nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. Siz CSS üçün məhdud dəstəyi olan brauzer versiyasından istifadə edirsiniz. Ən yaxşı təcrübə əldə etmək üçün daha yeni brauzerdən istifadə etməyi tövsiyə edirik (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürün). Bu arada, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün biz saytı üslub və JavaScript olmadan göstəririk.
Biz YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasında YBCO-nun superkeçiriciliyi və YBCO-metal elektrod interfeysi ilə birbaşa əlaqəli olan mavi-lazer işıqlandırması ilə 50 və 300 K arasında olan diqqətəlayiq fotovoltaik effekti bildiririk. YBCO superkeçiricilikdən rezistiv vəziyyətə keçdikdə açıq dövrə gərginliyi Voc və qısaqapanma cərəyanı Isc üçün polaritenin dəyişməsi var. Biz göstəririk ki, superkeçirici-normal metal interfeysi üzərində elektrik potensialı mövcuddur ki, bu da foto-induksiya edilmiş elektron-deşik cütləri üçün ayırma qüvvəsini təmin edir. Bu interfeys potensialı YBCO superkeçirici olduqda YBCO-dan metal elektroda yönəlir və YBCO qeyri-keçirici olduqda əks istiqamətə keçir. YBCO superkeçirici olduqda və onun dəyəri 502 mVt/sm2 lazer intensivliyi ilə 50 K-da ~10-8 mV olduğu təxmin edilən zaman potensialın mənşəyi metal-superkeçirici interfeysindəki yaxınlıq effekti ilə asanlıqla əlaqələndirilə bilər. Normal vəziyyətdə p-tipli material YBCO-nun n-tipli material Ag-paste ilə birləşməsi YBCO keramikasının yüksək temperaturda fotovoltaik davranışından məsul olan kvazi-pn qovşağı əmələ gətirir. Tapıntılarımız foton-elektron cihazların yeni tətbiqlərinə yol aça bilər və superkeçirici-metal interfeysindəki yaxınlıq effektinə daha çox işıq sala bilər.
Yüksək temperaturlu superkeçiricilərdə foto-induksiya gərginliyi 1990-cı illərin əvvəllərində bildirilmiş və o vaxtdan bəri geniş şəkildə tədqiq edilmişdir, lakin onun təbiəti və mexanizmi həll edilməmiş olaraq qalır1,2,3,4,5. Xüsusilə YBa2Cu3O7-δ (YBCO) nazik təbəqələri6,7,8 tənzimlənə bilən enerji boşluğuna görə fotovoltaik (PV) element şəklində intensiv şəkildə öyrənilir9,10,11,12,13. Bununla belə, substratın yüksək müqaviməti həmişə cihazın aşağı çevrilmə səmərəliliyinə gətirib çıxarır və YBCO8-in əsas PV xüsusiyyətlərini maskalayır. Burada 50 ilə 300 K (Tc ~ 90 K) arasında YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasında mavi-lazer (λ = 450 nm) işıqlandırmasının yaratdığı diqqətəlayiq fotovoltaik effekti bildiririk. Biz göstəririk ki, PV effekti birbaşa YBCO-nun super keçiriciliyi və YBCO-metal elektrod interfeysinin təbiəti ilə bağlıdır. YBCO ifratkeçirici fazadan rezistiv vəziyyətə keçid zamanı açıq dövrə gərginliyi Voc və qısaqapanma cərəyanı Isc üçün polaritenin dəyişməsi var. Təklif edilir ki, superkeçirici-normal metal interfeysi boyunca foto-induksiya edilmiş elektron-deşik cütləri üçün ayırma qüvvəsini təmin edən elektrik potensialı mövcuddur. Bu interfeys potensialı YBCO superkeçirici olduqda YBCO-dan metal elektroda yönəlir və nümunə qeyri-keçirici olduqda əks istiqamətə keçir. YBCO superkeçirici olduqda və onun dəyəri 502 mVt lazer intensivliyi ilə 50 K-də ~10−8 mV olduğu təxmin edilən zaman potensialın mənşəyi təbii olaraq metal-superkeçirici interfeysində yaxınlıq effekti ilə əlaqələndirilə bilər14,15,16,17 /sm2. Normal vəziyyətdə p-tipli material YBCO-nun n-tipli material ilə Ag-pasta birləşməsi, çox güman ki, yüksək temperaturda YBCO keramikasının PV davranışından məsul olan kvazi-pn qovşağı əmələ gətirir. Müşahidələrimiz yüksək temperaturlu superkeçirici YBCO keramikasında PV effektinin mənşəyinə daha çox işıq salır və onun sürətli passiv işıq detektoru və s. kimi optoelektronik cihazlarda tətbiqinə yol açır.
Şəkil 1a–c göstərir ki, YBCO keramika nümunəsinin 50 K-də IV xarakteristikaları. İşıqlandırma olmadan, superkeçirici materialdan gözlənildiyi kimi, dəyişən cərəyanla nümunə üzərindəki gərginlik sıfırda qalır. Lazer şüası katoda yönəldildikdə aydın fotovoltaik effekt yaranır (şəkil 1a): I oxuna paralel IV əyrilər artan lazer intensivliyi ilə aşağıya doğru hərəkət edir. Aydındır ki, heç bir cərəyan olmadan belə mənfi foto-induksiya gərginliyi var (çox vaxt açıq dövrə gərginliyi Voc deyilir). IV əyrinin sıfır mailliyi nümunənin lazer işıqlandırması altında hələ də super keçirici olduğunu göstərir.
(a–c) və 300 K (e–g). V(I) qiymətləri cərəyanı vakuumda −10 mA-dan +10 mA-a qədər silməklə əldə edilmişdir. Təcrübə məlumatlarının yalnız bir hissəsi aydınlıq üçün təqdim olunur. a, Katodda (i) yerləşdirilmiş lazer nöqtəsi ilə ölçülmüş YBCO-nun cərəyan gərginliyi xüsusiyyətləri. Bütün IV əyrilər nümunənin hələ də lazer şüalanması ilə super keçirici olduğunu göstərən üfüqi düz xətlərdir. Əyri artan lazer intensivliyi ilə aşağıya doğru hərəkət edir, hətta sıfır cərəyanla belə iki gərginlik kabeli arasında mənfi potensialın (Voc) olduğunu göstərir. Lazer 50 K (b) və ya 300 K (f) efirdə nümunənin mərkəzinə yönəldildikdə IV əyriləri dəyişməz qalır. Anod işıqlandırıldıqca üfüqi xətt yuxarıya doğru hərəkət edir (c). 50 K-də metal-superkeçirici qovşağının sxematik modeli d-də göstərilmişdir. Katod və anoda yönəldilmiş lazer şüası ilə ölçülmüş 300 K-də normal vəziyyət YBCO-nun cərəyan gərginlik xüsusiyyətləri müvafiq olaraq e və g-də verilmişdir. 50 K-də nəticələrdən fərqli olaraq, düz xətlərin sıfır olmayan yamacı YBCO-nun normal vəziyyətdə olduğunu göstərir; Voc dəyərləri fərqli bir yük ayırma mexanizmini göstərən əks istiqamətdə işıq intensivliyi ilə dəyişir. 300 K-də mümkün interfeys strukturu hj-də təsvir edilmişdir. Nümunənin aparıcılarla real şəkli.
Superkeçirici vəziyyətdə olan oksigenlə zəngin YBCO, çox kiçik enerji boşluğu (Məs.)9,10 sayəsində günəş işığının demək olar ki, tam spektrini udmaq qabiliyyətinə malikdir və bununla da elektron dəlik cütləri (e-h) yaradır. Fotonların udulması ilə açıq dövrə gərginliyi Voc yaratmaq üçün rekombinasiya baş verməzdən əvvəl foto-generasiya olunmuş eh cütlərini məkan olaraq ayırmaq lazımdır18. Şəkil 1i-də göstərildiyi kimi katod və anoda nisbətən mənfi Voc, metal-superkeçirici interfeysi boyunca elektronları anoda və delikləri katoda aparan elektrik potensialının mövcud olduğunu göstərir. Əgər belədirsə, superkeçiricidən anoddakı metal elektroda yönələn potensial da olmalıdır. Nəticə etibarilə, anodun yaxınlığındakı nümunə sahəsi işıqlandırılarsa, müsbət Voc əldə ediləcəkdir. Bundan əlavə, lazer nöqtəsi elektrodlardan uzaq ərazilərə yönəldildikdə foto ilə bağlı gərginliklər olmamalıdır. Şək. 1b,c-dən göründüyü kimi, bu, əlbəttə ki, belədir!
İşıq nöqtəsi katod elektrodundan nümunənin mərkəzinə doğru hərəkət etdikdə (interfeyslərdən təqribən 1,25 mm məsafədə) lazer intensivliyinin mövcud maksimum dəyərə artması ilə IV əyrilərin dəyişməsi və heç bir Voc müşahidə oluna bilməz (Şəkil 1b). . Təbii ki, bu nəticə foto-induksiya daşıyıcılarının məhdud ömrü və nümunədə ayırma qüvvəsinin olmaması ilə əlaqələndirilə bilər. Nümunə hər dəfə işıqlandırıldıqda elektron-deşik cütləri yaradıla bilər, lakin lazer nöqtəsi elektrodların hər hansı birindən uzaq ərazilərə düşərsə, e-h cütlərinin çoxu məhv olacaq və heç bir fotovoltaik effekt müşahidə edilməyəcək. Lazer nöqtəsini anod elektrodlarına köçürərək, I oxuna paralel olan IV əyrilər artan lazer intensivliyi ilə yuxarıya doğru hərəkət edir (şəkil 1c). Oxşar daxili elektrik sahəsi anoddakı metal-superkeçirici qovşağında mövcuddur. Bununla belə, metal elektrod bu dəfə test sisteminin müsbət telinə bağlanır. Lazerin yaratdığı deliklər anod qurğusuna itələnir və beləliklə, müsbət Voc müşahidə edilir. Burada təqdim olunan nəticələr superkeçiricidən metal elektroda işarə edən bir interfeys potensialının həqiqətən mövcud olduğuna dair güclü sübutlar təqdim edir.
YBa2Cu3O6.96 keramikasında 300 K-də fotovoltaik effekt Şəkil 1e–g-də göstərilmişdir. İşıqlandırma olmadan nümunənin IV əyrisi mənşəyi kəsən düz xəttdir. Bu düz xətt katod keçiricilərində artan lazer intensivliyi ilə orijinala paralel yuxarıya doğru hərəkət edir (Şəkil 1e). Fotovoltaik cihaz üçün iki məhdudlaşdırıcı maraq var. Qısaqapanma vəziyyəti V = 0 olduqda baş verir. Bu vəziyyətdə cərəyan qısa qapanma cərəyanı (Isc) adlanır. İkinci məhdudlaşdırıcı hal R→∞ və ya cərəyan sıfır olduqda baş verən açıq dövrə vəziyyətidir (Voc). Şəkil 1e aydın şəkildə göstərir ki, Voc müsbətdir və 50 K-də əldə edilən nəticədən fərqli olaraq artan işıq intensivliyi ilə artır; normal günəş hüceyrələrinin tipik davranışı olan işıq işıqlandırması ilə mənfi ISC-nin böyüklüyünün artması müşahidə edilir.
Eynilə, lazer şüası elektrodlardan uzaq ərazilərə yönəldildikdə, V(I) əyrisi lazerin intensivliyindən asılı deyil və heç bir fotovoltaik effekt yaranmır (şək. 1f). 50 K-də ölçmə kimi, IV əyriləri anod elektrodu şüalandıqda əks istiqamətə keçir (şəkil 1g). Nümunənin müxtəlif mövqelərində şüalanmış lazerlə 300 K-da bu YBCO-Ag pasta sistemi üçün əldə edilən bütün bu nəticələr 50 K-də müşahidə edilənin əksinə olan interfeys potensialına uyğundur.
Elektronların çoxu Kuper cütlərində keçid temperaturu Tc-dən aşağı olan superkeçirici YBCO-da kondensasiya olunur. Metal elektrodda olarkən bütün elektronlar tək formada qalır. Metal-superkeçirici interfeysinin yaxınlığında həm tək elektronlar, həm də Kuper cütləri üçün böyük sıxlıq qradiyenti var. Metal materialdakı çoxluq daşıyıcı tək elektronlar superkeçirici bölgəyə, YBCO bölgəsindəki çoxluq daşıyıcı Cooper cütləri isə metal bölgəyə yayılacaq. Daha çox yük daşıyan və tək elektronlardan daha böyük hərəkətliliyə malik olan Kuper cütləri YBCO-dan metal bölgəyə yayıldıqca, müsbət yüklü atomlar geridə qalır və nəticədə kosmik yük bölgəsində elektrik sahəsi yaranır. Bu elektrik sahəsinin istiqaməti sxematik diaqramda göstərilmişdir Şəkil 1d. Kosmik yük bölgəsinin yaxınlığında baş verən foton işıqlandırması əks istiqamətli istiqamətdə foto cərəyan yaradaraq ayrılacaq və süpürüləcək eh cütləri yarada bilər. Elektronlar daxili elektrik sahəsindən çıxan kimi cütlərə kondensasiya olunur və müqavimət göstərmədən digər elektroda axır. Bu halda, Voc əvvəlcədən təyin edilmiş polaritenin əksinədir və lazer şüası mənfi elektrod ətrafındakı sahəyə işarə etdikdə mənfi dəyər göstərir. Voc dəyərindən interfeys boyunca potensialı təxmin etmək olar: iki gərginlik kabeli arasındakı məsafə d ~5 × 10−3 m, metal-superkeçirici interfeysinin qalınlığı, di, eyni böyüklük sırası olmalıdır. YBCO superkeçiricinin koherens uzunluğu (~1 nm)19,20 kimi, Voc = 0,03 mV, potensial Vms dəyərini götürün. metal-superkeçirici interfeysi tənlikdən istifadə edərək 502 mVt/sm2 lazer intensivliyi ilə 50 K-da ~10−11 V olaraq qiymətləndirilir,
Burada vurğulamaq istəyirik ki, foto-induksiya gərginliyi fototermal effektlə izah edilə bilməz. Eksperimental olaraq müəyyən edilmişdir ki, YBCO superkeçiricinin Seebeck əmsalı Ss = 021-dir. Mis qurğuşun naqillər üçün Seebek əmsalı SCu = 0,34–1,15 μV/K3 diapazonundadır. Mis naqilin lazer nöqtəsindəki temperaturu 50 K-da mövcud olan maksimum lazer intensivliyi ilə kiçik bir miqdar 0,06 K qədər qaldırıla bilər. Bu, 6,9 × 10−8 V termoelektrik potensial yarada bilər ki, bu da özlüyündən üç dəfə kiçikdir. Şəkil 1 (a)-da əldə edilən Voc. Aydındır ki, termoelektrik effekt eksperimental nəticələri izah etmək üçün çox kiçikdir. Əslində, lazer şüalanması ilə bağlı temperatur dəyişikliyi bir dəqiqədən az müddətdə yox olacaq ki, istilik effektinin töhfəsi təhlükəsiz şəkildə nəzərə alına bilsin.
YBCO-nun otaq temperaturunda bu fotovoltaik təsiri burada fərqli bir yük ayırma mexanizminin iştirak etdiyini ortaya qoyur. Normal vəziyyətdə superkeçirici YBCO yük daşıyıcısı22,23 kimi deşikləri olan p tipli materialdır, metal Ag-pasta isə n-tipli materialın xüsusiyyətlərinə malikdir. Pn qovşaqlarına bənzər şəkildə, gümüş pastadakı elektronların və YBCO keramikadakı deşiklərin diffuziyası interfeysdə YBCO keramikasına işarə edən daxili elektrik sahəsi meydana gətirəcəkdir (Şəkil 1h). Məhz bu daxili sahə ayırıcı qüvvəni təmin edir və Şəkil 1e-də göstərildiyi kimi otaq temperaturunda YBCO-Ag pasta sistemi üçün müsbət Voc və mənfi Isc-yə gətirib çıxarır. Alternativ olaraq, Ag-YBCO p-tipli Schottky qovşağı yarada bilər ki, bu da yuxarıda göstərilən modeldə olduğu kimi eyni polarite ilə interfeys potensialına gətirib çıxarır24.
YBCO-nun superkeçirici keçidi zamanı fotovoltaik xüsusiyyətlərin təfərrüatlı təkamül prosesini araşdırmaq üçün 80 K-də nümunənin IV əyriləri katod elektrodunda işıqlandıran seçilmiş lazer intensivliyi ilə ölçüldü (Şəkil 2). Lazer şüalanması olmadan nümunə üzərindəki gərginlik cərəyandan asılı olmayaraq sıfırda saxlanılır, bu nümunənin 80 K-də superkeçirici vəziyyətini göstərir (şəkil 2a). 50 K-də əldə edilən məlumatlara bənzər olaraq, I oxuna paralel IV əyrilər kritik dəyər Pc əldə olunana qədər artan lazer intensivliyi ilə aşağıya doğru hərəkət edir. Bu kritik lazer intensivliyindən (Pc) yuxarıda superkeçirici superkeçirici fazadan müqavimət fazasına keçiddən keçir; superkeçiricidə müqavimətin görünüşünə görə gərginlik cərəyanla artmağa başlayır. Nəticədə, IV əyri I oxu və V oxu ilə kəsişməyə başlayır və əvvəlcə mənfi Voc və müsbət Isc-ə səbəb olur. İndi nümunə Voc və Isc polaritesinin işığın intensivliyinə son dərəcə həssas olduğu xüsusi bir vəziyyətdə görünür; işığın intensivliyinin çox kiçik artması ilə ISC müsbətdən mənfiyə, Voc isə mənşəyi keçərək mənfidən müsbət qiymətə çevrilir (fotovoltaik xüsusiyyətlərin, xüsusən də ISC dəyərinin işığa yüksək həssaslığını Şəkil 1-də daha aydın görmək olar). 2b). Mövcud olan ən yüksək lazer intensivliyində IV əyriləri YBCO nümunəsinin normal vəziyyətini ifadə edən bir-birinə paralel olmaq niyyətindədir.
Lazer nöqtəsinin mərkəzi katod elektrodlarının ətrafında yerləşir (bax. Şəkil 1i). müxtəlif lazer intensivliyi ilə şüalanan YBCO-nun a, IV əyriləri. b (yuxarı), açıq dövrə gərginliyinin lazer intensivliyindən asılılığı Voc və qısaqapanma cərəyanı Isc. ISC dəyərləri aşağı işıq intensivliyində (< 110 mVt/sm2) əldə edilə bilməz, çünki nümunə superkeçirici vəziyyətdə olduqda IV əyriləri I oxuna paraleldir. b (aşağı), lazer intensivliyinin funksiyası kimi diferensial müqavimət.
80 K-da Voc və Isc-nin lazer intensivliyindən asılılığı Şəkil 2b-də (yuxarıda) göstərilmişdir. Fotovoltaik xüsusiyyətləri işıq intensivliyinin üç bölgəsində müzakirə etmək olar. Birinci bölgə 0 və Pc arasındadır, burada YBCO super keçiricidir, Voc mənfidir və işıq intensivliyi ilə azalır (mütləq dəyər artır) və PC-də minimuma çatır. İkinci bölgə Pc-dən başqa bir kritik intensivlik P0-a qədərdir, burada Voc artır, ISC isə artan işıq intensivliyi ilə azalır və hər ikisi P0-da sıfıra çatır. Üçüncü bölgə YBCO-nun normal vəziyyətinə çatana qədər P0-dan yuxarıdır. Baxmayaraq ki, həm Voc, həm də Isc işıq intensivliyi ilə 2-ci bölgədəki kimi fərqli olsa da, onlar P0 kritik intensivliyindən yuxarı əks qütblərə malikdirlər. P0-nın əhəmiyyəti ondan ibarətdir ki, heç bir fotovoltaik effekt yoxdur və yüklərin ayrılması mexanizmi bu xüsusi nöqtədə keyfiyyətcə dəyişir. YBCO nümunəsi bu işıq intensivliyi diapazonunda superkeçirici olur, lakin normal vəziyyətə hələ çatmamışdır.
Aydındır ki, sistemin fotovoltaik xüsusiyyətləri YBCO-nun super keçiriciliyi və onun superkeçirici keçidi ilə sıx bağlıdır. YBCO-nun diferensial müqaviməti, dV/dI, lazer intensivliyinin funksiyası kimi Şəkil 2b-də (aşağıda) göstərilmişdir. Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, Kuper cütlüyünə görə interfeysdə quraşdırılmış elektrik potensialı superkeçiricidən metala diffuziya nöqtələridir. 50 K-də müşahidə edildiyi kimi, fotovoltaik effekt lazer intensivliyinin 0-dan Pc-ə artması ilə gücləndirilir. Lazer intensivliyi Pc-dən bir qədər yuxarı dəyərə çatdıqda, IV əyri əyilməyə başlayır və nümunənin müqaviməti görünməyə başlayır, lakin interfeys potensialının polaritesi hələ dəyişdirilməyib. Optik həyəcanlanmanın superkeçiriciliyə təsiri görünən və ya yaxın IR bölgəsində tədqiq edilmişdir. Əsas proses Kuper cütlərini parçalamaq və superkeçiriciliyi məhv etməkdir25,26, bəzi hallarda superkeçiriciliyə keçid gücləndirilə bilər27,28,29, hətta superkeçiriciliyin yeni fazaları da induksiya edilə bilər30. Pc-də superkeçiriciliyin olmaması foto-induksiyalı cüt qırılması ilə əlaqələndirilə bilər. P0 nöqtəsində, interfeys üzərindəki potensial sıfıra çevrilir, bu, interfeysin hər iki tərəfindəki yük sıxlığının işığın işıqlandırılmasının bu intensivliyi altında eyni səviyyəyə çatdığını göstərir. Lazer intensivliyinin daha da artması daha çox Cooper cütünün məhv edilməsinə səbəb olur və YBCO tədricən p tipli materiala çevrilir. Elektron və Kuper cüt diffuziyasının əvəzinə interfeysin xüsusiyyəti indi elektron və deşik diffuziyası ilə müəyyən edilir ki, bu da interfeysdə elektrik sahəsinin polaritesinin dəyişməsinə və nəticədə müsbət Voc-a səbəb olur (Şəkil 1d, h ilə müqayisə edin). Çox yüksək lazer intensivliyində YBCO-nun diferensial müqaviməti normal vəziyyətə uyğun olan dəyərə doyur və həm Voc, həm də Isc lazer intensivliyi ilə xətti şəkildə dəyişməyə meyllidir (şək. 2b). Bu müşahidə göstərir ki, YBCO normal vəziyyətində lazer şüalanması artıq öz müqavimətini və superkeçirici-metal interfeysinin xüsusiyyətini dəyişməyəcək, ancaq elektron-deşik cütlərinin konsentrasiyasını artıracaq.
Temperaturun fotovoltaik xüsusiyyətlərə təsirini araşdırmaq üçün metal superkeçirici sistem katodda 502 mVt/sm2 intensivlikli mavi lazerlə şüalandırılmışdır. 50 ilə 300 K arasında seçilmiş temperaturda əldə edilən IV əyriləri Şəkil 3a-da verilmişdir. Açıq dövrə gərginliyi Voc, qısaqapanma cərəyanı Isc və diferensial müqavimət daha sonra bu IV əyrilərindən əldə edilə bilər və Şəkil 3b-də göstərilmişdir. İşıqlandırma olmadan, müxtəlif temperaturlarda ölçülən bütün IV əyrilər gözlənildiyi kimi mənşəyi keçir (şək. 3a-nın daxili hissəsi). Sistem nisbətən güclü lazer şüası (502 mVt/sm2) ilə işıqlandırıldıqda IV xarakteristikalar temperaturun artması ilə kəskin şəkildə dəyişir. Aşağı temperaturda IV əyriləri Voc-un mənfi qiymətləri ilə I oxuna paralel düz xətlərdir. Bu əyri artan temperaturla yuxarıya doğru hərəkət edir və tədricən kritik temperatur Tcp-də sıfırdan fərqli yamaclı bir xəttə çevrilir (Şəkil 3a (yuxarı)). Görünür, bütün IV xarakterik əyrilər üçüncü kvadrantda bir nöqtə ətrafında fırlanır. Voc mənfi dəyərdən müsbətə yüksəlir, ISC isə müsbətdən mənfi dəyərə enir. YBCO-nun orijinal superkeçirici keçid temperaturu Tc-dən yuxarı, IV əyri temperaturla kifayət qədər fərqli şəkildə dəyişir (şək. 3a-nın aşağısı). Birincisi, IV əyrilərin fırlanma mərkəzi birinci kvadrantda hərəkət edir. İkincisi, artan temperaturla Voc azalmağa davam edir və Isc artır (Şəkil 3b-nin yuxarısı). Üçüncüsü, IV əyrilərin yamacı temperaturla xətti olaraq artır və YBCO üçün müsbət temperatur müqavimət əmsalı ilə nəticələnir (şək. 3b-nin alt hissəsi).
502 mW/sm2 lazer işıqlandırması altında YBCO-Ag pasta sistemi üçün fotovoltaik xüsusiyyətlərin temperaturdan asılılığı.
Lazer nöqtəsinin mərkəzi katod elektrodlarının ətrafında yerləşir (bax. Şəkil 1i). a, IV əyrilər müvafiq olaraq 5 K və 20 K temperatur artımı ilə 50-dən 90 K (yuxarıda) və 100-dən 300 K-dək (aşağıda) əldə edilir. Daxil edilmiş a qaranlıqda bir neçə temperaturda IV xüsusiyyətlərini göstərir. Bütün əyrilər başlanğıc nöqtəsindən keçir. b, temperaturdan asılı olaraq açıq dövrə gərginliyi Voc və qısaqapanma cərəyanı Isc (yuxarı) və YBCO-nun (aşağıda) diferensial müqaviməti, dV/dI. Sıfır müqavimətli superkeçirici keçid temperaturu Tcp verilmir, çünki o, Tc0-a çox yaxındır.
Şəkil 3b-dən üç kritik temperaturu tanımaq olar: Tcp, ondan yuxarı YBCO qeyri-keçirici olur; Tc0, burada həm Voc, həm də Isc sıfıra çevrilir və Tc, lazer şüalanmadan YBCO-nun ilkin başlanğıc superkeçirici keçid temperaturu. Tcp ~ 55 K-dən aşağı, lazerlə şüalanmış YBCO Cooper cütlərinin nisbətən yüksək konsentrasiyası ilə superkeçirici vəziyyətdədir. Lazer şüalanmasının təsiri fotovoltaik gərginlik və cərəyan yaratmaqla yanaşı, Kuper cütünün konsentrasiyasını azaltmaqla sıfır müqavimətli superkeçirici keçid temperaturunu 89 K-dən ~55 K-ə (Şəkil 3b-nin alt hissəsi) azaltmaqdır. Artan temperatur həm də Kuper cütlərini parçalayır, bu da interfeysdə daha aşağı potensiala səbəb olur. Nəticə etibarilə, lazer işıqlandırmasının eyni intensivliyi tətbiq edilsə də, Voc-un mütləq dəyəri daha kiçik olacaq. Temperaturun daha da artması ilə interfeys potensialı getdikcə daha kiçik olacaq və Tc0-də sıfıra çatır. Bu xüsusi nöqtədə heç bir fotovoltaik effekt yoxdur, çünki foto-induksiya edilmiş elektron-deşik cütlərini ayırmaq üçün daxili sahə yoxdur. Bu kritik temperaturdan yuxarı potensialın polaritesinin dəyişməsi baş verir, çünki Ag pastasında sərbəst yük sıxlığı tədricən p tipli materiala köçürülən YBCO-dan daha böyükdür. Burada vurğulamaq istəyirik ki, Voc və Isc-nin polaritesinin dəyişməsi keçidin səbəbindən asılı olmayaraq, sıfır müqavimətli superkeçirici keçiddən dərhal sonra baş verir. Bu müşahidə, ilk dəfə olaraq, superkeçiricilik və metal-superkeçirici interfeys potensialı ilə əlaqəli fotovoltaik effektlər arasındakı əlaqəni aydın şəkildə ortaya qoyur. Superkeçirici-normal metal interfeysi üzərindəki bu potensialın təbiəti son bir neçə onillikdə tədqiqatın diqqət mərkəzində olub, lakin hələ də cavabını gözləyən bir çox suallar var. Fotovoltaik effektin ölçülməsi bu mühüm potensialın təfərrüatlarını (məsələn, onun gücü və polaritesi və s.) tədqiq etmək üçün effektiv üsul ola bilər və beləliklə, yüksək temperaturun superkeçirici yaxınlıq effektinə işıq sala bilər.
Temperaturun Tc0-dan Tc-yə daha da artması Kuper cütlərinin daha kiçik konsentrasiyasına və interfeys potensialının artmasına və nəticədə daha böyük Voc-a səbəb olur. Tc-də Kuper cütünün konsentrasiyası sıfır olur və interfeysdə qurulma potensialı maksimuma çatır, nəticədə maksimum Voc və minimum Isc olur. Bu temperatur diapazonunda Voc və Isc-nin (mütləq dəyər) sürətli artımı 502 mVt/sm2 intensivlikli lazer şüalanması ilə ΔT ~ 3 K-dən ~34 K-ə qədər genişlənən superkeçirici keçidə uyğundur (Şəkil 3b). Tc-dən yuxarı olan normal vəziyyətlərdə açıq dövrə gərginliyi Voc temperaturla azalır (Şəkil 3b-nin yuxarısı), pn keçidlərinə əsaslanan normal günəş hüceyrələri üçün Voc-un xətti davranışına bənzər31,32,33. Lazer intensivliyindən çox asılı olan temperaturla (−dVoc/dT) Voc-un dəyişmə sürəti adi günəş hüceyrələrininkindən çox kiçik olsa da, YBCO-Ag qovşağı üçün Voc temperatur əmsalı eyni böyüklük sırasına malikdir. günəş hüceyrələrindən. Normal günəş batareyası cihazı üçün pn qovşağının sızma cərəyanı artan temperaturla artır və temperatur artdıqca Voc-un azalmasına səbəb olur. Bu Ag-superkeçirici sistem üçün müşahidə olunan xətti IV əyriləri, birincisi, çox kiçik interfeys potensialına və ikincisi, iki heteroqovuşmanın arxa-arxa əlaqəsinə görə, sızma cərəyanını təyin etməyi çətinləşdirir. Buna baxmayaraq, çox güman ki, sızma cərəyanının eyni temperaturdan asılılığı təcrübəmizdə müşahidə olunan Voc davranışından məsuldur. Tərifə görə, Isc ümumi gərginliyin sıfır olması üçün Voc-u kompensasiya etmək üçün mənfi bir gərginlik yaratmaq üçün lazım olan cərəyandır. Temperatur artdıqca, Voc kiçik olur ki, mənfi gərginlik yaratmaq üçün daha az cərəyan tələb olunur. Bundan əlavə, YBCO-nun müqaviməti Tc-dən yuxarı olan temperaturla xətti olaraq artır (Şəkil 3b-nin alt hissəsi), bu da yüksək temperaturda Isc-nin daha kiçik mütləq dəyərinə kömək edir.
Diqqət yetirin ki, Şəkil 2,3-də verilmiş nəticələr katod elektrodlarının ətrafındakı ərazidə lazer şüalanması ilə əldə edilir. Ölçmələr anodda yerləşdirilmiş lazer nöqtəsi ilə də təkrarlanmış və oxşar IV xarakteristikaları və fotovoltaik xassələri müşahidə edilmişdir ki, bu halda Voc və Isc polaritesi tərsinə çevrildi. Bütün bu məlumatlar superkeçirici-metal interfeysi ilə sıx əlaqəli olan fotovoltaik effekt mexanizmini yaradır.
Xülasə, lazer şüalanmış superkeçirici YBCO-Ag pasta sisteminin IV xarakteristikaları temperatur və lazer intensivliyi funksiyaları kimi ölçülmüşdür. Əlamətdar fotovoltaik effekt 50 ilə 300 K temperatur diapazonunda müşahidə edilmişdir. Fotovoltaik xassələrin YBCO keramikasının super keçiriciliyi ilə güclü əlaqədə olduğu aşkar edilmişdir. Voc və Isc-nin polaritesinin dəyişməsi foto ilə induksiya olunmuş superkeçiricidən qeyri-keçiriciliyə keçiddən dərhal sonra baş verir. Sabit lazer intensivliyində ölçülən Voc və Isc-nin temperaturdan asılılığı nümunənin rezistivləşdiyi kritik temperaturda da aydın polaritenin dəyişməsini göstərir. Lazer nöqtəsini nümunənin müxtəlif hissəsinə yerləşdirməklə, biz interfeys boyunca foto-induksiya edilmiş elektron-deşik cütləri üçün ayırma qüvvəsini təmin edən elektrik potensialının olduğunu göstəririk. Bu interfeys potensialı YBCO superkeçirici olduqda YBCO-dan metal elektroda yönəlir və nümunə qeyri-keçirici olduqda əks istiqamətə keçir. Potensialın mənşəyi YBCO superkeçirici olduqda və 502 mVt/sm2 lazer intensivliyi ilə 50 K-də ~10−8 mV olduğu təxmin edilən zaman metal-superkeçirici interfeysindəki yaxınlıq effekti ilə təbii olaraq əlaqələndirilə bilər. P-tipli materialın YBCO-nun normal vəziyyətdə n-tipli materialla təması Ag-paste yüksək temperaturda YBCO keramikasının fotovoltaik davranışından məsul olan kvazi-pn qovşağı əmələ gətirir. Yuxarıdakı müşahidələr yüksək temperaturlu superkeçirici YBCO keramikasında PV effektinə işıq salır və sürətli passiv işıq detektoru və tək foton detektoru kimi optoelektronik cihazlarda yeni tətbiqlərə yol açır.
Fotovoltaik effekt təcrübələri 0,52 mm qalınlığında və 8,64 × 2,26 mm2 düzbucaqlı formalı YBCO keramika nümunəsi üzərində aparılıb və radiusda 1,25 mm lazer ləkə ölçüsü ilə davamlı dalğalı mavi lazer (λ = 450 nm) ilə işıqlandırılıb. Nazik film nümunəsindən daha çox kütlədən istifadə bizə substratın mürəkkəb təsiri ilə qarşılaşmadan superkeçiricinin fotovoltaik xüsusiyyətlərini öyrənməyə imkan verir6,7. Üstəlik, toplu material onun sadə hazırlanma proseduru və nisbətən aşağı qiyməti üçün əlverişli ola bilər. Mis qurğuşun məftilləri YBCO nümunəsində təxminən 1 mm diametrdə dörd dairəvi elektrod meydana gətirən gümüş pastası ilə birləşdirilir. İki gərginlikli elektrod arasındakı məsafə təxminən 5 mm-dir. Nümunənin IV xarakteristikaları kvars kristal pəncərəsi olan vibrasiya nümunəsi maqnitometrindən (VersaLab, Quantum Design) istifadə edilərək ölçüldü. IV əyriləri əldə etmək üçün standart dörd telli üsuldan istifadə edilmişdir. Elektrodların və lazer nöqtəsinin nisbi mövqeləri Şəkil 1i-də göstərilmişdir.
Bu məqaləyə necə istinad etmək olar: Yang, F. et al. Superkeçirici YBa2Cu3O6.96 keramikada fotovoltaik effektin mənşəyi. Sci. Nümayəndə 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7-də simmetriya ilə qadağan edilmiş lazerin yaratdığı gərginliklər. Fizika. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O-da anomal fotovoltaik siqnalın mənşəyi. Fizika. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Super keçirici Bi-Sr-Ca-Cu-O-nun lazerlə yaratdığı gərginliklərin ölçülməsi. Fizika. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL və başqaları. YBa2Cu3O7-x otaq temperaturu filmlərində keçici lazerin yaratdığı gərginliklər. J. Tətbiq. Fizika. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7-də anomal fotovoltaik reaksiya. Fizika. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Bir oksid heterostrukturunda YBa2Cu3O7−x-ə fotogenerasiya edilmiş deşik daşıyıcısı inyeksiyası. Tətbiq. Fizika. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. YBa2Cu3Oy nazik təbəqələrinin işıq işığı altında fotoemissiya tədqiqi. Fizika. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroqovuşmasının müxtəlif oksigen parsial təzyiqində tavlanmış fotovoltaik effekti. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA və b. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristallarında iki boşluqlu quruluş. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Müxtəlif boşluq strukturları olan superkeçiricilərdə kvazirəciklərin relaksasiya dinamikası: YBa2Cu3O7-δ üzərində nəzəriyyə və təcrübələr. Fizika. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heteroqovuşmasının düzəldici xassələri. Tətbiq. Fizika. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ-da eksitonik udma və super keçiricilik. Fizika. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3-ün yarımkeçirici monokristallarında keçici fotoinduksiya edilmiş keçiricilik: fotoinduksiya edilmiş metal vəziyyəti və fotoinduksiya edilmiş superkeçiriciliyin axtarışı. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Superkeçirici yaxınlıq effektinin tunel modeli. Fizika. Vəhy 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Mezoskopik uzunluq şkalasında yoxlanılan superkeçirici yaxınlıq effekti. Fizik. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Qeyri-centrosimmetrik superkeçiricilərlə yaxınlıq effekti. Fizika. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Pb-Bi2Te3 hibrid strukturlarında güclü superkeçirici yaxınlıq effekti. Sci. Nümayəndə 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Günəş radiasiyasını elektrik enerjisinə çevirmək üçün yeni silikon pn qovşağı fotoseli. J. Tətbiq. Fizika. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- və ya Ni-qatlanmış YBa2Cu3O6.9 monokristallarında superkeçirici koherens uzunluğuna çirkin təsiri. Fizika. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Geniş dopinq diapazonunda qoşalaşmamış YBa2Cu3Oy monokristallarının maqnit müqaviməti: koherens uzunluğunun anomal deşik-dopinq asılılığı. Fizika. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Yüksək T, oksidlərin termoelektrik gücündə sistematika. Fizika. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. p-tipli yüksək Tc superkeçiricilərdə koherent pik və LO fonon rejiminin daşıyıcı sıxlığından asılı impuls sürüşməsi. Fizika. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. və başqaları. Elektrokimyəvi texnikadan istifadə edərək YBa2Cu3Oy nazik filmlərində çuxurların azaldılması və elektronların yığılması: n-tipli metal vəziyyəti üçün sübut. Fizika. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Schottky maneə hündürlüyünün fizikası və kimyası. Tətbiq. Fizika. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, Superkeçirici Filmlərdə Dinamik Xarici Cüt Kırılmanın DN Effektləri. Fizika. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Superkeçiriciliyin fotoinduksiya ilə gücləndirilməsi. Tətbiq. Fizika. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI və b. YBa2Cu3O6+x filmlərində metal və superkeçirici fazalara doğru fotodopinq üsulu kimi davamlı fotokeçiricilik. Fizika. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. YBa2Cu3O6.5-də gücləndirilmiş superkeçiricilik üçün əsas kimi qeyri-xətti qəfəs dinamikası. Təbiət 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. və b. Zolaqlı sifarişli kupratda işığın yaratdığı superkeçiricilik. Elm 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Günəş hüceyrəsi üçün VOC-nin temperaturdan funksional asılılığı onun səmərəliliyi ilə bağlı yeni yanaşma. Duzsuzlaşdırma 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Schottky-bariyer silikon günəş hüceyrələrində temperatur effektləri. Tətbiq. Fizik. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM İş şəraitində polimer-fulleren günəş elementlərinin fotovoltaik cihaz parametrləri üçün temperaturdan asılılıq. J. Tətbiq. Fizika. 90, 5343–5350 (2002).
Bu iş Çin Milli Təbiət Elmləri Fondu (Qrant No. 60571063), Çinin Henan Əyalətinin Fundamental Tədqiqat Layihələri (Qrant No. 122300410231) tərəfindən dəstəklənib.
FY kağızın mətnini yazdı və MYH YBCO keramika nümunəsini hazırladı. FY və MYH təcrübə həyata keçirdi və nəticələri təhlil etdi. FGC layihəyə və məlumatların elmi şərhinə rəhbərlik etmişdir. Bütün müəlliflər əlyazmanı nəzərdən keçirdilər.
Bu iş Creative Commons Attribution 4.0 Beynəlxalq Lisenziyası əsasında lisenziyalaşdırılıb. Bu məqalədəki şəkillər və ya digər üçüncü tərəf materialları, kredit xəttində başqa cür göstərilmədiyi təqdirdə məqalənin Creative Commons lisenziyasına daxil edilmişdir; material Creative Commons lisenziyasına daxil deyilsə, istifadəçilər materialı təkrar istehsal etmək üçün lisenziya sahibindən icazə almalıdırlar. Bu lisenziyanın surətinə baxmaq üçün http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ saytına daxil olun.
Yang, F., Han, M. & Chang, F. YBa2Cu3O6.96 superkeçirici keramikada fotovoltaik effektin mənşəyi. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Şərh təqdim etməklə siz Şərtlər və İcma Qaydalarımıza əməl etməyə razılaşırsınız. Sui-istifadə edən və ya şərtlərimizə və ya təlimatlarımıza uyğun olmayan bir şey tapsanız, lütfən, onu uyğunsuz kimi qeyd edin.
Göndərmə vaxtı: 22 aprel 2020-ci il