nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz CSS uchun cheklangan qo'llab-quvvatlashga ega brauzer versiyasidan foydalanmoqdasiz. Eng yaxshi tajribaga ega bo'lish uchun sizga yanada zamonaviy brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Shu bilan birga, uzluksiz qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublar va JavaScriptsiz namoyish etmoqdamiz.
Biz YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasida 50 va 300 K oralig'ida ko'k lazerli yoritish natijasida hosil bo'lgan ajoyib fotovoltaik effekt haqida xabar beramiz, bu YBCO va YBCO-metall elektrod interfeysining o'ta o'tkazuvchanligi bilan bevosita bog'liq. YBCO o'ta o'tkazuvchanlikdan qarshilik holatiga o'tganda, ochiq elektron kuchlanishi Voc va qisqa tutashuv toki Isc uchun qutblanishning teskari o'zgarishi mavjud. Biz o'ta o'tkazgich-normal metall interfeysida elektr potensiali mavjudligini ko'rsatamiz, bu fotoinduktsiyalangan elektron-teshik juftlari uchun ajratish kuchini ta'minlaydi. Ushbu interfeys potensiali YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda YBCO dan metall elektrodga yo'naltiriladi va YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lmaganda teskari yo'nalishga o'tadi. Potensialning kelib chiqishi YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda metall-o'ta o'tkazgich interfeysidagi yaqinlik effekti bilan osongina bog'liq bo'lishi mumkin va uning qiymati 502 mV/sm2 lazer intensivligi bilan 50 K da ~10–8 mV deb baholanadi. Oddiy holatdagi p-turdagi YBCO materialining n-turdagi Ag-pasta materiali bilan kombinatsiyasi kvazi-pn birikmasini hosil qiladi, bu esa yuqori haroratlarda YBCO keramikasining fotovoltaik xatti-harakatlari uchun javobgardir. Bizning topilmalarimiz foton-elektron qurilmalarning yangi qo'llanilishiga yo'l ochishi va o'ta o'tkazgich-metall interfeysidagi yaqinlik effektiga qo'shimcha yorug'lik keltirishi mumkin.
Yuqori haroratli supero'tkazgichlarda fotoinduktsiyalangan kuchlanish 1990-yillarning boshlarida qayd etilgan va o'shandan beri keng qamrovli o'rganilgan, ammo uning tabiati va mexanizmi hali ham aniqlanmagan1,2,3,4,5. Xususan, YBa2Cu3O7-δ (YBCO) yupqa plyonkalari6,7,8, sozlanishi mumkin bo'lgan energiya oralig'i tufayli fotovoltaik (PV) element shaklida intensiv ravishda o'rganiladi9,10,11,12,13. Biroq, substratning yuqori qarshiligi har doim qurilmaning past konversiya samaradorligiga olib keladi va YBCO8 ning birlamchi PV xususiyatlarini yashiradi. Bu yerda biz 50 va 300 K (Tc ~ 90 K) oralig'idagi YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasida ko'k lazer (λ = 450 nm) yorug'ligi natijasida yuzaga keladigan ajoyib fotovoltaik effekt haqida xabar beramiz. Biz PV effekti YBCO ning supero'tkazuvchanligi va YBCO-metall elektrod interfeysining tabiati bilan bevosita bog'liqligini ko'rsatamiz. YBCO o'ta o'tkazuvchan fazadan qarshilik holatiga o'tganda, ochiq kontaktlarning kuchlanishi Voc va qisqa tutashuv toki Isc uchun qutblanish teskarisi mavjud. Fotoinduktsiyalangan elektron-teshik juftliklari uchun ajratish kuchini ta'minlaydigan o'ta o'tkazgich-normal metall interfeysida elektr potensiali mavjud deb taxmin qilinadi. Ushbu interfeys potensiali YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda YBCO dan metall elektrodga yo'naltiriladi va namuna o'ta o'tkazuvchan bo'lmaganda teskari yo'nalishga o'tadi. Potensialning kelib chiqishi tabiiy ravishda YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda metall-o'ta o'tkazgich interfeysida yaqinlik effekti bilan bog'liq bo'lishi mumkin14,15,16,17 va uning qiymati 502 mV/sm2 lazer intensivligi bilan 50 K da ~10−8 mV deb baholanadi. Oddiy holatdagi p-tipli YBCO materialining n-tipli Ag-pasta materiali bilan kombinatsiyasi, ehtimol, yuqori haroratlarda YBCO keramikasining PV xatti-harakati uchun mas'ul bo'lgan kvazi-pn birikmasini hosil qiladi. Bizning kuzatishlarimiz yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchan YBCO keramikasida PV effektining kelib chiqishiga qo'shimcha yorug'lik beradi va uni tez passiv yorug'lik detektori kabi optoelektron qurilmalarda qo'llash uchun yo'l ochadi.
1a–c-rasmda YBCO keramika namunasining 50 K da IV xususiyatlari ko'rsatilgan. Yorug'lik yoritilmaganda, namunadagi kuchlanish o'zgaruvchan tok bilan nolda qoladi, bu o'ta o'tkazuvchan materialdan kutilganidek. Lazer nuri katodga yo'naltirilganda aniq fotovoltaik effekt paydo bo'ladi (1a-rasm): I o'qiga parallel IV egri chiziqlari lazer intensivligining ortishi bilan pastga siljiydi. Hech qanday toksiz ham (ko'pincha ochiq zanjir kuchlanishi Voc deb ataladi) manfiy fotoinduktsiyalangan kuchlanish mavjudligi aniq. IV egri chizig'ining nol qiyaligi lazer yoritilishi ostida namunaning hali ham o'ta o'tkazuvchan ekanligini ko'rsatadi.
(a–c) va 300 K (e–g). V(I) qiymatlari vakuumda −10 mA dan +10 mA gacha bo'lgan tokni siljitish orqali olingan. Aniqlik uchun eksperimental ma'lumotlarning faqat bir qismi keltirilgan. a, Katodda (i) joylashgan lazer nuqtasi bilan o'lchangan YBCO ning tok-kuchlanish xususiyatlari. Barcha IV egri chiziqlari lazer nurlanishi bilan namunaning hali ham o'ta o'tkazuvchan ekanligini ko'rsatuvchi gorizontal to'g'ri chiziqlardir. Egri chiziq lazer intensivligining ortishi bilan pastga siljiydi, bu esa nol tok bilan ham ikkita kuchlanish simlari o'rtasida manfiy potensial (Voc) mavjudligini ko'rsatadi. Lazer namunaning markaziga 50 K (b) yoki 300 K (f) efirda yo'naltirilganda IV egri chiziqlari o'zgarishsiz qoladi. Anod yoritilganda gorizontal chiziq yuqoriga siljiydi (c). 50 K da metall-o'ta o'tkazgich birikmasining sxematik modeli d da ko'rsatilgan. Katod va anodga yo'naltirilgan lazer nuri bilan o'lchangan 300 K da normal holatdagi YBCO ning tok-kuchlanish xususiyatlari mos ravishda e va g da berilgan. 50 K da olingan natijalardan farqli o'laroq, to'g'ri chiziqlarning nolga teng bo'lmagan qiyaligi YBCO normal holatda ekanligini ko'rsatadi; Voc qiymatlari yorug'lik intensivligi bilan teskari yo'nalishda o'zgaradi, bu esa boshqa zaryad ajratish mexanizmini ko'rsatadi. 300 K da mumkin bo'lgan interfeys tuzilishi hj da tasvirlangan. Simlar bilan namunaning haqiqiy tasviri.
Supero'tkazuvchan holatda kislorodga boy YBCO juda kichik energiya oralig'i (Eg)9,10 tufayli deyarli barcha quyosh nurlarini yutib yuborishi mumkin va shu bilan elektron-teshik juftliklarini (e–h) hosil qiladi. Fotonlarni yutish orqali ochiq zanjir kuchlanishini hosil qilish uchun rekombinatsiya sodir bo'lishidan oldin fotogeneratsiyalangan eh juftliklarini fazoviy ajratish kerak18. 1i-rasmda ko'rsatilgandek, katod va anodga nisbatan manfiy Voc metall-o'ta o'tkazgich interfeysida elektr potensiali mavjudligini ko'rsatadi, bu elektronlarni anodga va teshiklarni katodga suradi. Agar shunday bo'lsa, supero'tkazgichdan anoddagi metall elektrodga yo'naltirilgan potensial ham bo'lishi kerak. Natijada, anod yaqinidagi namunaviy maydon yoritilsa, musbat Voc olinadi. Bundan tashqari, lazer nuqtasi elektrodlardan uzoqda joylashgan joylarga yo'naltirilganda fotoinduktsiyalangan kuchlanishlar bo'lmasligi kerak. 1b,c-rasmlardan ko'rinib turibdiki, bu, albatta, shunday.
Yorug'lik nuqtasi katod elektrodidan namunaning markaziga (interfeyslardan taxminan 1,25 mm masofada) siljiganida, lazer intensivligi mavjud maksimal qiymatga oshganda IV egri chiziqlarining o'zgarishi va Voc kuzatilmaydi (1b-rasm). Tabiiyki, bu natija fotoinduktsiyalangan tashuvchilarning cheklangan ishlash muddati va namunada ajratish kuchining yo'qligi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Namuna yoritilganda elektron-teshik juftliklari yaratilishi mumkin, ammo lazer nuqtasi elektrodlarning birortasidan uzoqda joylashgan joylarga tushsa, e-h juftliklarining aksariyati yo'q qilinadi va fotovoltaik effekt kuzatilmaydi. Lazer nuqtasini anod elektrodlariga siljitganda, I o'qiga parallel IV egri chiziqlari lazer intensivligining oshishi bilan yuqoriga siljiydi (1c-rasm). Anoddagi metall-o'ta o'tkazgich birikmasida shunga o'xshash o'rnatilgan elektr maydoni mavjud. Biroq, bu safar metall elektrod sinov tizimining musbat simiga ulanadi. Lazer tomonidan hosil bo'lgan teshiklar anod simiga suriladi va shunday qilib musbat Voc kuzatiladi. Bu yerda keltirilgan natijalar supero'tkazgichdan metall elektrodga yo'naltirilgan interfeys potensiali mavjudligiga kuchli dalillarni taqdim etadi.
YBa2Cu3O6.96 keramikasida 300 K da fotovoltaik effekt 1e–g-rasmda ko'rsatilgan. Yorug'lik yoritilmaganda, namunaning IV egri chizig'i boshlang'ich nuqtani kesib o'tuvchi to'g'ri chiziqdir. Bu to'g'ri chiziq katod simlarida lazer nurlanishining intensivligi ortishi bilan asl chiziqqa parallel ravishda yuqoriga siljiydi (1e-rasm). Fotovoltaik qurilma uchun ikkita cheklovchi holat mavjud. Qisqa tutashuv holati V = 0 bo'lganda yuzaga keladi. Bu holda tok qisqa tutashuv toki (Isc) deb ataladi. Ikkinchi cheklovchi holat - bu R→∞ yoki tok nolga teng bo'lganda yuzaga keladigan ochiq tutashuv holati (Voc). 1e-rasmda Voc musbat ekanligi va 50 K da olingan natijadan farqli o'laroq, yorug'lik intensivligi ortishi bilan ortishi aniq ko'rsatilgan; manfiy Isc esa yorug'lik yoritilishi bilan kattalashishi kuzatiladi, bu normal quyosh batareyalarining odatiy xususiyati.
Xuddi shunday, lazer nuri elektrodlardan uzoqda joylashgan joylarga yo'naltirilganda, V(I) egri chizig'i lazer intensivligidan mustaqil bo'ladi va fotovoltaik effekt paydo bo'lmaydi (1f-rasm). 50 K da o'lchovga o'xshash, anod elektrodi nurlantirilganda IV egri chiziqlari teskari yo'nalishga siljiydi (1g-rasm). Namunaning turli pozitsiyalarida lazer nurlantirilgan holda 300 K da ushbu YBCO-Ag pasta tizimi uchun olingan barcha natijalar 50 K da kuzatilganiga qarama-qarshi bo'lgan interfeys potensialiga mos keladi.
Supero'tkazuvchi YBCO ning o'tish harorati Tc dan past bo'lgan Cooper juftliklarida elektronlarning aksariyati kondensatsiyalanadi. Metall elektrodda bo'lganida, barcha elektronlar yakka shaklda qoladi. Metall-o'ta o'tkazgich interfeysi yaqinida ham yakka elektronlar, ham Cooper juftliklari uchun katta zichlik gradiyenti mavjud. Metall materialdagi ko'pchilik tashuvchi yakka elektronlar supero'tkazgich sohasiga tarqaladi, YBCO sohasidagi ko'pchilik tashuvchi Cooper juftliklari esa metall sohasiga tarqaladi. YBCO dan metall sohasiga yakka elektronlarga qaraganda ko'proq zaryadlarni tashuvchi va katta harakatchanlikka ega bo'lgan Cooper juftliklari orqada qoladi, natijada fazoviy zaryad sohasida elektr maydoni paydo bo'ladi. Ushbu elektr maydonining yo'nalishi 1d-rasm sxematik diagrammasida ko'rsatilgan. Fazoviy zaryad sohasi yaqinidagi tushgan foton yorug'ligi eh juftliklarini yaratishi mumkin, ular ajralib chiqadi va teskari yo'nalishda fototok hosil qiladi. Elektronlar o'rnatilgan elektr maydonidan chiqishi bilan ular juftlarga kondensatsiyalanadi va qarshiliksiz boshqa elektrodga oqib o'tadi. Bu holda, Voc oldindan o'rnatilgan qutblanishga qarama-qarshi bo'ladi va lazer nuri manfiy elektrod atrofidagi maydonga yo'naltirilganda manfiy qiymatni ko'rsatadi. Voc qiymatidan interfeysdagi potensialni taxmin qilish mumkin: ikkita kuchlanish simlari orasidagi masofa d ~5 × 10−3 m ni tashkil qiladi, metall-o'ta o'tkazgich interfeysining qalinligi, di, YBCO o'ta o'tkazgichining kogerentlik uzunligi (~1 nm)19,20 bilan bir xil kattalik tartibida bo'lishi kerak, Voc qiymatini = 0,03 mV deb oling, metall-o'ta o'tkazgich interfeysidagi potensial Vms 50 K da lazer intensivligi 502 mV/sm2 bo'lgan holda ~10−11 V deb baholanadi, quyidagi tenglama yordamida:
Bu yerda biz fotoinduksiyalangan kuchlanishni fototermal effekt bilan tushuntirib bo'lmasligini ta'kidlamoqchimiz. Eksperimental ravishda YBCO supero'tkazgichining Seebeck koeffitsienti Ss = 021 ekanligi aniqlangan. Mis qo'rg'oshin simlari uchun Seebeck koeffitsienti SCu = 0,34–1,15 μV/K3 oralig'ida. Lazer nuqtasidagi mis simning harorati 50 K da maksimal lazer intensivligi bilan ozgina 0,06 K ga ko'tarilishi mumkin. Bu 1-rasmda (a) olingan Voc dan uch daraja kichik bo'lgan 6,9 × 10−8 V termoelektrik potensialni hosil qilishi mumkin. Termoelektrik effekt eksperimental natijalarni tushuntirish uchun juda kichik ekanligi aniq. Darhaqiqat, lazer nurlanishi tufayli harorat o'zgarishi bir daqiqadan kamroq vaqt ichida yo'qoladi, shuning uchun termal effektning hissasini xavfsiz ravishda e'tiborsiz qoldirish mumkin.
YBCO ning xona haroratidagi bu fotovoltaik effekti bu yerda boshqa zaryad ajratish mexanizmi ishtirok etishini ko'rsatadi. Normal holatdagi o'ta o'tkazuvchan YBCO zaryad tashuvchi sifatida teshiklari bo'lgan p-tipli materialdir22,23, metall Ag-pastasi esa n-tipli materialning xususiyatlariga ega. pn birikmalariga o'xshab, YBCO keramikasidagi kumush pastasida elektronlar va teshiklarning diffuziyasi YBCO keramikasiga yo'naltirilgan ichki elektr maydonini hosil qiladi (1h-rasm). Aynan shu ichki maydon ajratish kuchini ta'minlaydi va 1e-rasmda ko'rsatilganidek, xona haroratida YBCO-Ag pasta tizimi uchun musbat Voc va manfiy Isc ga olib keladi. Shu bilan bir qatorda, Ag-YBCO yuqorida keltirilgan modeldagi kabi bir xil qutblilikka ega interfeys potensialiga olib keladigan p-tipli Shottki birikmasini hosil qilishi mumkin24.
YBCO ning o'ta o'tkazuvchanlik o'tishi paytida fotovoltaik xususiyatlarning batafsil evolyutsiyasi jarayonini o'rganish uchun 80 K da namunaning IV egri chiziqlari katod elektrodida yoritilgan tanlangan lazer intensivligi bilan o'lchandi (2-rasm). Lazer nurlanishisiz, namunadagi kuchlanish tokdan qat'i nazar nol darajasida qoladi, bu 80 K da namunaning o'ta o'tkazuvchanlik holatini ko'rsatadi (2a-rasm). 50 K da olingan ma'lumotlarga o'xshash, I o'qiga parallel IV egri chiziqlari lazer intensivligi ortib borishi bilan Pc kritik qiymatiga erishilgunga qadar pastga siljiydi. Ushbu kritik lazer intensivligidan (Pc) yuqorida, o'ta o'tkazgich o'ta o'tkazuvchan fazadan qarshilik fazasiga o'tishni boshdan kechiradi; o'ta o'tkazgichda qarshilik paydo bo'lishi tufayli kuchlanish tok bilan ortib bora boshlaydi. Natijada, IV egri chizig'i I o'qi va V o'qi bilan kesishishni boshlaydi, bu dastlab manfiy Voc va musbat Isc ga olib keladi. Endi namuna maxsus holatda bo'lib tuyuladi, bunda Voc va Isc qutblari yorug'lik intensivligiga juda sezgir; Yorug'lik intensivligining juda kichik o'sishi bilan Isc musbat qiymatdan manfiy qiymatga va Voc manfiy qiymatdan musbat qiymatga aylanadi va boshlang'ich nuqtadan o'tadi (fotovoltaik xususiyatlarning, xususan, Isc qiymatining yorug'lik yoritilishiga yuqori sezgirligini 2b-rasmda aniqroq ko'rish mumkin). Mavjud eng yuqori lazer intensivligida IV egri chiziqlari bir-biriga parallel bo'lishni maqsad qilgan, bu YBCO namunasining normal holatini bildiradi.
Lazer nuqta markazi katod elektrodlari atrofida joylashgan (1i-rasmga qarang). a, turli lazer intensivliklari bilan nurlantirilgan YBCO ning IV egri chiziqlari. b (tepada), Lazer intensivligining ochiq zanjir kuchlanishi Voc va qisqa tutashuv tokiga bog'liqligi Isc. Namuna o'ta o'tkazuvchan holatda bo'lganida IV egri chiziqlari I o'qiga parallel bo'lgani uchun past yorug'lik intensivligida (<110 mVt/sm2) Isc qiymatlarini olish mumkin emas. b (pastda), lazer intensivligining funksiyasi sifatida differentsial qarshilik.
80 K da Voc va Isc ning lazer intensivligiga bog'liqligi 2b-rasmda (yuqorida) ko'rsatilgan. Fotovoltaik xususiyatlar yorug'lik intensivligining uchta mintaqasida muhokama qilinishi mumkin. Birinchi mintaqa 0 va Pc oralig'ida bo'lib, unda YBCO o'ta o'tkazuvchan, Voc manfiy va yorug'lik intensivligi bilan kamayadi (mutlaq qiymat oshadi) va Pc da minimal darajaga yetadi. Ikkinchi mintaqa Pc dan boshqa kritik intensivlik P0 gacha, unda Voc ortadi, yorug'lik intensivligi oshishi bilan Isc kamayadi va ikkalasi ham P0 da nolga etadi. Uchinchi mintaqa YBCO ning normal holatiga erishilgunga qadar P0 dan yuqori bo'ladi. Voc va Isc ikkalasi ham 2-mintaqadagi kabi yorug'lik intensivligi bilan o'zgarsa-da, ular kritik intensivlik P0 dan yuqori teskari qutblanishga ega. P0 ning ahamiyati shundaki, fotovoltaik effekt yo'q va zaryadni ajratish mexanizmi bu aniq nuqtada sifat jihatidan o'zgaradi. YBCO namunasi yorug'lik intensivligining bu diapazonida o'ta o'tkazuvchan bo'lmaydi, ammo hali normal holatga erishilmagan.
Shubhasiz, tizimning fotovoltaik xususiyatlari YBCO ning o'ta o'tkazuvchanligi va uning o'ta o'tkazuvchanlik o'tishi bilan chambarchas bog'liq. YBCO ning differentsial qarshiligi, dV/dI, 2b-rasmda (pastki qism) lazer intensivligining funktsiyasi sifatida ko'rsatilgan. Avval aytib o'tilganidek, supero'tkazgichdan metallga Kuper juftligi diffuziya nuqtalari tufayli interfeysdagi elektr potensialining o'sishi. 50 K da kuzatilganiga o'xshash, fotovoltaik effekt lazer intensivligining 0 dan Pc gacha oshishi bilan kuchayadi. Lazer intensivligi Pc dan biroz yuqoriroq qiymatga yetganda, IV egri chizig'i qiyshaya boshlaydi va namunaning qarshiligi paydo bo'la boshlaydi, ammo interfeys potensialining qutblanishi hali o'zgarmagan. Optik qo'zg'alishning o'ta o'tkazuvchanlikka ta'siri ko'rinadigan yoki yaqin infraqizil mintaqada o'rganilgan. Asosiy jarayon Kuper juftliklarini parchalash va o'ta o'tkazuvchanlikni yo'q qilish bo'lsa-da25,26, ba'zi hollarda o'ta o'tkazuvchanlik o'tishini kuchaytirish mumkin27,28,29, hatto o'ta o'tkazuvchanlikning yangi fazalarini ham induktsiya qilish mumkin30. Pc da o'ta o'tkazuvchanlikning yo'qligi fotoinduktsiyalangan juftlikning uzilishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. P0 nuqtasida interfeys bo'ylab potensial nolga teng bo'ladi, bu yorug'lik yoritilishining ushbu intensivligi ostida interfeysning ikkala tomonidagi zaryad zichligi bir xil darajaga yetganligini ko'rsatadi. Lazer intensivligining yanada oshishi ko'proq Kuper juftliklarining yo'q qilinishiga olib keladi va YBCO asta-sekin p-turdagi materialga aylanadi. Elektron va Kuper juftliklarining diffuziyasi o'rniga, interfeysning xususiyati endi elektron va teshik diffuziyasi bilan belgilanadi, bu esa interfeysdagi elektr maydonining qutblanish o'zgarishiga va natijada musbat Voc ga olib keladi (1d, h-rasmlarni solishtiring). Juda yuqori lazer intensivligida YBCO ning differentsial qarshiligi normal holatga mos keladigan qiymatgacha to'yingan va Voc va Isc ikkalasi ham lazer intensivligi bilan chiziqli ravishda o'zgarishga moyil (2b-rasm). Ushbu kuzatish shuni ko'rsatadiki, normal holatdagi YBCO ga lazer nurlanishi endi uning qarshiligini va o'ta o'tkazuvchan-metall interfeysining xususiyatini o'zgartirmaydi, balki faqat elektron-teshik juftliklarining konsentratsiyasini oshiradi.
Fotovoltaik xususiyatlarga haroratning ta'sirini o'rganish uchun metall-o'ta o'tkazgich tizimi katodda 502 mVt/sm2 intensivlikdagi ko'k lazer bilan nurlantirildi. 50 va 300 K oralig'idagi tanlangan haroratlarda olingan IV egri chiziqlari 3a-rasmda keltirilgan. Keyin ochiq zanjir kuchlanishi Voc, qisqa tutashuv toki Isc va differentsial qarshilik ushbu IV egri chiziqlaridan olinishi mumkin va 3b-rasmda ko'rsatilgan. Yorug'lik yoritilmaganda, turli haroratlarda o'lchangan barcha IV egri chiziqlar kutilganidek boshlang'ich nuqtadan o'tadi (3a-rasmning ichki qismi). Tizim nisbatan kuchli lazer nuri (502 mVt/sm2) bilan yoritilganda, IV xususiyatlari harorat oshishi bilan keskin o'zgaradi. Past haroratlarda IV egri chiziqlari Voc ning manfiy qiymatlari bilan I o'qiga parallel bo'lgan to'g'ri chiziqlardir. Bu egri chiziq harorat oshishi bilan yuqoriga siljiydi va asta-sekin kritik harorat Tcp da nolga teng bo'lmagan qiyalikli chiziqqa aylanadi (3a-rasm (yuqorida)). Aftidan, barcha IV xarakteristik egri chiziqlari uchinchi kvadrantdagi nuqta atrofida aylanadi. Voc manfiy qiymatdan musbat qiymatga oshadi, Isc esa musbat qiymatdan manfiy qiymatga kamayadi. YBCO ning asl o'ta o'tkazuvchan o'tish harorati Tc dan yuqorida, IV egri chizig'i harorat bilan ancha farq qiladi (3a-rasmning pastki qismi). Birinchidan, IV egri chiziqlarining aylanish markazi birinchi kvadrantga siljiydi. Ikkinchidan, Voc harorat oshishi bilan kamayib boradi va Isc ortadi (3b-rasmning yuqori qismi). Uchinchidan, IV egri chiziqlarining qiyaligi harorat bilan chiziqli ravishda oshadi, natijada YBCO uchun qarshilikning musbat harorat koeffitsienti hosil bo'ladi (3b-rasmning pastki qismi).
502 mVt/sm2 lazerli yoritish ostida YBCO-Ag pasta tizimi uchun fotovoltaik xususiyatlarning haroratga bog'liqligi.
Lazer nuqta markazi katod elektrodlari atrofida joylashgan (1i-rasmga qarang). a, 50 dan 90 K gacha (yuqorida) va 100 dan 300 K gacha (pastki) harorat mos ravishda 5 K va 20 K harorat oshishi bilan olingan IV egri chiziqlari. a qo'shimchasida qorong'ida bir nechta haroratlarda IV xususiyatlari ko'rsatilgan. Barcha egri chiziqlar boshlang'ich nuqtani kesib o'tadi. b, ochiq zanjir kuchlanishi Voc va qisqa tutashuv oqimi Isc (yuqorida) va YBCO ning differentsial qarshiligi, dV/dI, haroratga bog'liq. Nol qarshilikli o'ta o'tkazuvchan o'tish harorati Tcp berilmaydi, chunki u Tc0 ga juda yaqin.
3b-rasmdan uchta muhim haroratni aniqlash mumkin: Tcp, undan yuqorida YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lmagan holatga keladi; Tc0, bunda Voc va Isc nolga aylanadi va Tc, lazer nurlanishisiz YBCO ning asl boshlang'ich o'ta o'tkazuvchan o'tish harorati. Tcp ~ 55 K dan pastda, lazer nurlanishi bilan nurlantirilgan YBCO o'ta o'tkazuvchan holatda bo'lib, Kuper juftlarining nisbatan yuqori konsentratsiyasiga ega. Lazer nurlanishining ta'siri fotovoltaik kuchlanish va tok hosil qilishdan tashqari, Kuper juftligi konsentratsiyasini kamaytirish orqali nol qarshilik o'ta o'tkazuvchan o'tish haroratini 89 K dan ~55 K gacha kamaytirishdir (3b-rasmning pastki qismi). Haroratning oshishi Kuper juftliklarini ham parchalaydi, bu esa interfeysda past potensialga olib keladi. Natijada, lazer nurlanishining bir xil intensivligi qo'llanilsa ham, Voc ning absolyut qiymati kichrayib boradi. Interfeys potensiali haroratning yanada oshishi bilan kichrayib boradi va Tc0 da nolga etadi. Bu maxsus nuqtada fotovoltaik effekt yo'q, chunki fotoinduktsiyalangan elektron-teshik juftliklarini ajratish uchun ichki maydon yo'q. Ushbu kritik haroratdan yuqorida potensialning qutblanish o'zgarishi sodir bo'ladi, chunki Ag pastasidagi erkin zaryad zichligi YBCO dagidan kattaroq bo'lib, u asta-sekin p-turdagi materialga qaytadi. Bu yerda biz Voc va Isc ning qutblanish o'zgarishi nolga chidamli supero'tkazuvchanlik o'tishidan so'ng darhol sodir bo'lishini ta'kidlamoqchimiz, o'tish sababidan qat'i nazar. Ushbu kuzatuv birinchi marta metall-supero'tkazuvchanlik interfeysi potensiali bilan bog'liq supero'tkazuvchanlik va fotovoltaik effektlar o'rtasidagi bog'liqlikni aniq ko'rsatib beradi. Supero'tkazgich-normal metall interfeysidagi bu potensialning tabiati so'nggi bir necha o'n yilliklar davomida tadqiqot markazi bo'lib kelgan, ammo hali ham javob kutayotgan ko'plab savollar mavjud. Fotovoltaik effektni o'lchash ushbu muhim potensialning tafsilotlarini (masalan, uning kuchi va qutblanishi va boshqalar) o'rganish uchun samarali usul bo'lib chiqishi mumkin va shuning uchun yuqori haroratli supero'tkazuvchanlik yaqinlik effektiga oydinlik kiritadi.
Haroratning Tc0 dan Tc gacha yanada oshishi Kuper juftlarining konsentratsiyasining pasayishiga va interfeys potensialining kuchayishiga va natijada Voc ning kattalashishiga olib keladi. Tc da Kuper juftligining konsentratsiyasi nolga teng bo'ladi va interfeysdagi o'sish potensiali maksimal darajaga yetadi, natijada maksimal Voc va minimal Isc hosil bo'ladi. Bu harorat oralig'ida Voc va Isc ning tez o'sishi (mutlaq qiymat) 502 mVt/sm2 intensivlikdagi lazer nurlanishi orqali ΔT ~ 3 K dan ~ 34 K gacha kengayadigan o'ta o'tkazuvchan o'tishga mos keladi (3b-rasm). Tc dan yuqori normal holatlarda, ochiq zanjir kuchlanishi Voc harorat bilan kamayadi (3b-rasmning yuqori qismi), bu pn birikmalariga asoslangan normal quyosh batareyalari uchun Voc ning chiziqli xatti-harakatlariga o'xshaydi31,32,33. Lazer intensivligiga kuchli bog'liq bo'lgan harorat bilan Voc ning o'zgarish tezligi (−dVoc/dT) oddiy quyosh batareyalarinikidan ancha kichik bo'lsa-da, YBCO-Ag birikmasi uchun Voc ning harorat koeffitsienti quyosh batareyalariniki bilan bir xil kattalik tartibiga ega. Oddiy quyosh batareyasi qurilmasi uchun pn birikmasining oqish oqimi harorat oshishi bilan ortadi, bu esa harorat oshishi bilan VOC ning pasayishiga olib keladi. Ushbu Ag-o'ta o'tkazgich tizimi uchun kuzatilgan chiziqli IV egri chiziqlari, birinchidan, juda kichik interfeys potensiali va ikkinchidan, ikkita heterojunctionning ketma-ket ulanishi tufayli, oqish oqimini aniqlashni qiyinlashtiradi. Shunga qaramay, oqish oqimining bir xil haroratga bog'liqligi bizning tajribamizda kuzatilgan VOC xatti-harakati uchun javobgar bo'lishi ehtimoli juda yuqori. Ta'rifga ko'ra, Isc - bu umumiy kuchlanish nolga teng bo'lishi uchun VOC ni kompensatsiya qilish uchun manfiy kuchlanish hosil qilish uchun zarur bo'lgan oqim. Harorat oshishi bilan VOC kichrayib boradi, shuning uchun manfiy kuchlanish hosil qilish uchun kamroq oqim kerak bo'ladi. Bundan tashqari, YBCO ning qarshiligi Tc dan yuqori harorat bilan chiziqli ravishda oshadi (3b-rasmning pastki qismi), bu ham yuqori haroratlarda Isc ning mutlaq qiymatining kichikroq bo'lishiga hissa qo'shadi.
E'tibor bering, 2,3-rasmlarda keltirilgan natijalar katod elektrodlari atrofidagi sohaga lazer nurlanishi orqali olingan. O'lchovlar anodda joylashgan lazer nuqtasi bilan ham takrorlangan va shunga o'xshash IV xususiyatlari va fotovoltaik xususiyatlar kuzatilgan, faqat bu holda Voc va Isc ning qutblanishi teskari bo'lgan. Bu ma'lumotlarning barchasi fotovoltaik effekt mexanizmiga olib keladi, bu esa supero'tkazgich-metall interfeysi bilan chambarchas bog'liq.
Xulosa qilib aytganda, lazer nurlanishi bilan nurlantirilgan supero'tkazuvchan YBCO-Ag pasta tizimining IV xususiyatlari harorat va lazer intensivligining funktsiyalari sifatida o'lchandi. 50 dan 300 K gacha bo'lgan harorat oralig'ida ajoyib fotovoltaik effekt kuzatildi. Fotovoltaik xususiyatlar YBCO keramikasining supero'tkazuvchanligi bilan kuchli bog'liqligi aniqlandi. Voc va Isc ning qutblanish o'zgarishi fotoinduktsiyalangan supero'tkazuvchanlikdan supero'tkazuvchan bo'lmagan holatga o'tgandan so'ng darhol sodir bo'ladi. Ruxsat etilgan lazer intensivligida o'lchangan Voc va Isc ning haroratga bog'liqligi, shuningdek, namunaning qarshilik ko'rsatadigan kritik haroratda aniq qutblanish o'zgarishini ko'rsatadi. Lazer nuqtasini namunaning turli qismlariga joylashtirish orqali biz interfeys bo'ylab elektr potensiali mavjudligini ko'rsatamiz, bu esa fotoinduktsiyalangan elektron-teshik juftliklari uchun ajratish kuchini ta'minlaydi. Ushbu interfeys potensiali YBCO supero'tkazuvchan bo'lganda YBCO dan metall elektrodga yo'naltiriladi va namuna supero'tkazuvchan bo'lmagan holatga kelganda teskari yo'nalishga o'tadi. Potensialning kelib chiqishi, YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganida metall-o'ta o'tkazgich interfeysidagi yaqinlik effekti bilan tabiiy ravishda bog'liq bo'lishi mumkin va 50 K da ~10−8 mV, lazer intensivligi 502 mV/sm2 deb baholanadi. Oddiy holatdagi p-tipli YBCO materialining n-tipli material bilan aloqasi Ag-pastasi kvazi-pn birikmasini hosil qiladi, bu esa yuqori haroratlarda YBCO keramikasining fotovoltaik xatti-harakati uchun javobgardir. Yuqoridagi kuzatishlar yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchan YBCO keramikasidagi PV effektiga oydinlik kiritadi va tez passiv yorug'lik detektori va bitta foton detektori kabi optoelektron qurilmalarda yangi qo'llanmalarga yo'l ochadi.
Fotovoltaik effekt tajribalari qalinligi 0,52 mm va to'rtburchaklar shakli 8,64 × 2,26 mm2 bo'lgan va radiusi 1,25 mm bo'lgan lazer nuqtasi o'lchamiga ega uzluksiz to'lqinli ko'k lazer (λ = 450 nm) bilan yoritilgan YBCO keramik namunasida o'tkazildi. Yupqa plyonka namunasi o'rniga hajmli materialdan foydalanish bizga substratning murakkab ta'siriga duch kelmasdan supero'tkazgichning fotovoltaik xususiyatlarini o'rganish imkonini beradi6,7. Bundan tashqari, hajmli material uni tayyorlashning oddiy jarayoni va nisbatan arzonligi uchun qulay bo'lishi mumkin. Mis qo'rg'oshin simlari YBCO namunasiga diametri taxminan 1 mm bo'lgan to'rtta dumaloq elektrod hosil qiluvchi kumush pasta bilan birlashtirilgan. Ikki kuchlanish elektrodi orasidagi masofa taxminan 5 mm. Namunaning IV xususiyatlari kvarts kristalli oynali tebranish namunasi magnitometri (VersaLab, Quantum Design) yordamida o'lchandi. IV egri chiziqlarini olish uchun standart to'rt simli usul qo'llanildi. Elektrodlar va lazer nuqtasining nisbiy pozitsiyalari 1i-rasmda ko'rsatilgan.
Ushbu maqolani qanday keltirish mumkin: Yang, F. va boshqalar. Supero'tkazuvchi YBa2Cu3O6.96 keramikasida fotovoltaik effektning kelib chiqishi. Ilmiy nashr 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7 da simmetriya bilan taqiqlangan lazer bilan induktsiyalangan kuchlanishlar. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O dagi anomal fotovoltaik signalning kelib chiqishi. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Supero'tkazuvchi Bi-Sr-Ca-Cu-O ning lazer bilan induktsiyalangan kuchlanishlarini o'lchash. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL va boshqalar. YBa2Cu3O7-x ning xona haroratidagi plyonkalarida lazer bilan induktsiyalangan vaqtinchalik kuchlanishlar. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS va Zheng, JP YBa2Cu3O7 da anomal fotovoltaik reaksiya. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Oksid geterostrukturasida YBa2Cu3O7−x ga fotogeneratsiyalangan teshik tashuvchisini in'ektsiya qilish. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. va boshqalar. Yorug'lik ostida YBa2Cu3Oy yupqa plyonkalarining fotoemission tadqiqoti. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. va boshqalar. Turli kislorod parsial bosimida tavlangan YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb geterobirikmasining fotovoltaik effekti. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA va boshqalar. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristallaridagi ikki bo'shliqli tuzilish. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Turli xil bo'shliq tuzilmalariga ega o'ta o'tkazgichlarda kvazipartikulyar relaksatsiya dinamikasi: YBa2Cu3O7-δ bo'yicha nazariya va tajribalar. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb geterobirikmasining rektifikasion xususiyatlari. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ da eksitonik yutilish va o'ta o'tkazuvchanlik. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3 yarimo'tkazgichli monokristallarida vaqtinchalik fotoinduktsiyalangan o'tkazuvchanlik: fotoinduktsiyalangan metall holatni va fotoinduktsiyalangan o'ta o'tkazuvchanlikni qidirish. Qattiq holat kommunizmi. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Supero'tkazuvchi yaqinlik effektining tunnel modeli. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. va boshqalar. Mezoskopik uzunlik shkalasida o'lchangan o'ta o'tkazuvchan yaqinlik effekti. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. va Manske, D. Nosentrosimetrik supero'tkazgichlar bilan yaqinlik effekti. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM va boshqalar. Pb-Bi2Te3 gibrid tuzilmalarida kuchli o'ta o'tkazuvchan yaqinlik effekti. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Quyosh nurlanishini elektr energiyasiga aylantirish uchun yangi kremniy pn birikma fotoelementi. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- yoki Ni-qo'shilgan YBa2Cu3O6.9 monokristallaridagi o'ta o'tkazuvchan kogerentlik uzunligiga aralashmaning ta'siri. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Keng diapazonli qo'shilmagan YBa2Cu3Oy monokristallarining magnitorezissiyasi: kogerentlik uzunligining anomal teshik-qo'shilishga bog'liqligi. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD va Cooper, JR Yuqori T oksidlarining termoelektrik quvvatidagi sistematika. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. va boshqalar. p-turdagi yuqori Tc o'tkazgichlarda kogerent cho'qqining va LO fonon rejimining tashuvchi zichligiga bog'liq impuls siljishi. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. va boshqalar. Elektrokimyoviy texnikadan foydalangan holda YBa2Cu3Oy yupqa plyonkalarida teshiklarni kamaytirish va elektronlarni to'plash: n-turdagi metall holat uchun dalillar. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Shottki to'sig'i balandligining fizikasi va kimyosi. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Supero'tkazuvchilar plyonkalarda dinamik tashqi juftlik uzilishining ta'siri. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. va boshqalar. Supero'tkazuvchanlikning fotoinduktsiyalangan kuchayishi. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI va boshqalar. YBa2Cu3O6+x plyonkalaridagi doimiy fotoo'tkazuvchanlik metall va o'ta o'tkazuvchan fazalarga fotodoping usuli sifatida. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. va boshqalar. YBa2Cu3O6.5 da o'ta o'tkazuvchanlikni oshirish uchun asos sifatida chiziqli bo'lmagan panjara dinamikasi. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. va boshqalar. Chiziqli tartibli kupratda yorug'lik ta'sirida o'ta o'tkazuvchanlik. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK va Al-Nuaim, IA Quyosh batareyasi uchun VOC ning uning samaradorligiga nisbatan haroratga funktsional bog'liqligi yangi yondashuv. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM va Anderson, WA Shottky-to'siqli kremniyli quyosh batareyalarida harorat ta'siri. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Ish sharoitida polimer-fulleren quyosh batareyalarining fotovoltaik qurilma parametrlarining haroratga bog'liqligi. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Ushbu ish Xitoy Milliy Tabiiy Fanlar Jamg'armasi (Grant № 60571063), Xitoyning Xenan provinsiyasining fundamental tadqiqot loyihalari (Grant № 122300410231) tomonidan qo'llab-quvvatlandi.
FY maqola matnini yozdi va MYH YBCO keramika namunasini tayyorladi. FY va MYH tajriba o'tkazdilar va natijalarni tahlil qildilar. FGC loyihaga va ma'lumotlarning ilmiy talqiniga rahbarlik qildi. Barcha mualliflar qo'lyozmani ko'rib chiqdilar.
Ushbu asar Creative Commons Attribution 4.0 xalqaro litsenziyasi asosida litsenziyalangan. Ushbu maqoladagi rasmlar yoki boshqa uchinchi tomon materiallari, agar mualliflik huquqida boshqacha ko'rsatilmagan bo'lsa, maqolaning Creative Commons litsenziyasiga kiritilgan; agar material Creative Commons litsenziyasi ostida bo'lmasa, foydalanuvchilar materialni qayta yaratish uchun litsenziya egasidan ruxsat olishlari kerak bo'ladi. Ushbu litsenziyaning nusxasini ko'rish uchun http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ saytiga tashrif buyuring.
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Supero'tkazuvchi YBa2Cu3O6.96 keramikasida fotovoltaik effektning kelib chiqishi. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Fikr qoldirish orqali siz bizning Shartlar va Hamjamiyat Ko'rsatmalarimizga rioya qilishga rozilik bildirasiz. Agar siz haqoratomuz yoki bizning shartlarimiz yoki ko'rsatmalarimizga mos kelmaydigan narsani topsangiz, iltimos, uni noo'rin deb belgilang.
Nashr vaqti: 2020-yil 22-aprel