Pinagmulan ng photovoltaic effect sa superconducting YBa2Cu3O6.96 ceramics

Salamat sa pagbisita sa nature.com. Gumagamit ka ng bersyon ng browser na may limitadong suporta para sa CSS. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda naming gumamit ka ng mas napapanahong browser (o i-off ang compatibility mode sa Internet Explorer). Samantala, upang matiyak ang patuloy na suporta, ipinapakita namin ang site nang walang mga estilo at JavaScript.

Iniulat namin ang kahanga-hangang photovoltaic effect sa YBa2Cu3O6.96 (YBCO) ceramic sa pagitan ng 50 at 300 K na dulot ng blue-laser illumination, na direktang nauugnay sa superconductivity ng YBCO at sa YBCO-metallic electrode interface. Mayroong polarity reversal para sa open circuit voltage na Voc at short circuit current na Isc kapag ang YBCO ay sumasailalim sa isang transition mula sa superconducting patungo sa resistive state. Ipinapakita namin na mayroong electrical potential sa kabila ng superconductor-normal metal interface, na nagbibigay ng separation force para sa photo-induced electron-hole pairs. Ang interface potential na ito ay dumidirekta mula sa YBCO patungo sa metal electrode kapag ang YBCO ay superconducting at lumilipat sa kabaligtaran na direksyon kapag ang YBCO ay nagiging nonsuperconducting. Ang pinagmulan ng potential ay maaaring madaling maiugnay sa proximity effect sa metal-superconductor interface kapag ang YBCO ay superconducting at ang halaga nito ay tinatayang ~10–8 mV sa 50 K na may laser intensity na 502 mW/cm2. Ang kombinasyon ng isang p-type na materyal na YBCO sa normal na estado at isang n-type na materyal na Ag-paste ay bumubuo ng isang quasi-pn junction na responsable para sa photovoltaic behavior ng mga YBCO ceramics sa mataas na temperatura. Ang aming mga natuklasan ay maaaring magbukas ng daan sa mga bagong aplikasyon ng mga photon-electronic device at magbigay ng karagdagang liwanag sa proximity effect sa superconductor-metal interface.

Ang photo-induced voltage sa mga high temperature superconductor ay naiulat noong unang bahagi ng dekada 1990 at malawakang sinisiyasat mula noon, ngunit ang katangian at mekanismo nito ay nananatiling hindi pa naaayos1,2,3,4,5. Ang mga manipis na pelikulang YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, sa partikular, ay masinsinang pinag-aaralan sa anyo ng photovoltaic (PV) cell dahil sa adjustable energy gap nito9,10,11,12,13. Gayunpaman, ang mataas na resistensya ng substrate ay palaging humahantong sa mababang conversion efficiency ng device at tinatakpan ang mga pangunahing katangian ng PV ng YBCO8. Dito namin iniuulat ang kahanga-hangang photovoltaic effect na dulot ng blue-laser (λ = 450 nm) na pag-iilaw sa YBa2Cu3O6.96 (YBCO) ceramic sa pagitan ng 50 at 300 K (Tc ~ 90 K). Ipinapakita namin na ang epekto ng PV ay direktang nauugnay sa superconductivity ng YBCO at sa katangian ng YBCO-metallic electrode interface. Mayroong polarity reversal para sa open circuit voltage na Voc at short circuit current na Isc kapag ang YBCO ay sumasailalim sa transisyon mula sa superconducting phase patungo sa resistive state. Iminumungkahi na mayroong electrical potential sa kabila ng superconductor-normal metal interface, na nagbibigay ng separation force para sa photo-induced electron-hole pairs. Ang interface potential na ito ay dumidirekta mula sa YBCO patungo sa metal electrode kapag ang YBCO ay superconducting at lumilipat sa kabaligtarang direksyon kapag ang sample ay naging nonsuperconducting. Ang pinagmulan ng potential ay maaaring natural na nauugnay sa proximity effect14,15,16,17 sa metal-superconductor interface kapag ang YBCO ay superconducting at ang halaga nito ay tinatayang ~10−8 mV sa 50 K na may laser intensity na 502 mW/cm2. Ang kombinasyon ng isang p-type na materyal na YBCO sa normal na estado at isang n-type na materyal na Ag-paste ay bumubuo, malamang, ng isang quasi-pn junction na responsable para sa PV behavior ng mga YBCO ceramics sa mataas na temperatura. Ang aming mga obserbasyon ay nagbibigay ng karagdagang liwanag sa pinagmulan ng epekto ng PV sa mga high temperature superconducting YBCO ceramics at nagbibigay-daan para sa aplikasyon nito sa mga optoelectronic device tulad ng fast passive light detector atbp.

Ipinapakita ng Figure 1a–c na ang mga katangian ng IV ng YBCO ceramic sample sa 50 K. Kung walang liwanag na nagbibigay-liwanag, ang boltahe sa sample ay nananatiling nasa zero kasabay ng pagbabago ng kuryente, gaya ng inaasahan mula sa isang superconducting material. Lumilitaw ang malinaw na photovoltaic effect kapag ang laser beam ay nakadirekta sa cathode (Fig. 1a): ang mga IV curve na parallel sa I-axis ay gumagalaw pababa kasabay ng pagtaas ng intensity ng laser. Maliwanag na mayroong negatibong photo-induced voltage kahit na walang anumang kuryente (madalas na tinatawag na open circuit voltage Voc). Ang zero slope ng IV curve ay nagpapahiwatig na ang sample ay superconducting pa rin sa ilalim ng laser illumination.

(a–c) at 300 K (e–g). Ang mga halaga ng V(I) ay nakuha sa pamamagitan ng pagpapalipat-lipat ng kuryente mula −10 mA hanggang +10 mA sa vacuum. Bahagi lamang ng datos ng eksperimento ang ipinakita para sa kalinawan. a, Mga katangian ng kasalukuyang-boltahe ng YBCO na sinusukat gamit ang laser spot na nakaposisyon sa cathode (i). Ang lahat ng IV curve ay pahalang at tuwid na linya na nagpapahiwatig na ang sample ay superconducting pa rin gamit ang laser irradiation. Ang curve ay gumagalaw pababa kasabay ng pagtaas ng intensity ng laser, na nagpapahiwatig na mayroong negatibong potensyal (Voc) sa pagitan ng dalawang voltage lead kahit na may zero na kuryente. Ang mga IV curve ay nananatiling hindi nagbabago kapag ang laser ay nakadirekta sa gitna ng sample sa ether 50 K (b) o 300 K (f). Ang pahalang na linya ay gumagalaw pataas habang ang anode ay naiilawan (c). Ang isang eskematiko na modelo ng metal-superconductor junction sa 50 K ay ipinapakita sa d. Ang mga katangian ng kasalukuyang-boltahe ng normal na estado ng YBCO sa 300 K na sinusukat gamit ang laser beam na nakaturo sa cathode at anode ay ibinibigay sa e at g ayon sa pagkakabanggit. Kabaligtaran ng mga resulta sa 50 K, ang non-zero slope ng mga tuwid na linya ay nagpapahiwatig na ang YBCO ay nasa normal na estado; ang mga halaga ng Voc ay nag-iiba kasabay ng intensidad ng liwanag sa kabaligtaran na direksyon, na nagpapahiwatig ng ibang mekanismo ng paghihiwalay ng karga. Ang isang posibleng istruktura ng interface sa 300 K ay inilalarawan sa hj. Ang totoong larawan ng sample na may mga lead.

Ang YBCO na mayaman sa oxygen sa superconducting state ay kayang sumipsip ng halos buong spectrum ng sikat ng araw dahil sa napakaliit nitong energy gap (Eg)9,10, kaya lumilikha ng mga electron-hole pair (e–h). Upang makagawa ng open circuit voltage na Voc sa pamamagitan ng pagsipsip ng mga photon, kinakailangang paghiwalayin nang spatial ang mga photo-generated eh pair bago mangyari ang recombination18. Ang negatibong Voc, kaugnay ng cathode at anode gaya ng ipinahiwatig sa Fig. 1i, ay nagmumungkahi na mayroong electrical potential sa metal-superconductor interface, na nagdadala ng mga electron papunta sa anode at mga butas papunta sa cathode. Kung ganito ang kaso, dapat ding mayroong potential na nakaturo mula sa superconductor papunta sa metal electrode sa anode. Dahil dito, isang positibong Voc ang makukuha kung ang sample area na malapit sa anode ay naiilawan. Bukod pa rito, hindi dapat magkaroon ng photo-induced voltages kapag ang laser spot ay nakaturo sa mga lugar na malayo sa mga electrode. Ito ay tiyak na ganito ang kaso gaya ng makikita sa Fig. 1b,c!.

Kapag ang light spot ay lumipat mula sa cathode electrode patungo sa gitna ng sample (mga 1.25 mm ang layo mula sa mga interface), walang pagkakaiba-iba ng IV curves at walang Voc ang maobserbahan sa pagtaas ng intensity ng laser hanggang sa pinakamataas na halagang magagamit (Fig. 1b). Natural, ang resultang ito ay maaaring maiugnay sa limitadong lifetime ng mga photo-induced carriers at sa kakulangan ng separation force sa sample. Ang mga electron-hole pairs ay maaaring malikha tuwing naiilawan ang sample, ngunit karamihan sa mga e-h pairs ay maaanod at walang photovoltaic effect ang maobserbahan kung ang laser spot ay bumagsak sa mga lugar na malayo sa alinman sa mga electrodes. Sa paglipat ng laser spot sa mga anode electrodes, ang mga IV curve na parallel sa I-axis ay gumagalaw pataas kasabay ng pagtaas ng intensity ng laser (Fig. 1c). Katulad na built-in na electrical field ang umiiral sa metal-superconductor junction sa anode. Gayunpaman, ang metallic electrode ay kumokonekta sa positive lead ng test system sa pagkakataong ito. Ang mga butas na nalilikha ng laser ay itinutulak patungo sa anode lead at sa gayon ay isang positibong Voc ang naobserbahan. Ang mga resultang inilahad dito ay nagbibigay ng matibay na ebidensya na mayroon ngang interface potential na nakaturo mula sa superconductor patungo sa metal electrode.

Ang epektong photovoltaic sa mga YBa2Cu3O6.96 ceramics sa 300 K ay ipinapakita sa Fig. 1e–g. Kung walang liwanag na iluminasyon, ang IV curve ng sample ay isang tuwid na linya na tumatawid sa pinagmulan. Ang tuwid na linyang ito ay gumagalaw pataas na parallel sa orihinal na linya na may tumataas na intensity ng laser na nag-i-irradiate sa mga cathode lead (Fig. 1e). Mayroong dalawang limiting case na interesante para sa isang photovoltaic device. Ang short-circuit condition ay nangyayari kapag ang V = 0. Ang current sa kasong ito ay tinutukoy bilang short circuit current (Isc). Ang pangalawang limiting case ay ang open-circuit condition (Voc) na nangyayari kapag ang R→∞ o ang current ay zero. Malinaw na ipinapakita ng Figure 1e na ang Voc ay positibo at tumataas kasabay ng pagtaas ng intensity ng liwanag, kabaligtaran ng resultang nakuha sa 50 K; habang ang negatibong Isc ay naobserbahang tumataas ang magnitude kasabay ng liwanag na iluminasyon, isang tipikal na pag-uugali ng mga normal na solar cell.

Gayundin, kapag ang sinag ng laser ay nakatutok sa mga lugar na malayo sa mga electrode, ang V(I) curve ay independiyente sa intensidad ng laser at walang lumitaw na photovoltaic effect (Fig. 1f). Katulad ng pagsukat sa 50 K, ang mga IV curve ay gumagalaw sa kabaligtaran na direksyon habang ang anode electrode ay naiilawan (Fig. 1g). Ang lahat ng mga resultang ito na nakuha para sa YBCO-Ag paste system na ito sa 300 K na may laser irradiated sa iba't ibang posisyon ng sample ay naaayon sa isang interface potential na kabaligtaran ng naobserbahan sa 50 K.

Karamihan sa mga electron ay nagko-condense sa mga pares ng Cooper sa superconducting YBCO sa ibaba ng transition temperature nitong Tc. Habang nasa metal electrode, lahat ng electron ay nananatili sa singular form. Mayroong malaking density gradient para sa parehong singular electron at Cooper pairs malapit sa metal-superconductor interface. Ang mga singular electron ng majority-carrier sa metallic material ay magko-diffuse sa superconductor region, samantalang ang majority-carrier Cooper-pairs sa YBCO region ay magko-diffuse sa metal region. Habang ang mga pares ng Cooper na may dalang mas maraming charge at may mas malaking mobility kaysa sa singular electron ay nagko-diffuse mula sa YBCO papunta sa metallic region, ang mga positively charged atoms ay naiiwan, na nagreresulta sa isang electric field sa space charge region. Ang direksyon ng electric field na ito ay ipinapakita sa schematic diagram Fig. 1d. Ang incident photon illumination malapit sa space charge region ay maaaring lumikha ng mga eh pairs na magkakahiwalay at magwawalis palabas na magbubuo ng photocurrent sa reverse-bias direction. Sa sandaling makalabas ang mga electron sa built-in electrical field, ang mga ito ay nagko-condensate sa mga pares at dumadaloy sa kabilang electrode nang walang resistance. Sa kasong ito, ang Voc ay kabaligtaran ng paunang itinakdang polarity at nagpapakita ng negatibong halaga kapag ang laser beam ay nakaturo sa lugar sa paligid ng negatibong elektrod. Mula sa halaga ng Voc, maaaring tantyahin ang potensyal sa buong interface: ang distansya sa pagitan ng dalawang voltage lead na d ay ~5 × 10−3 m, ang kapal ng metal-superconductor interface, di, ay dapat na parehong order of magnitude gaya ng coherence length ng YBCO superconductor (~1 nm)19,20, kung kukunin ang halaga ng Voc = 0.03 mV, ang potensyal na Vms sa metal-superconductor interface ay sinusuri na ~10−11 V sa 50 K na may laser intensity na 502 mW/cm2, gamit ang equation,

Nais naming bigyang-diin dito na ang photo-induced voltage ay hindi maipaliwanag ng photothermal effect. Napatunayan sa pamamagitan ng eksperimento na ang Seebeck coefficient ng superconductor YBCO ay Ss = 021. Ang Seebeck coefficient para sa mga copper lead wire ay nasa hanay na SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Ang temperatura ng copper wire sa laser spot ay maaaring itaas ng kaunting 0.06 K na may pinakamataas na laser intensity na magagamit sa 50 K. Maaari itong magdulot ng thermoelectric potential na 6.9 × 10−8 V na tatlong order magnitude na mas maliit kaysa sa Voc na nakuha sa Fig 1 (a). Maliwanag na ang thermoelectric effect ay masyadong maliit para ipaliwanag ang mga resulta ng eksperimento. Sa katunayan, ang pagkakaiba-iba ng temperatura dahil sa laser irradiation ay mawawala sa loob ng wala pang isang minuto kaya ang kontribusyon mula sa thermal effect ay ligtas na maaaring balewalain.

Ang photovoltaic effect na ito ng YBCO sa temperatura ng silid ay nagpapakita na may ibang mekanismo ng paghihiwalay ng karga ang kasangkot dito. Ang superconducting YBCO sa normal na estado ay isang materyal na p-type na may mga butas bilang charge carrier22,23, habang ang metallic Ag-paste ay may mga katangian ng isang materyal na n-type. Katulad ng mga pn junction, ang diffusion ng mga electron sa silver paste at mga butas sa YBCO ceramic ay bubuo ng isang internal electrical field na nakaturo sa YBCO ceramic sa interface (Fig. 1h). Ang internal field na ito ang nagbibigay ng puwersa ng paghihiwalay at humahantong sa isang positibong Voc at negatibong Isc para sa YBCO-Ag paste system sa temperatura ng silid, tulad ng ipinapakita sa Fig. 1e. Bilang kahalili, ang Ag-YBCO ay maaaring bumuo ng isang p-type Schottky junction na humahantong din sa isang interface potential na may parehong polarity tulad ng sa modelong ipinakita sa itaas24.

Upang siyasatin ang detalyadong proseso ng ebolusyon ng mga katangiang photovoltaic sa panahon ng superconducting transition ng YBCO, ang mga IV curve ng sample sa 80 K ay sinukat gamit ang mga piling laser intensity na nag-iilaw sa cathode electrode (Fig. 2). Kung walang laser irradiation, ang boltahe sa sample ay nananatiling zero anuman ang current, na nagpapahiwatig ng superconducting state ng sample sa 80 K (Fig. 2a). Katulad ng datos na nakuha sa 50 K, ang mga IV curve na parallel sa I-axis ay gumagalaw pababa kasabay ng pagtaas ng laser intensity hanggang sa maabot ang isang kritikal na halaga na Pc. Sa itaas ng kritikal na laser intensity (Pc) na ito, ang superconductor ay sumasailalim sa isang transisyon mula sa isang superconducting phase patungo sa isang resistive phase; ang boltahe ay nagsisimulang tumaas kasabay ng current dahil sa paglitaw ng resistance sa superconductor. Bilang resulta, ang IV curve ay nagsisimulang mag-intersect sa I-axis at V-axis na humahantong sa isang negatibong Voc at isang positibong Isc sa una. Ngayon ang sample ay tila nasa isang espesyal na estado kung saan ang polarity ng Voc at Isc ay lubhang sensitibo sa intensity ng liwanag; na may napakaliit na pagtaas sa tindi ng liwanag, ang Isc ay kino-convert mula positibo patungong negatibo at ang Voc mula negatibo patungong positibo, na dumadaan sa pinagmulan (ang mataas na sensitivity ng mga photovoltaic properties, lalo na ang halaga ng Isc, sa liwanag ay mas malinaw na makikita sa Fig. 2b). Sa pinakamataas na tindi ng laser na magagamit, ang mga IV curve ay naglalayong maging parallel sa isa't isa, na nagpapahiwatig ng normal na estado ng sample ng YBCO.

Ang sentro ng laser spot ay nakaposisyon sa paligid ng mga cathode electrode (tingnan ang Fig. 1i). a, IV curves ng YBCO na sinailaw ng iba't ibang intensidad ng laser. b (itaas), Pagdepende ng intensidad ng laser sa boltahe ng open circuit na Voc at kasalukuyang short circuit na Isc. Ang mga halaga ng Isc ay hindi makukuha sa mababang intensidad ng liwanag (< 110 mW/cm2) dahil ang mga IV curve ay parallel sa I-axis kapag ang sample ay nasa superconducting state. b (ibaba), differential resistance bilang function ng intensidad ng laser.

Ang dependence ng Voc at Isc sa laser intensity sa 80 K ay ipinapakita sa Fig. 2b (itaas). Ang mga katangian ng photovoltaic ay maaaring talakayin sa tatlong rehiyon ng intensity ng liwanag. Ang unang rehiyon ay nasa pagitan ng 0 at Pc, kung saan ang YBCO ay superconducting, ang Voc ay negatibo at bumababa (tumataas ang absolute value) kasabay ng intensity ng liwanag at umaabot sa minimum sa Pc. Ang pangalawang rehiyon ay mula sa Pc patungo sa isa pang critical intensity na P0, kung saan ang Voc ay tumataas habang ang Isc ay bumababa kasabay ng pagtaas ng intensity ng liwanag at parehong umaabot sa zero sa P0. Ang ikatlong rehiyon ay nasa itaas ng P0 hanggang sa maabot ang normal na estado ng YBCO. Bagama't parehong nag-iiba ang Voc at Isc kasabay ng intensity ng liwanag sa parehong paraan tulad ng sa rehiyon 2, mayroon silang magkasalungat na polarity na mas mataas sa critical intensity na P0. Ang kahalagahan ng P0 ay nakasalalay sa kawalan ng photovoltaic effect at ang mekanismo ng paghihiwalay ng charge ay nagbabago nang qualitatively sa partikular na puntong ito. Ang sample ng YBCO ay nagiging non-superconducting sa saklaw na ito ng intensity ng liwanag ngunit ang normal na estado ay hindi pa naaabot.

Maliwanag, ang mga katangiang photovoltaic ng sistema ay malapit na nauugnay sa superconductivity ng YBCO at sa superconducting transition nito. Ang differential resistance, dV/dI, ng YBCO ay ipinapakita sa Fig. 2b (ibaba) bilang isang function ng intensity ng laser. Gaya ng nabanggit kanina, ang built-in na electric potential sa interface dahil sa mga diffusion point ng Cooper pair mula sa superconductor patungo sa metal. Katulad ng naobserbahan sa 50 K, ang photovoltaic effect ay pinahuhusay sa pagtaas ng intensity ng laser mula 0 hanggang Pc. Kapag ang intensity ng laser ay umabot sa isang halaga na bahagyang mas mataas sa Pc, ang IV curve ay nagsisimulang tumagilid at ang resistensya ng sample ay nagsisimulang lumitaw, ngunit ang polarity ng interface potential ay hindi pa nagbabago. Ang epekto ng optical excitation sa superconductivity ay sinisiyasat na sa visible o near-IR region. Bagama't ang pangunahing proseso ay ang pagsira sa mga Cooper pair at pagsira sa superconductivity25,26, sa ilang mga kaso ay maaaring mapahusay ang superconductivity transition27,28,29, ang mga bagong yugto ng superconductivity ay maaari pang ma-induce30. Ang kawalan ng superconductivity sa Pc ay maaaring maiugnay sa pagkabasag ng photo-induced pair. Sa puntong P0, ang potensyal sa interface ay nagiging zero, na nagpapahiwatig na ang charge density sa magkabilang panig ng interface ay umaabot sa parehong antas sa ilalim ng partikular na intensity ng liwanag na ito. Ang karagdagang pagtaas sa intensity ng laser ay nagreresulta sa mas maraming Cooper pairs na nasisira at ang YBCO ay unti-unting binabago pabalik sa isang p-type na materyal. Sa halip na electron at Cooper pair diffusion, ang katangian ng interface ay natutukoy na ngayon ng electron at hole diffusion na humahantong sa isang polarity reversal ng electrical field sa interface at dahil dito ay isang positibong Voc (ihambing ang Fig.1d,h). Sa napakataas na intensity ng laser, ang differential resistance ng YBCO ay natutuyo sa isang halaga na naaayon sa normal na estado at parehong Voc at Isc ay may posibilidad na mag-iba nang linear sa intensity ng laser (Fig. 2b). Ipinapakita ng obserbasyong ito na ang laser irradiation sa normal na estado ng YBCO ay hindi na magbabago sa resistivity nito at sa katangian ng superconductor-metal interface ngunit pinapataas lamang ang konsentrasyon ng mga electron-hole pairs.

Upang siyasatin ang epekto ng temperatura sa mga katangiang photovoltaic, ang sistemang metal-superconductor ay ini-irradiate sa cathode gamit ang asul na laser na may intensidad na 502 mW/cm2. Ang mga IV curve na nakuha sa mga piling temperatura sa pagitan ng 50 at 300 K ay ibinigay sa Fig. 3a. Ang open circuit voltage na Voc, short circuit current na Isc at ang differential resistance ay maaaring makuha mula sa mga IV curve na ito at ipinapakita sa Fig. 3b. Kung walang liwanag na illumination, lahat ng IV curve na nasukat sa iba't ibang temperatura ay lumalagpas sa origin gaya ng inaasahan (inset ng Fig. 3a). Ang mga katangian ng IV ay lubhang nagbabago sa pagtaas ng temperatura kapag ang sistema ay naiilawan ng isang medyo malakas na laser beam (502 mW/cm2). Sa mababang temperatura, ang mga IV curve ay mga tuwid na linya na parallel sa I-axis na may mga negatibong halaga ng Voc. Ang curve na ito ay gumagalaw pataas sa pagtaas ng temperatura at unti-unting nagiging isang linya na may nonzero slope sa isang kritikal na temperatura na Tcp (Fig. 3a (itaas)). Tila ang lahat ng IV characteristic curve ay umiikot sa paligid ng isang punto sa ikatlong quadrant. Ang Voc ay tumataas mula sa negatibong halaga patungo sa positibo habang ang Isc ay bumababa mula sa positibo patungo sa negatibong halaga. Sa itaas ng orihinal na temperatura ng paglipat ng superconducting na Tc ng YBCO, ang kurba ng IV ay nagbabago nang medyo naiiba kasabay ng temperatura (ibaba ng Fig. 3a). Una, ang sentro ng pag-ikot ng mga kurba ng IV ay gumagalaw patungo sa unang kuwadrante. Pangalawa, ang Voc ay patuloy na bumababa at ang Isc ay tumataas kasabay ng pagtaas ng temperatura (itaas ng Fig. 3b). Pangatlo, ang slope ng mga kurba ng IV ay linear na tumataas kasabay ng temperatura na nagreresulta sa isang positibong koepisyent ng resistensya ng temperatura para sa YBCO (ibaba ng Fig. 3b).

Pagdepende sa temperatura ng mga katangiang photovoltaic para sa sistemang YBCO-Ag paste sa ilalim ng 502 mW/cm2 na pag-iilaw ng laser.

Ang sentro ng laser spot ay nakaposisyon sa paligid ng mga cathode electrode (tingnan ang Fig. 1i). a, mga IV curve na nakuha mula 50 hanggang 90 K (itaas) at mula 100 hanggang 300 K (ibaba) na may pagtaas ng temperatura na 5 K at 20 K, ayon sa pagkakabanggit. Ang inset a ay nagpapakita ng mga katangian ng IV sa ilang temperatura sa dilim. Ang lahat ng mga curve ay tumatawid sa origin point. b, open circuit voltage na Voc at short circuit current na Isc (itaas) at ang differential resistance, dV/dI, ng YBCO (ibaba) bilang isang function ng temperatura. Ang zero resistance superconducting transition temperature na Tcp ay hindi ibinigay dahil ito ay masyadong malapit sa Tc0.

Tatlong kritikal na temperatura ang makikilala mula sa Fig. 3b: Tcp, kung saan ang YBCO ay nagiging non-superconducting; Tc0, kung saan ang Voc at Isc ay parehong nagiging zero at Tc, ang orihinal na onset superconducting transition temperature ng YBCO nang walang laser irradiation. Sa ibaba ng Tcp ~ 55 K, ang laser irradiated YBCO ay nasa superconducting state na may medyo mataas na konsentrasyon ng mga Cooper pair. Ang epekto ng laser irradiation ay ang pagbawas ng zero resistance superconducting transition temperature mula 89 K hanggang ~55 K (ibaba ng Fig. 3b) sa pamamagitan ng pagbabawas ng konsentrasyon ng Cooper pair bilang karagdagan sa paggawa ng photovoltaic voltage at current. Ang pagtaas ng temperatura ay sumisira rin sa mga Cooper pair na humahantong sa mas mababang potential sa interface. Dahil dito, ang absolute value ng Voc ay magiging mas maliit, bagama't ang parehong intensity ng laser illumination ay inilalapat. Ang interface potential ay magiging mas maliit nang mas maliit sa karagdagang pagtaas ng temperatura at aabot sa zero sa Tc0. Walang photovoltaic effect sa espesyal na puntong ito dahil walang internal field na maghihiwalay sa mga photo-induced electron-hole pair. Ang polarity reversal ng potential ay nangyayari sa itaas ng kritikal na temperaturang ito dahil ang free charge density sa Ag paste ay mas malaki kaysa sa YBCO na unti-unting inililipat pabalik sa isang p-type na materyal. Dito nais naming bigyang-diin na ang polarity reversal ng Voc at Isc ay nangyayari kaagad pagkatapos ng zero resistance superconducting transition, anuman ang sanhi ng transition. Ang obserbasyong ito ay malinaw na nagpapakita, sa unang pagkakataon, ng ugnayan sa pagitan ng superconductivity at ng mga photovoltaic effect na nauugnay sa metal-superconductor interface potential. Ang katangian ng potential na ito sa superconductor-normal metal interface ay naging pokus ng pananaliksik sa nakalipas na ilang dekada ngunit maraming tanong pa rin ang naghihintay na masagot. Ang pagsukat ng photovoltaic effect ay maaaring maging isang epektibong paraan para sa paggalugad ng mga detalye (tulad ng lakas at polarity nito atbp.) ng mahalagang potensyal na ito at sa gayon ay nagbibigay-liwanag sa high temperature superconducting proximity effect.

Ang karagdagang pagtaas ng temperatura mula Tc0 patungong Tc ay humahantong sa mas maliit na konsentrasyon ng mga pares ng Cooper at pagpapahusay sa potensyal ng interface at dahil dito ay mas malaking Voc. Sa Tc, ang konsentrasyon ng pares ng Cooper ay nagiging zero at ang build-in potential sa interface ay umaabot sa pinakamataas, na nagreresulta sa pinakamataas na Voc at pinakamababang Isc. Ang mabilis na pagtaas ng Voc at Isc (absolute value) sa saklaw ng temperaturang ito ay tumutugma sa superconducting transition na pinalalawak mula ΔT ~ 3 K hanggang ~ 34 K sa pamamagitan ng laser irradiation na may intensity na 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Sa mga normal na estado sa itaas ng Tc, ang open circuit voltage na Voc ay bumababa kasabay ng temperatura (tuktok ng Fig. 3b), katulad ng linear na pag-uugali ng Voc para sa mga normal na solar cell batay sa mga pn junction31,32,33. Bagama't ang change rate ng Voc kasabay ng temperatura (−dVoc/dT), na lubos na nakadepende sa intensity ng laser, ay mas maliit kaysa sa mga normal na solar cell, ang temperature coefficient ng Voc para sa YBCO-Ag junction ay may parehong order of magnitude gaya ng sa mga solar cell. Ang leakage current ng isang pn junction para sa isang normal na solar cell device ay tumataas kasabay ng pagtaas ng temperatura, na humahantong sa pagbaba ng Voc habang tumataas ang temperatura. Ang mga linear IV curve na naobserbahan para sa Ag-superconductor system na ito, una dahil sa napakaliit na interface potential at pangalawa ang back-to-back na koneksyon ng dalawang heterojunction, ay nagpapahirap matukoy ang leakage current. Gayunpaman, malamang na ang parehong temperature dependence ng leakage current ang responsable para sa Voc behavior na naobserbahan sa aming eksperimento. Ayon sa depinisyon, ang Isc ay ang current na kailangan upang makagawa ng negatibong boltahe upang mabawi ang Voc upang ang kabuuang boltahe ay maging zero. Habang tumataas ang temperatura, ang Voc ay nagiging mas maliit kaya mas kaunting current ang kailangan upang makagawa ng negatibong boltahe. Bukod pa rito, ang resistance ng YBCO ay linear na tumataas kasabay ng temperatura na higit sa Tc (ibaba ng Fig. 3b), na nakakatulong din sa mas maliit na absolute value ng Isc sa mataas na temperatura.

Pansinin na ang mga resultang ibinigay sa Mga Larawan 2,3 ay nakuha sa pamamagitan ng pag-iilaw ng laser sa lugar sa paligid ng mga electrode ng cathode. Ang mga pagsukat ay inulit din gamit ang laser spot na nakaposisyon sa anode at ang mga katulad na katangian ng IV at mga katangian ng photovoltaic ay naobserbahan maliban na ang polarity ng Voc at Isc ay nabaligtad sa kasong ito. Ang lahat ng datos na ito ay humahantong sa isang mekanismo para sa photovoltaic effect, na malapit na nauugnay sa interface ng superconductor-metal.

Sa buod, ang mga katangiang IV ng laser irradiated superconducting YBCO-Ag paste system ay nasukat bilang mga function ng temperatura at intensity ng laser. Kapansin-pansing photovoltaic effect ang naobserbahan sa hanay ng temperatura mula 50 hanggang 300 K. Natuklasan na ang mga katangiang photovoltaic ay may malakas na kaugnayan sa superconductivity ng YBCO ceramics. Ang polarity reversal ng Voc at Isc ay nangyayari kaagad pagkatapos ng photo-induced superconducting to non-superconducting transition. Ang temperature dependence ng Voc at Isc na sinusukat sa fixed laser intensity ay nagpapakita rin ng natatanging polarity reversal sa isang kritikal na temperatura kung saan ang sample ay nagiging resistive. Sa pamamagitan ng paglalagay ng laser spot sa iba't ibang bahagi ng sample, ipinapakita namin na mayroong electrical potential sa buong interface, na nagbibigay ng separation force para sa photo-induced electron-hole pairs. Ang interface potential na ito ay dumidirekta mula sa YBCO patungo sa metal electrode kapag ang YBCO ay superconducting at lumilipat sa kabaligtaran na direksyon kapag ang sample ay naging non-superconducting. Ang pinagmulan ng potensyal ay maaaring natural na nauugnay sa proximity effect sa metal-superconductor interface kapag ang YBCO ay superconducting at tinatayang nasa ~10−8 mV sa 50 K na may laser intensity na 502 mW/cm2. Ang pagdikit ng isang p-type na materyal na YBCO sa normal na estado sa isang n-type na materyal na Ag-paste ay bumubuo ng isang quasi-pn junction na responsable para sa photovoltaic behavior ng mga YBCO ceramics sa mataas na temperatura. Ang mga obserbasyon sa itaas ay nagbibigay-liwanag sa PV effect sa mga high temperature superconducting YBCO ceramics at nagbubukas ng daan para sa mga bagong aplikasyon sa mga optoelectronic device tulad ng fast passive light detector at single photon detector.

Ang mga eksperimento sa photovoltaic effect ay isinagawa sa isang YBCO ceramic sample na may kapal na 0.52 mm at hugis-parihaba na 8.64 × 2.26 mm2 at inilawan ng continuous wave blue-laser (λ = 450 nm) na may laki ng laser spot na 1.25 mm ang radius. Ang paggamit ng bulk sa halip na thin film sample ay nagbibigay-daan sa amin na pag-aralan ang mga photovoltaic properties ng superconductor nang hindi kinakailangang harapin ang kumplikadong impluwensya ng substrate6,7. Bukod dito, ang bulk material ay maaaring maging angkop para sa simpleng pamamaraan ng paghahanda nito at medyo mababa ang gastos. Ang mga copper lead wire ay pinagdugtong sa YBCO sample na may silver paste na bumubuo ng apat na pabilog na electrodes na may diyametro na 1 mm. Ang distansya sa pagitan ng dalawang voltage electrodes ay humigit-kumulang 5 mm. Ang mga IV characteristics ng sample ay sinukat gamit ang vibration sample magnetometer (VersaLab, Quantum Design) na may quartz crystal window. Ginamit ang standard four-wire method upang makuha ang mga IV curve. Ang mga relatibong posisyon ng mga electrodes at ng laser spot ay ipinapakita sa Fig. 1i.

Paano banggitin ang artikulong ito: Yang, F. et al. Pinagmulan ng photovoltaic effect sa superconducting YBa2Cu3O6.96 ceramics. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG at Testardi, LR Mga boltaheng dulot ng laser na ipinagbabawal ng simetriya sa YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Pinagmulan ng maanomalyang photovoltaic signal sa Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pagsukat ng mga boltaheng dulot ng laser ng superconducting na Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Mga pansamantalang boltahe na dulot ng laser sa mga pelikulang nasa temperatura ng silid ng YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Hindi pangkaraniwang tugon ng photovoltaic sa YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Iniksyon ng photogenerated hole carrier sa YBa2Cu3O7−x sa isang oxide heterostructure. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Pag-aaral sa photoemission ng mga manipis na pelikulang YBa2Cu3Oy sa ilalim ng liwanag na naliliwanagan. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Epektong photovoltaic ng YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction na pinainit sa iba't ibang presyon ng bahagyang oksiheno. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Istrukturang Two-Gap sa mga kristal na Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika ng pagpapahinga ng Quasiparticle sa mga superconductor na may iba't ibang istruktura ng puwang: Teorya at mga eksperimento sa YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Mga katangiang nagwawasto ng YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL at Tanner, DB Excitonic absorption at superconductivity sa YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Pansamantalang photoinduced conductivity sa mga semiconducting single crystals ng YBa2Cu3O6.3: paghahanap para sa photoinduced metallic state at para sa photoinduced superconductivity. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Modelo ng Tunneling ng superconducting proximity effect. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Epekto ng kalapitan ng superkonduktor na sinuri sa isang mesoscopic length scale. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Epekto ng kalapitan gamit ang mga nonsentrosimetrikong superkonduktor. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Malakas na epekto ng kalapitan ng superconducting sa mga istrukturang hybrid ng Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS at Pearson, GL Isang bagong silicon pn junction photocell para sa pag-convert ng solar radiation sa kuryente. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Mga epekto ng karumihan sa haba ng superconducting coherence sa mga single crystal na YBa2Cu3O6.9 na may Zn- o Ni-doped. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistance ng mga single crystal na hindi magkambal na YBa2Cu3Oy sa malawak na hanay ng doping: anomalous hole-doping dependence ng coherence length. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD at Cooper, JR Sistematika sa thermoelectric power ng mga high-T, oxide. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Pagbabago ng momentum na nakadepende sa densidad ng carrier ng coherent peak at ang LO phonon mode sa mga p-type high-Tc superconductor. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Pagbawas ng butas at akumulasyon ng elektron sa mga manipis na pelikulang YBa2Cu3Oy gamit ang isang pamamaraang elektrokemikal: Katibayan para sa isang n-type na estadong metaliko. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Ang pisika at kemistri ng taas ng Schottky barrier. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Mga Epekto ng Pagputol ng Dynamic External Pair sa mga Superconducting Film. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Pagpapahusay ng superconductivity na dulot ng photoinduced. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Patuloy na photoconductivity sa mga pelikulang YBa2Cu3O6+x bilang isang paraan ng photodoping patungo sa mga metallic at superconducting phase. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Nonlinear lattice dynamics bilang batayan para sa pinahusay na superconductivity sa YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Superconductivity na dulot ng liwanag sa isang stripe-ordered cuprate. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK at Al-Nuaim, IA Ang pagdepende sa temperatura ng VOC para sa isang solar cell kaugnay ng kahusayan nito, bagong pamamaraan. Desalination 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM at Anderson, WA Mga epekto ng temperatura sa mga solar cell na Schottky-barrier silicon. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Pagdepende sa temperatura para sa mga parameter ng photovoltaic device ng mga polymer-fullerene solar cell sa ilalim ng mga kondisyon ng pagpapatakbo. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Ang gawaing ito ay sinuportahan ng National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60571063), ang Fundamental Research Projects of Henan Province, China (Grant No. 122300410231).

Si FY ang sumulat ng teksto ng papel at si MYH ang naghanda ng YBCO ceramic sample. Isinagawa nina FY at MYH ang eksperimento at sinuri ang mga resulta. Pinangunahan ng FGC ang proyekto at ang siyentipikong interpretasyon ng datos. Sinuri ng lahat ng may-akda ang manuskrito.

Ang akdang ito ay lisensyado sa ilalim ng Creative Commons Attribution 4.0 International License. Ang mga larawan o iba pang materyal ng ikatlong partido sa artikulong ito ay kasama sa lisensya ng Creative Commons ng artikulo, maliban kung iba ang nakasaad sa credit line; kung ang materyal ay hindi kasama sa ilalim ng lisensya ng Creative Commons, kakailanganin ng mga gumagamit na kumuha ng pahintulot mula sa may-ari ng lisensya upang kopyahin ang materyal. Upang tingnan ang isang kopya ng lisensyang ito, bisitahin ang http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Pinagmulan ng photovoltaic effect sa superconducting YBa2Cu3O6.96 ceramics. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Sa pamamagitan ng pagsusumite ng komento, sumasang-ayon kang sumunod sa aming Mga Tuntunin at Mga Alituntunin ng Komunidad. Kung may makita kang mapang-abuso o hindi sumusunod sa aming mga tuntunin o alituntunin, mangyaring markahan ito bilang hindi naaangkop.