwa nguvu ya leza kutoka 0 hadi Pc. Wakati nguvu ya leza inafikia thamani kidogo juu ya Pc, mkunjo wa IV huanza kuinama na upinzani wa sampuli huanza kuonekana, lakini polarity ya uwezo wa kiolesura haujabadilika bado. Athari ya msisimko wa macho kwenye superconductivity imechunguzwa katika eneo linaloonekana au karibu na IR. Ingawa mchakato wa msingi ni kuvunja jozi za Cooper na kuharibu superconductivity25,26, katika baadhi ya matukio mpito wa superconductivity unaweza kuimarishwa27,28,29, awamu mpya za superconductivity zinaweza hata kusababishwa30. Kutokuwepo kwa upitishaji umeme wa juu katika Pc kunaweza kuhusishwa na kuvunjika kwa jozi inayosababishwa na picha. Katika sehemu ya P0, uwezo katika kiolesura unakuwa sifuri, ikionyesha kuwa msongamano wa chaji katika pande zote mbili za kiolesura unafikia kiwango sawa chini ya nguvu hii maalum ya mwangaza. Ongezeko zaidi la nguvu ya leza husababisha jozi zaidi za Cooper kuharibiwa na YBCO hubadilishwa polepole kuwa nyenzo ya aina ya p. Badala ya uenezaji wa jozi ya elektroni na Cooper, sifa ya kiolesura sasa imedhamiriwa na uenezaji wa elektroni na mashimo ambayo husababisha mabadiliko ya polarity ya uwanja wa umeme katika kiolesura na hivyo Voc chanya (linganisha Mchoro 1d, h). Katika nguvu ya juu sana ya leza, upinzani tofauti wa YBCO hujaa hadi thamani inayolingana na hali ya kawaida na Voc na Isc zote mbili huwa hutofautiana kwa mstari na nguvu ya leza (Mchoro 2b). Uchunguzi huu unaonyesha kuwa mionzi ya leza katika hali ya kawaida YBCO haitabadilisha tena upinzani wake na sifa ya kiolesura cha superconductor-metal lakini itaongeza tu mkusanyiko wa jozi za elektroni-shimo.
Ili kuchunguza athari za halijoto kwenye sifa za photovoltaic, mfumo wa metali-superconductor ulimwashwa kwenye cathode kwa kutumia leza ya bluu ya kiwango cha 502 mW/cm2. Mikunjo ya IV iliyopatikana kwa halijoto iliyochaguliwa kati ya 50 na 300 K imetolewa katika Mchoro 3a. Volti ya saketi iliyo wazi Voc, mkondo wa saketi fupi Isc na upinzani tofauti vinaweza kupatikana kutoka kwa mikunjo hii ya IV na vinaonyeshwa katika Mchoro 3b. Bila mwangaza wa mwanga, mikunjo yote ya IV iliyopimwa kwa halijoto tofauti hupita asili kama ilivyotarajiwa (kipande cha Mchoro 3a). Sifa za IV hubadilika sana kwa halijoto inayoongezeka wakati mfumo unapoangaziwa na boriti ya leza yenye nguvu kiasi (502 mW/cm2). Katika halijoto ya chini mikunjo ya IV ni mistari iliyonyooka sambamba na mhimili wa I yenye thamani hasi za Voc. Mkunjo huu husogea juu kwa halijoto inayoongezeka na polepole hugeuka kuwa mstari wenye mteremko usio na sifuri kwa halijoto muhimu Tcp (Mchoro 3a (juu)). Inaonekana kwamba mikunjo yote ya sifa ya IV huzunguka kuzunguka nukta katika roboduara ya tatu. Vok huongezeka kutoka thamani hasi hadi chanya huku Isc ikipungua kutoka thamani chanya hadi hasi. Juu ya halijoto ya mpito ya awali ya superconducting Tc ya YBCO, mkunjo wa IV hubadilika tofauti kulingana na halijoto (chini ya Mchoro 3a). Kwanza, kituo cha mzunguko cha mikunjo ya IV husogea hadi robodu ya kwanza. Pili, Vok huendelea kupungua na Isc huongezeka kulingana na halijoto inayoongezeka (juu ya Mchoro 3b). Tatu, mteremko wa mikunjo ya IV huongezeka sambamba kulingana na halijoto na kusababisha mgawo chanya wa upinzani wa halijoto kwa YBCO (chini ya Mchoro 3b).
Utegemezi wa halijoto wa sifa za fotovoltaiki kwa mfumo wa kubandika wa YBCO-Ag chini ya mwangaza wa leza wa 502 mW/cm2.
Kituo cha leza kimewekwa karibu na elektrodi za kathodi (tazama Mchoro 1i). a, mikunjo ya IV inayopatikana kutoka 50 hadi 90 K (juu) na kutoka 100 hadi 300 K (chini) yenye ongezeko la joto la 5 K na 20 K, mtawalia. Kipengee a kinaonyesha sifa za IV katika halijoto kadhaa gizani. Mikunjo yote huvuka sehemu ya asili. b, volteji ya mzunguko wazi Voc na mkondo wa mzunguko mfupi Isc (juu) na upinzani tofauti, dV/dI, ya YBCO (chini) kama kigezo cha halijoto. Halijoto ya mpito ya superconducting ya upinzani sifuri Tcp haijatolewa kwa sababu iko karibu sana na Tc0.
Halijoto tatu muhimu zinaweza kutambuliwa kutoka Mchoro 3b: Tcp, juu yake YBCO inakuwa isiyo na upitishaji wa juu; Tc0, ambapo Voc na Isc zote mbili huwa sifuri na Tc, halijoto ya mpito ya awali ya upitishaji wa juu wa YBCO bila upitishaji wa leza. Chini ya Tcp ~ 55 K, YBCO iliyo na upitishaji wa leza iko katika hali ya upitishaji wa juu zaidi ikiwa na mkusanyiko mkubwa wa jozi za Cooper. Athari ya upitishaji wa leza ni kupunguza halijoto ya mpito ya upitishaji wa juu wa upinzani sifuri kutoka 89 K hadi ~55 K (chini ya Mchoro 3b) kwa kupunguza mkusanyiko wa jozi ya Cooper pamoja na kutoa volteji ya photovoltaic na mkondo. Joto linaloongezeka pia huvunja jozi za Cooper na kusababisha uwezo mdogo katika kiolesura. Kwa hivyo, thamani kamili ya Voc itakuwa ndogo, ingawa nguvu sawa ya mwangaza wa leza itatumika. Uwezo wa kiolesura utakuwa mdogo na mdogo zaidi kwa ongezeko zaidi la halijoto na kufikia sifuri katika Tc0. Hakuna athari ya photovoltaic katika sehemu hii maalum kwa sababu hakuna uwanja wa ndani wa kutenganisha jozi za elektroni-shimo zinazosababishwa na picha. Kubadilika kwa polari ya uwezo hutokea juu ya halijoto hii muhimu kwani msongamano wa chaji huru katika Ag paste ni mkubwa kuliko ule wa YBCO ambao huhamishiwa polepole kwenye nyenzo ya aina ya p. Hapa tunataka kusisitiza kwamba kubadilika kwa polari ya Voc na Isc hutokea mara tu baada ya mpito wa superconducting ya upinzani sifuri, bila kujali sababu ya mpito. Uchunguzi huu unaonyesha wazi, kwa mara ya kwanza, uhusiano kati ya superconductivity na athari za photovoltaic zinazohusiana na uwezo wa kiolesura cha metali-superconductor. Asili ya uwezo huu katika kiolesura cha metali cha kawaida cha superconductor imekuwa lengo la utafiti kwa miongo kadhaa iliyopita lakini kuna maswali mengi bado yanasubiri kujibiwa. Kipimo cha athari ya photovoltaic kinaweza kuwa njia bora ya kuchunguza maelezo (kama vile nguvu yake na polari nk) ya uwezo huu muhimu na hivyo kutoa mwanga juu ya athari ya ukaribu wa superconducting ya halijoto ya juu.
Ongezeko zaidi la halijoto kutoka Tc0 hadi Tc husababisha mkusanyiko mdogo wa jozi za Cooper na kuimarika kwa uwezo wa kiolesura na hivyo Voc kubwa zaidi. Katika Tc mkusanyiko wa jozi ya Cooper unakuwa sifuri na uwezo wa kujengwa ndani kwenye kiolesura hufikia kiwango cha juu zaidi, na kusababisha Voc ya juu zaidi na Isc ya chini kabisa. Ongezeko la haraka la Voc na Isc (thamani kamili) katika kiwango hiki cha halijoto linalingana na mpito wa superconducting ambao hupanuliwa kutoka ΔT ~ 3 K hadi ~34 K kwa miale ya leza ya kiwango cha 502 mW/cm2 (Mchoro 3b). Katika hali za kawaida juu ya Tc, volteji ya mzunguko wazi Voc hupungua kwa halijoto (juu ya Mchoro 3b), sawa na tabia ya mstari ya Voc kwa seli za kawaida za jua kulingana na makutano ya pn31,32,33. Ingawa kiwango cha mabadiliko ya Voc na halijoto (−dVoc/dT), ambacho hutegemea sana kiwango cha leza, ni kidogo sana kuliko kile cha seli za kawaida za jua, mgawo wa halijoto wa Voc kwa makutano ya YBCO-Ag una mpangilio sawa wa ukubwa kama ule wa seli za jua. Mkondo wa uvujaji wa makutano ya pn kwa kifaa cha kawaida cha seli ya jua huongezeka kadri halijoto inavyoongezeka, na kusababisha kupungua kwa Voc kadri halijoto inavyoongezeka. Mikunjo ya mstari wa IV inayoonekana kwa mfumo huu wa Ag-superconductor, kwanza kutokana na uwezo mdogo sana wa kiolesura na pili muunganisho wa nyuma-kwa-nyuma wa mikunjo miwili, hufanya iwe vigumu kubaini mkondo wa uvujaji. Hata hivyo, kuna uwezekano mkubwa kwamba utegemezi sawa wa halijoto wa mkondo wa uvujaji unawajibika kwa tabia ya Voc inayoonekana katika jaribio letu. Kulingana na ufafanuzi, Isc ni mkondo unaohitajika ili kutoa volteji hasi ili kufidia Voc ili volteji yote iwe sifuri. Kadri halijoto inavyoongezeka, Voc inakuwa ndogo ili mkondo mdogo unahitajika ili kutoa volteji hasi. Zaidi ya hayo, upinzani wa YBCO huongezeka kwa mstari na halijoto juu ya Tc (chini ya Mchoro 3b), ambayo pia huchangia thamani ndogo kabisa ya Isc katika halijoto za juu.
Ona kwamba matokeo yaliyotolewa katika Mchoro 2,3 yanapatikana kwa kuangazia kwa leza katika eneo linalozunguka elektrodi za kathodi. Vipimo pia vimerudiwa na doa la leza likiwa kwenye anodi na sifa zinazofanana za IV na sifa za fotovoltaiki zimeonekana isipokuwa kwamba polarity ya Voc na Isc imebadilishwa katika kesi hii. Data hizi zote husababisha utaratibu wa athari ya fotovoltaiki, ambayo inahusiana kwa karibu na kiolesura cha superconductor-metal.
Kwa muhtasari, sifa za IV za mfumo wa kubandika wa YBCO-Ag unaopitisha mionzi ya leza zimepimwa kama kazi za halijoto na nguvu ya leza. Athari ya kushangaza ya fotovoltaiki imeonekana katika kiwango cha halijoto kuanzia 50 hadi 300 K. Imegundulika kuwa sifa za fotovoltaiki zinahusiana sana na upitishaji umeme wa juu wa kauri za YBCO. Ugeuzi wa polari wa Voc na Isc hutokea mara tu baada ya upitishaji umeme unaosababishwa na picha hadi mpito usio wa superconducting. Utegemezi wa halijoto wa Voc na Isc unaopimwa kwa nguvu ya leza isiyobadilika unaonyesha pia mabadiliko tofauti ya polari kwenye halijoto muhimu juu ambayo sampuli inakuwa sugu. Kwa kupata sehemu ya leza kwenye sehemu tofauti ya sampuli, tunaonyesha kuwa kuna uwezo wa umeme katika kiolesura, ambayo hutoa nguvu ya kutenganisha jozi za elektroni-shimo zinazosababishwa na picha. Uwezo huu wa kiolesura huelekeza kutoka YBCO hadi elektrodi ya chuma wakati YBCO inapitisha umeme wa juu na hubadilika kuelekea upande mwingine wakati sampuli inakuwa isiyopitisha umeme. Asili ya uwezo inaweza kuhusishwa kiasili na athari ya ukaribu kwenye kiolesura cha chuma-superconductor wakati YBCO inapitisha umeme kwa nguvu zaidi na inakadiriwa kuwa ~10−8 mV kwa 50 K na nguvu ya leza ya 502 mW/cm2. Mguso wa nyenzo ya aina ya p YBCO katika hali ya kawaida na nyenzo ya aina ya n. Ag-baste huunda makutano ya nusu-pn ambayo huwajibika kwa tabia ya fotovoltaic ya kauri za YBCO katika halijoto ya juu. Uchunguzi hapo juu unaangazia athari ya PV katika kauri za YBCO zinazopitisha umeme kwa nguvu zaidi katika halijoto ya juu na kufungua njia ya matumizi mapya katika vifaa vya optoelectronic kama vile kigunduzi cha mwanga wa haraka na kigunduzi cha fotoni moja.
Majaribio ya athari ya fotovoltaiki yalifanywa kwenye sampuli ya kauri ya YBCO yenye unene wa milimita 0.52 na umbo la mstatili la milimita 8.64 × 2.26 na kuangazwa na leza ya bluu inayoendelea (λ = 450 nm) yenye ukubwa wa doa la leza la milimita 1.25 katika radius. Kutumia sampuli ya wingi badala ya filamu nyembamba hutuwezesha kusoma sifa za fotovoltaiki za superconductor bila kulazimika kushughulika na ushawishi tata wa substrate6,7. Zaidi ya hayo, nyenzo ya wingi inaweza kuwa nzuri kwa utaratibu wake rahisi wa maandalizi na gharama ya chini. Waya za shaba zimeunganishwa kwenye sampuli ya YBCO na mchanganyiko wa fedha unaounda elektrodi nne za mviringo zenye kipenyo cha takriban milimita 1. Umbali kati ya elektrodi mbili za voltaiki ni takriban milimita 5. Sifa za IV za sampuli zilipimwa kwa kutumia sumaku ya sampuli ya mtetemo (VersaLab, Ubunifu wa Quantum) yenye dirisha la fuwele la quartz. Mbinu ya kawaida ya waya nne ilitumika kupata mikunjo ya IV. Nafasi za jamaa za elektrodi na doa la leza zinaonyeshwa kwenye Mchoro 1i.
Jinsi ya kunukuu makala haya: Yang, F. et al. Asili ya athari ya fotovoltaiki katika kauri za YBa2Cu3O6.96 zinazoongoza upitishaji wa umeme. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Volti zilizosababishwa na leza zilizopigwa marufuku kwa ulinganifu katika YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asili ya ishara isiyo ya kawaida ya fotovoltaiki katika Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Kipimo cha volteji zinazosababishwa na leza za Bi-Sr-Ca-Cu-O inayopitisha nguvu zaidi. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Volti za muda mfupi zinazosababishwa na leza katika filamu za halijoto ya chumba za YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Mwitikio usio wa kawaida wa fotovoltaiki katika YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Sindano ya kubeba shimo inayozalishwa kwa picha kwa YBa2Cu3O7−x katika muundo wa hetero wa oksidi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Utafiti wa utoaji wa mwanga wa filamu nyembamba za YBa2Cu3Oy chini ya mwangaza. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Athari ya fotovoltaiki ya YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction iliyounganishwa katika shinikizo tofauti la sehemu ya oksijeni. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Muundo wa Pengo Mbili katika fuwele moja za Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Mienendo ya utulivu wa Quasiparticle katika kondakta kuu zenye miundo tofauti ya pengo: Nadharia na majaribio kwenye YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Sifa za kurekebisha za YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Unyonyaji wa kusisimua na upitishaji wa juu katika YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Upitishaji wa muda mfupi unaosababishwa na foto katika fuwele moja za YBa2Cu3O6.3 zinazopitisha nusu upitishaji: tafuta hali ya metali inayosababishwa na foto na upitishaji wa superconductivity unaosababishwa na foto. Jumuiya ya Jimbo Mango. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Mfano wa handaki wa athari ya ukaribu wa superconducting. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Athari ya ukaribu wa superconducting iliyochunguzwa kwa kipimo cha urefu cha mesoscopic. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Athari ya ukaribu na kondakta kuu zisizo na ulinganifu wa sentimita. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Athari kali ya ukaribu wa superconducting katika miundo mseto ya Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Seli mpya ya fotokopi ya makutano ya silicon pn kwa ajili ya kubadilisha mionzi ya jua kuwa nguvu ya umeme. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Athari za uchafu kwenye urefu wa mshikamano wa superconducting katika fuwele moja za YBa2Cu3O6.9 zenye Zn- au Ni-doped. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Upinzani wa sumaku wa fuwele moja za YBa2Cu3Oy ambazo hazijaunganishwa katika aina mbalimbali za doping: utegemezi usio wa kawaida wa doping ya mashimo ya urefu wa mshikamano. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Mifumo katika nguvu ya joto ya oksidi zenye T nyingi. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Mabadiliko ya kasi yanayotegemea msongamano wa mtoa huduma ya kilele kinacholingana na hali ya fonetiki ya LO katika kondakta wakuu wa Tc wa aina ya p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Kupunguza mashimo na mkusanyiko wa elektroni katika filamu nyembamba za YBa2Cu3Oy kwa kutumia mbinu ya elektrokemikali: Ushahidi wa hali ya metali ya aina ya n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizikia na kemia ya urefu wa kizuizi cha Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Athari za Kuvunjika kwa Jozi ya Nje Inayobadilika katika Filamu za Superconducting. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Uboreshaji wa upitishaji umeme unaosababishwa na mwanga. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Upitishaji wa mwanga unaoendelea katika filamu za YBa2Cu3O6+x kama njia ya kupiga picha kuelekea awamu za metali na superconducting. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Mienendo isiyo ya mstari ya kimiani kama msingi wa upitishaji bora wa umeme katika YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Upitishaji wa umeme unaosababishwa na mwangaza katika kikombe kilichopangwa kwa mistari. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Utegemezi wa utendaji kazi wa VOC kwa seli ya jua kuhusiana na ufanisi wake mbinu mpya. Uondoaji wa chumvi 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Athari za halijoto katika seli za jua za silikoni zenye kizuizi cha Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Utegemezi wa halijoto kwa vigezo vya kifaa cha fotovoltaiki cha seli za jua za polima-fullerene chini ya hali ya uendeshaji. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Kazi hii imeungwa mkono na Wakfu wa Kitaifa wa Sayansi Asilia wa China (Ruzuku Nambari 60571063), Miradi ya Utafiti wa Msingi wa Mkoa wa Henan, China (Ruzuku Nambari 122300410231).
FY aliandika maandishi ya karatasi na MYH akaandaa sampuli ya kauri ya YBCO. FY na MYH walifanya jaribio na kuchanganua matokeo. FGC iliongoza mradi na tafsiri ya kisayansi ya data. Waandishi wote walipitia hati hiyo.
Kazi hii ina leseni chini ya Leseni ya Kimataifa ya Creative Commons Attribution 4.0. Picha au nyenzo zingine za wahusika wengine katika makala haya zimejumuishwa katika leseni ya Creative Commons ya makala, isipokuwa kama imeonyeshwa vinginevyo katika mstari wa mkopo; ikiwa nyenzo hazijajumuishwa chini ya leseni ya Creative Commons, watumiaji watahitaji kupata ruhusa kutoka kwa mwenye leseni ili kunakili nyenzo hiyo. Ili kutazama nakala ya leseni hii, tembelea http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asili ya athari ya fotovoltaiki katika kauri za YBa2Cu3O6.96 zinazopitisha nguvu zaidi. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Kwa kuwasilisha maoni unakubali kufuata Sheria na Masharti yetu na Miongozo ya Jumuiya. Ukiona kitu cha unyanyasaji au ambacho hakifuati sheria na miongozo yetu tafadhali kiweke alama kama kisichofaa.
Muda wa chapisho: Aprili-22-2020