Hvala vam što ste posjetili nature.com. Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS. Da biste postigli najbolje iskustvo, preporučujemo vam da koristite noviji pretraživač (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Izvještavamo o izvanrednom fotonaponskom efektu u YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramici između 50 i 300 K induciran plavim laserskim osvjetljenjem, što je direktno povezano sa supravodljivošću YBCO i interfejsom YBCO-metalne elektrode. Postoji obrnuti polaritet za napon otvorenog kola Voc i struju kratkog spoja Isc kada YBCO prolazi kroz prijelaz iz supravodljivog u otporno stanje. Pokazali smo da postoji električni potencijal preko supravodič-normalni metal interfejs, koji obezbeđuje silu razdvajanja za foto-inducirane parove elektron-rupa. Ovaj potencijal sučelja usmjerava se od YBCO do metalne elektrode kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotnom smjeru kada YBCO postane nesupravodljiv. Porijeklo potencijala može se lako povezati s efektom blizine na sučelju metal-superprovodnik kada je YBCO supravodljiv i njegova vrijednost se procjenjuje na ~10–8 mV na 50 K sa intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kombinacija p-tipa materijala YBCO u normalnom stanju sa n-tipom materijala Ag-paste formira kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naša otkrića mogu utrti put novim primjenama foton-elektronskih uređaja i baciti dodatno svjetlo na efekat blizine na interfejsu supravodič-metal.
Foto-inducirani napon u visokotemperaturnim supravodičima prijavljen je početkom 1990-ih i od tada je opsežno istražen, ali njegova priroda i mehanizam ostaju neriješeni1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tanki filmovi6,7,8, posebno se intenzivno proučavaju u obliku fotonaponskih (PV) ćelija zbog podesivog energetskog jaza9,10,11,12,13. Međutim, visoka otpornost podloge uvijek dovodi do niske efikasnosti konverzije uređaja i maskira primarne PV osobine YBCO8. Ovdje izvještavamo o izvanrednom fotonaponskom efektu izazvanom plavim laserom (λ = 450 nm) osvjetljenjem u YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramici između 50 i 300 K (Tc ~ 90 K). Pokazali smo da je PV efekat direktno povezan sa supravodljivošću YBCO i prirodom interfejsa YBCO-metalne elektrode. Postoji obrnuti polaritet za napon otvorenog kola Voc i struju kratkog spoja Isc kada YBCO prolazi kroz prijelaz iz supravodljive faze u otporno stanje. Predlaže se da postoji električni potencijal preko supravodič-normalni metal interfejs, koji obezbeđuje silu razdvajanja foto-indukovanih parova elektron-rupa. Ovaj potencijal sučelja usmjerava se od YBCO prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotnom smjeru kada uzorak postane nesupravodljiv. Poreklo potencijala može biti prirodno povezano sa efektom blizine14,15,16,17 na interfejsu metal-superprovodnik kada je YBCO supravodljiv i njegova vrednost se procenjuje na ~10−8 mV na 50 K sa intenzitetom lasera od 502 mW /cm2. Kombinacija materijala p-tipa YBCO u normalnom stanju sa materijalom n-tipa Ag-paste formira, najvjerovatnije, kvazi-pn spoj koji je odgovoran za PV ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naša zapažanja bacaju dalje svjetlo na porijeklo PV efekta u visokotemperaturnoj supravodljivoj YBCO keramici i otvaraju put za njegovu primjenu u optoelektronskim uređajima kao što su brzi pasivni detektori svjetlosti itd.
Slika 1a–c pokazuje da su IV karakteristike YBCO keramičkog uzorka na 50 K. Bez svjetlosnog osvjetljenja, napon na uzorku ostaje na nuli sa promjenom struje, kao što se može očekivati od supravodljivog materijala. Očigledni fotonaponski efekat se javlja kada se laserski snop usmeri na katodu (slika 1a): IV krive paralelne sa I-osi pomeraju se naniže sa povećanjem laserskog intenziteta. Evidentno je da postoji negativan foto-inducirani napon čak i bez struje (često se naziva napon otvorenog kola Voc). Nulti nagib IV krivulje ukazuje da je uzorak i dalje supravodljiv pod laserskim osvjetljenjem.
(a–c) i 300 K (e–g). Vrijednosti V(I) su dobijene pomicanjem struje od −10 mA do +10 mA u vakuumu. Samo dio eksperimentalnih podataka je prikazan radi jasnoće. a, Strujno-naponske karakteristike YBCO izmjerene laserskom tačkom postavljenom na katodi (i). Sve IV krive su horizontalne prave linije koje ukazuju da je uzorak još uvijek supravodljiv uz lasersko zračenje. Kriva se pomiče naniže sa povećanjem intenziteta lasera, što ukazuje da postoji negativan potencijal (Voc) između dva napona čak i sa nultom strujom. IV krive ostaju nepromijenjene kada je laser usmjeren u centar uzorka na etar 50 K (b) ili 300 K (f). Horizontalna linija se pomiče prema gore kako je anoda osvijetljena (c). Šematski model spoja metal-supervodič na 50 K prikazan je na d. Strujno-naponske karakteristike normalnog stanja YBCO na 300 K mjerene laserskim snopom usmjerenim na katodu i anodu date su u e i g. Za razliku od rezultata na 50 K, nagib pravih linija različit od nule ukazuje da je YBCO u normalnom stanju; vrijednosti Voc variraju sa intenzitetom svjetlosti u suprotnom smjeru, što ukazuje na drugačiji mehanizam razdvajanja naboja. Moguća struktura interfejsa na 300 K prikazana je u hj Prava slika uzorka sa vodovima.
YBCO bogat kisikom u supravodljivom stanju može apsorbirati gotovo cijeli spektar sunčeve svjetlosti zbog svog vrlo malog energetskog jaza (Eg)9,10, stvarajući tako parove elektron-rupa (e–h). Da bi se proizveo napon otvorenog kola Voc apsorpcijom fotona, potrebno je prostorno razdvojiti foto generirane eh parove prije nego što dođe do rekombinacije18. Negativan Voc, u odnosu na katodu i anodu, kao što je prikazano na slici 1i, sugerira da postoji električni potencijal preko sučelja metal-superprovodnik, koji odvodi elektrone do anode i rupe do katode. Ako je to slučaj, također bi trebao postojati potencijal usmjeren od supravodiča prema metalnoj elektrodi na anodi. Posljedično, pozitivan Voc bi se dobio ako je područje uzorka u blizini anode osvijetljeno. Nadalje, ne bi trebalo biti foto-induciranih napona kada je laserska tačka usmjerena na područja udaljena od elektroda. To je svakako slučaj kao što se može vidjeti sa slike 1b,c!.
Kada se svjetlosna tačka pomjeri od katodne elektrode do centra uzorka (oko 1,25 mm odvojeno od sučelja), ne mogu se uočiti varijacije IV krivulja i Voc s povećanjem intenziteta lasera do maksimalne dostupne vrijednosti (slika 1b) . Naravno, ovaj rezultat se može pripisati ograničenom vijeku trajanja foto-induciranih nosača i nedostatku sile razdvajanja u uzorku. Parovi elektron-rupa mogu se stvoriti kad god je uzorak osvijetljen, ali većina e-h parova će biti uništena i fotonaponski efekat se ne opaža ako laserska mrlja padne na područja koja su udaljena od bilo koje elektrode. Pomerajući lasersku tačku do anodnih elektroda, IV krive paralelne sa I-osi pomeraju se nagore sa povećanjem intenziteta lasera (slika 1c). Slično ugrađeno električno polje postoji u spoju metal-superprovodnik na anodi. Međutim, ovaj put se metalna elektroda spaja na pozitivni vod test sistema. Rupe proizvedene laserom se guraju na anodni vod i tako se opaža pozitivan Voc. Ovdje predstavljeni rezultati pružaju snažne dokaze da zaista postoji interfejs potencijal koji pokazuje od supravodiča do metalne elektrode.
Fotonaponski efekat u keramici YBa2Cu3O6.96 na 300 K prikazan je na slici 1e–g. Bez svjetlosnog osvjetljenja, IV kriva uzorka je prava linija koja prelazi početak. Ova prava linija se kreće prema gore paralelno sa originalnom sa povećanjem intenziteta lasera koji zrači na katodnim izvodima (slika 1e). Postoje dva ograničavajuća slučaja od interesa za fotonaponski uređaj. Uvjet kratkog spoja se javlja kada je V = 0. Struja u ovom slučaju se naziva struja kratkog spoja (Isc). Drugi granični slučaj je uslov otvorenog kola (Voc) koji se javlja kada je R→∞ ili struja nula. Slika 1e jasno pokazuje da je Voc pozitivan i da raste sa povećanjem intenziteta svetlosti, za razliku od rezultata dobijenog na 50 K; dok je negativan Isc uočen kako se povećava sa svjetlosnim osvjetljenjem, što je tipično ponašanje normalnih solarnih ćelija.
Slično, kada je laserski snop usmjeren na područja udaljena od elektroda, V(I) kriva je nezavisna od intenziteta lasera i ne dolazi do pojave fotonaponskog efekta (slika 1f). Slično merenju na 50 K, IV krive se pomeraju u suprotnom smeru kako se anodna elektroda ozrači (slika 1g). Svi ovi rezultati dobijeni za ovaj sistem YBCO-Ag paste na 300 K sa laserom ozračenim na različitim pozicijama uzorka su u skladu sa potencijalom interfejsa koji je suprotan onom uočenom na 50 K.
Većina elektrona kondenzira se u Cooperovim parovima u supravodljivom YBCO ispod njegove prijelazne temperature Tc. Dok su u metalnoj elektrodi, svi elektroni ostaju u singularnom obliku. Postoji veliki gradijent gustine i za singularne elektrone i za Cooper parove u blizini interfejsa metal-superprovodnik. Singularni elektroni većinskog nosioca u metalnom materijalu će difundirati u oblast supravodnika, dok će Cooper-parovi većinskog nosioca u YBCO regionu difundovati u oblast metala. Kako Cooperovi parovi koji nose više naboja i koji imaju veću mobilnost od pojedinačnih elektrona difundiraju iz YBCO u metalnu regiju, pozitivno nabijeni atomi ostaju iza, što rezultira električnim poljem u području prostornog naboja. Smjer ovog električnog polja prikazan je na šematskom dijagramu Fig. 1d. Incidentno fotonsko osvjetljenje u blizini područja prostornog naboja može stvoriti eh parove koji će se razdvojiti i izbaciti stvarajući fotostruju u smjeru obrnutog prednapona. Čim elektroni izađu iz ugrađenog električnog polja, kondenziraju se u parove i teku do druge elektrode bez otpora. U ovom slučaju, Voc je suprotan unaprijed postavljenom polaritetu i prikazuje negativnu vrijednost kada laserski snop ukaže na područje oko negativne elektrode. Iz vrijednosti Voc može se procijeniti potencijal preko interfejsa: udaljenost između dva napona d je ~5 × 10−3 m, debljina interfejsa metal-superprovodnik, di, treba da bude istog reda veličine kao dužinu koherentnosti YBCO supravodiča (~1 nm)19,20 uzmite vrijednost Voc = 0,03 mV, potencijal Vms na Interfejs metal-superprovodnik je procenjen na ~10−11 V na 50 K sa intenzitetom lasera od 502 mW/cm2, koristeći jednačinu,
Ovdje želimo naglasiti da se foto-inducirani napon ne može objasniti fototermalnim efektom. Eksperimentalno je utvrđeno da je Seebekov koeficijent supravodiča YBCO Ss = 021. Seebeck koeficijent za bakarne olovne žice je u rasponu od SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperatura bakarne žice na laserskoj tački može se povećati za malu količinu od 0,06 K sa maksimalnim laserskim intenzitetom dostupnim na 50 K. Ovo bi moglo proizvesti termoelektrični potencijal od 6,9 × 10−8 V, što je tri reda veličine manje od Voc dobijen na slici 1 (a). Očigledno je da je termoelektrični efekat premali da bi se objasnili eksperimentalni rezultati. Zapravo, varijacija temperature zbog laserskog zračenja nestala bi za manje od jedne minute, tako da se doprinos toplinskog efekta može bezbedno zanemariti.
Ovaj fotonaponski efekat YBCO na sobnoj temperaturi otkriva da je ovde uključen drugačiji mehanizam razdvajanja naelektrisanja. Superprovodljivi YBCO u normalnom stanju je materijal p-tipa sa rupama kao nosačem naboja22,23, dok metalna Ag-pasta ima karakteristike materijala n-tipa. Slično kao kod pn spojeva, difuzija elektrona u srebrnoj pasti i rupama u YBCO keramici će formirati unutrašnje električno polje koje ukazuje na YBCO keramiku na međusklopu (slika 1h). To je unutrašnje polje koje obezbeđuje silu razdvajanja i dovodi do pozitivnog Voc i negativnog Isc za sistem YBCO-Ag paste na sobnoj temperaturi, kao što je prikazano na slici 1e. Alternativno, Ag-YBCO bi mogao formirati Schottkyjev spoj p-tipa koji također dovodi do interfejs potencijala sa istim polaritetom kao u modelu predstavljenom iznad24.
Da bi se istražio detaljan proces evolucije fotonaponskih svojstava tokom supravodljive tranzicije YBCO, IV krive uzorka na 80 K su izmjerene sa odabranim intenzitetima lasera koji osvjetljavaju katodnu elektrodu (slika 2). Bez laserskog zračenja, napon na uzorku ostaje na nuli bez obzira na struju, što ukazuje na supravodljivo stanje uzorka na 80 K (slika 2a). Slično podacima dobijenim na 50 K, IV krive paralelne sa I-osi pomiču se naniže sa povećanjem intenziteta lasera sve dok se ne postigne kritična vrijednost Pc. Iznad ovog kritičnog intenziteta lasera (Pc), superprovodnik prolazi kroz prelaz iz supravodljive faze u otpornu fazu; napon počinje da raste sa strujom zbog pojave otpora u supraprovodniku. Kao rezultat toga, IV kriva počinje da se siječe sa I-osom i V-osom što dovodi do negativnog Voc i pozitivnog Isc u početku. Sada se čini da je uzorak u posebnom stanju u kojem je polaritet Voc i Isc izuzetno osjetljiv na intenzitet svjetlosti; sa vrlo malim povećanjem intenziteta svjetlosti Isc se pretvara iz pozitivne u negativnu, a Voc iz negativne u pozitivnu vrijednost, prolazeći početnu vrijednost (visoka osjetljivost fotonaponskih svojstava, posebno vrijednost Isc, na svjetlosno osvjetljenje može se jasnije vidjeti na Sl. 2b). Pri najvećem dostupnom intenzitetu lasera, IV krive imaju namjeru da budu paralelne jedna s drugom, što označava normalno stanje YBCO uzorka.
Centar laserske tačke je pozicioniran oko katodnih elektroda (vidi sliku 1i). a, IV krive YBCO ozračene različitim intenzitetima lasera. b (gore), Zavisnost intenziteta lasera napona otvorenog kola Voc i struje kratkog spoja Isc. Vrijednosti Isc se ne mogu dobiti pri niskom intenzitetu svjetlosti (< 110 mW/cm2) jer su IV krive paralelne sa I-osom kada je uzorak u supravodljivom stanju. b (dole), diferencijalni otpor kao funkcija intenziteta lasera.
Zavisnost intenziteta lasera Voc i Isc na 80 K prikazana je na slici 2b (gore). Fotonaponska svojstva mogu se raspravljati u tri područja intenziteta svjetlosti. Prva oblast je između 0 i Pc, u kojoj je YBCO supravodljiv, Voc je negativan i opada (apsolutna vrednost raste) sa intenzitetom svetlosti i dostizanjem minimuma na Pc. Drugi region je od Pc do drugog kritičnog intenziteta P0, u kojem se Voc povećava dok Isc opada sa povećanjem intenziteta svetlosti i oba dostižu nulu na P0. Treći region je iznad P0 dok se ne postigne normalno stanje YBCO. Iako i Voc i Isc variraju sa intenzitetom svetlosti na isti način kao u regionu 2, oni imaju suprotan polaritet iznad kritičnog intenziteta P0. Značaj P0 leži u tome što nema fotonaponskog efekta i mehanizam razdvajanja naboja se kvalitativno mijenja u ovoj konkretnoj tački. YBCO uzorak postaje nesuperprovodljiv u ovom opsegu intenziteta svjetlosti, ali normalno stanje tek treba postići.
Jasno je da su fotonaponske karakteristike sistema usko povezane sa supravodljivošću YBCO i njegovom supravodljivom tranzicijom. Diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO je prikazan na slici 2b (dole) kao funkcija intenziteta lasera. Kao što je ranije spomenuto, ugrađeni električni potencijal u interfejsu zbog difuznih tačaka Cooperovog para od supraprovodnika do metala. Slično onom uočenom na 50 K, fotonaponski efekat se pojačava povećanjem intenziteta lasera od 0 do Pc. Kada intenzitet lasera dostigne vrijednost nešto iznad Pc, IV kriva počinje da se naginje i otpor uzorka počinje da se pojavljuje, ali polaritet interfejs potencijala još nije promijenjen. Uticaj optičke ekscitacije na supravodljivost je istražen u vidljivom ili bliskom IR području. Dok je osnovni proces razbijanje Cooperovih parova i uništavanje supravodljivosti25,26, u nekim slučajevima prijelaz supravodljivosti može biti poboljšan27,28,29, čak se mogu inducirati nove faze supravodljivosti30. Odsustvo supravodljivosti na Pc može se pripisati foto-induciranom kidanju para. U tački P0, potencijal preko interfejsa postaje nula, što ukazuje da gustina naelektrisanja na obe strane interfejsa dostiže isti nivo pod ovim posebnim intenzitetom osvetljenja svetlosti. Dalje povećanje intenziteta lasera dovodi do uništenja više Cooper parova i YBCO se postepeno transformiše nazad u materijal p-tipa. Umjesto difuzije elektrona i Cooperovog para, karakteristika sučelja je sada određena difuzijom elektrona i rupa što dovodi do preokreta polariteta električnog polja u interfejsu i posljedično pozitivnog Voc (uporedi Sl.1d,h). Pri vrlo visokom intenzitetu lasera, diferencijalna otpornost YBCO zasićuje se do vrijednosti koja odgovara normalnom stanju i i Voc i Isc imaju tendenciju da variraju linearno s intenzitetom lasera (slika 2b). Ovo zapažanje otkriva da lasersko zračenje u normalnom stanju YBCO više neće promijeniti njegovu otpornost i karakteristike supravodič-metal interfejsa, već samo povećati koncentraciju parova elektron-rupa.
Da bi se ispitao uticaj temperature na fotonaponska svojstva, sistem metal-superprovodnik je na katodi ozračen plavim laserom intenziteta 502 mW/cm2. IV krive dobijene na odabranim temperaturama između 50 i 300 K date su na slici 3a. Napon otvorenog kola Voc, struja kratkog spoja Isc i diferencijalni otpor se tada mogu dobiti iz ovih IV krivulja i prikazani su na slici 3b. Bez svetlosnog osvetljenja, sve IV krive merene na različitim temperaturama prolaze ishodište kako se očekivalo (umetak na slici 3a). IV karakteristike se drastično menjaju sa povećanjem temperature kada je sistem osvetljen relativno jakim laserskim snopom (502 mW/cm2). Na niskim temperaturama IV krive su prave linije paralelne sa I-osi sa negativnim vrijednostima Voc. Ova kriva se pomiče prema gore sa porastom temperature i postepeno prelazi u liniju sa nagibom različitom od nule na kritičnoj temperaturi Tcp (slika 3a (gore)). Čini se da se sve IV karakteristične krive rotiraju oko tačke u trećem kvadrantu. Voc se povećava s negativne vrijednosti na pozitivnu, dok se Isc smanjuje s pozitivne na negativnu vrijednost. Iznad originalne supravodljive prelazne temperature Tc YBCO, IV kriva se prilično različito mijenja s temperaturom (donji dio slike 3a). Prvo, centar rotacije IV krivulja pomiče se u prvi kvadrant. Drugo, Voc nastavlja da opada, a Isc raste sa porastom temperature (vrh slike 3b). Treće, nagib IV krivulje raste linearno sa temperaturom što rezultira pozitivnim temperaturnim koeficijentom otpora za YBCO (dolje na slici 3b).
Temperaturna zavisnost fotonaponskih karakteristika za sistem YBCO-Ag paste pod laserskim osvjetljenjem od 502 mW/cm2.
Centar laserske tačke je pozicioniran oko katodnih elektroda (vidi sliku 1i). a, IV krive dobijene od 50 do 90 K (gore) i od 100 do 300 K (dole) sa prirastom temperature od 5 K i 20 K, respektivno. Umetak a prikazuje IV karakteristike na nekoliko temperatura u mraku. Sve krive prelaze početnu tačku. b, napon otvorenog kola Voc i struja kratkog spoja Isc (gore) i diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO (dole) kao funkcija temperature. Temperatura supravodljivog prelaza nulte otpornosti Tcp nije data jer je preblizu Tc0.
Na slici 3b se mogu prepoznati tri kritične temperature: Tcp, iznad koje YBCO postaje nesuperprovodljiv; Tc0, pri kojoj i Voc i Isc postaju nula i Tc, prvobitna supravodljiva prelazna temperatura YBCO bez laserskog zračenja. Ispod Tcp ~ 55 K, laserski ozračeni YBCO je u supravodljivom stanju sa relativno visokom koncentracijom Cooperovih parova. Efekat laserskog zračenja je smanjenje temperature supravodljivog prelaza nulte otpornosti sa 89 K na ~55 K (dole slike 3b) smanjenjem koncentracije Cooperovog para uz proizvodnju fotonaponskog napona i struje. Povećanje temperature takođe razgrađuje Cooper parove što dovodi do nižeg potencijala u interfejsu. Posljedično, apsolutna vrijednost Voc će postati manja, iako se primjenjuje isti intenzitet laserskog osvjetljenja. Potencijal interfejsa će postajati sve manji sa daljim povećanjem temperature i dostići nulu na Tc0. U ovoj posebnoj tački nema fotonaponskog efekta jer ne postoji unutrašnje polje koje bi razdvajalo foto-inducirane parove elektron-rupa. Obrnuti polaritet potencijala se dešava iznad ove kritične temperature jer je gustina slobodnog naboja u Ag pasti veća od one u YBCO koja se postepeno prenosi nazad na materijal p-tipa. Ovdje želimo naglasiti da se preokret polariteta Voc i Isc događa odmah nakon supravodljive tranzicije nultog otpora, bez obzira na uzrok prijelaza. Ovo zapažanje jasno otkriva, po prvi put, korelaciju između supravodljivosti i fotonaponskih efekata povezanih sa potencijalom sučelja metal-superprovodnik. Priroda ovog potencijala preko interfejsa supravodič-normalni metal bila je u fokusu istraživanja poslednjih nekoliko decenija, ali postoji mnogo pitanja koja još uvek čekaju na odgovor. Mjerenje fotonaponskog efekta može se pokazati kao efikasan metod za istraživanje detalja (kao što su njegova snaga i polaritet itd.) ovog važnog potencijala i stoga rasvjetljava visokotemperaturni supravodljivi efekat blizine.
Dalje povećanje temperature od Tc0 do Tc dovodi do manje koncentracije Cooperovih parova i povećanja potencijala sučelja i posljedično većeg Voc. Na Tc koncentracija Cooperovog para postaje nula, a ugrađeni potencijal na interfejsu dostiže maksimum, što rezultira maksimalnim Voc i minimalnim Isc. Brzo povećanje Voc i Isc (apsolutna vrijednost) u ovom temperaturnom rasponu odgovara supravodljivom prijelazu koji se širi od ΔT ~ 3 K na ~34 K laserskim zračenjem intenziteta 502 mW/cm2 (slika 3b). U normalnim stanjima iznad Tc, napon otvorenog kola Voc opada sa temperaturom (vrh slike 3b), slično linearnom ponašanju Voc za normalne solarne ćelije zasnovane na pn spojevima31,32,33. Iako je brzina promjene Voc s temperaturom (−dVoc/dT), koja jako ovisi o intenzitetu lasera, mnogo manja od one kod normalnih solarnih ćelija, temperaturni koeficijent Voc za YBCO-Ag spoj ima isti red veličine kao i solarnih ćelija. Struja curenja pn spoja za normalan uređaj sa solarnim ćelijama raste s povećanjem temperature, što dovodi do smanjenja Voc kako temperatura raste. Linearne IV krive uočene za ovaj sistem Ag-superprovodnika, zbog prvo vrlo malog potencijala interfejsa, a drugo, back-to-back veze dva heterospojnika, otežava određivanje struje curenja. Ipak, vrlo je vjerovatno da je ista temperaturna ovisnost struje curenja odgovorna za ponašanje Voc uočeno u našem eksperimentu. Prema definiciji, Isc je struja potrebna za proizvodnju negativnog napona za kompenzaciju Voc tako da je ukupni napon nula. Kako temperatura raste, Voc postaje manji tako da je potrebna manja struja za proizvodnju negativnog napona. Nadalje, otpor YBCO raste linearno s temperaturom iznad Tc (donji dio slike 3b), što također doprinosi manjoj apsolutnoj vrijednosti Isc na visokim temperaturama.
Primijetite da su rezultati dati na slikama 2,3 dobijeni laserskim zračenjem na području oko katodnih elektroda. Merenja su takođe ponovljena sa laserskom tačkom postavljenom na anodi i uočene su slične IV karakteristike i fotonaponska svojstva, osim što je polaritet Voc i Isc u ovom slučaju obrnut. Svi ovi podaci dovode do mehanizma za fotonaponski efekat, koji je usko povezan sa supravodič-metal interfejsom.
Ukratko, IV karakteristike laserski ozračenog supravodljivog YBCO-Ag paste sistema su izmjerene kao funkcije temperature i intenziteta lasera. Izvanredan fotonaponski efekat je uočen u temperaturnom opsegu od 50 do 300 K. Utvrđeno je da fotonaponska svojstva snažno koreliraju sa supravodljivošću YBCO keramike. Obrnuti polaritet Voc i Isc događa se odmah nakon foto-inducirane supravodljive tranzicije u nesuperprovodnu. Temperaturna zavisnost Voc i Isc mjerena pri fiksnom intenzitetu lasera također pokazuje izraženu promjenu polariteta na kritičnoj temperaturi iznad koje uzorak postaje otporan. Lociranjem laserske mrlje na različitim dijelovima uzorka, pokazujemo da postoji električni potencijal preko sučelja, koji obezbjeđuje silu razdvajanja foto-induciranih parova elektron-rupa. Ovaj potencijal sučelja usmjerava se od YBCO prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotnom smjeru kada uzorak postane nesupravodljiv. Poreklo potencijala može biti prirodno povezano sa efektom blizine na interfejsu metal-superprovodnik kada je YBCO supravodljiv i procenjuje se da iznosi ~10-8 mV na 50 K sa intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kontakt p-tipa materijala YBCO u normalnom stanju sa n-tipom materijala Ag-paste formira kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Gornja zapažanja bacaju svjetlo na PV efekat u visokotemperaturnoj supravodljivoj YBCO keramici i otvaraju put novim aplikacijama u optoelektronskim uređajima kao što su brzi pasivni detektor svjetlosti i detektor jednog fotona.
Eksperimenti fotonaponskog efekta izvedeni su na uzorku keramike YBCO debljine 0,52 mm i pravokutnog oblika 8,64 × 2,26 mm2 i osvjetljenim kontinuiranim talasnim plavim laserom (λ = 450 nm) s veličinom laserske mrlje od 1,25 mm u radijusu. Korištenje uzorka masivnog umjesto tankog filma omogućava nam proučavanje fotonaponskih svojstava supravodnika bez potrebe da se bavimo složenim utjecajem supstrata6,7. Štaviše, rasuti materijal bi mogao biti pogodan za njegovu jednostavnu proceduru pripreme i relativno nisku cijenu. Bakrene olovne žice su koherirane na YBCO uzorku sa srebrnom pastom formirajući četiri kružne elektrode prečnika oko 1 mm. Udaljenost između dvije naponske elektrode je oko 5 mm. IV karakteristike uzorka merene su pomoću magnetometra za vibracioni uzorak (VersaLab, Quantum Design) sa prozorom od kvarcnog kristala. Za dobivanje IV krivulja korištena je standardna četverožilna metoda. Relativni položaji elektroda i laserske tačke prikazani su na slici 1i.
Kako citirati ovaj članak: Yang, F. et al. Nastanak fotonaponskog efekta u supravodljivoj keramici YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Laserski inducirani naponi zabranjeni simetrijom u YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Poreklo anomalnog fotonaponskog signala u Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Mjerenje laserski induciranih napona supravodljivog Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Prolazni laserski inducirani naponi u filmovima YBa2Cu3O7-x sobne temperature. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomalni fotonaponski odziv u YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenerisana injekcija nosača rupe u YBa2Cu3O7−x u oksidnoj heterostrukturi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Studija fotoemisije tankih filmova YBa2Cu3Oy pod svjetlosnim osvjetljenjem. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotonaponski efekat YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterospojnice žarene u različitim parcijalnim tlakom kisika. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA i dr. Dvostruka struktura u monokristalima Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. i Mihailović, D. Dinamika relaksacije kvazičestica u supraprovodnicima sa različitim strukturama procepa: Teorija i eksperimenti na YBa2Cu3O7-δ . Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Ispravljajuća svojstva heterospojnice YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitonska apsorpcija i supravodljivost u YBa2Cu3O7-δ . Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Prolazna fotoindukovana provodljivost u poluvodičkim monokristalima YBa2Cu3O6.3: traženje fotoindukovanog metalnog stanja i fotoindukovane supravodljivosti. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunelski model efekta supravodljive blizine. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Efekt superprovodne blizine ispitan na mezoskopskoj skali dužine. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efekat blizine sa necentrosimetričnim supravodičima. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Snažan supravodljivi efekat blizine u Pb-Bi2Te3 hibridnim strukturama. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Nova fotoćelija sa silikonskim pn spojem za pretvaranje sunčevog zračenja u električnu energiju. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efekti nečistoća na dužinu supravodljive koherencije u monokristalima YBa2Cu3O6.9 dopiranim Zn ili Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetorootpornost neudvojenih monokristala YBa2Cu3Oy u širokom rasponu dopinga: anomalna ovisnost dužine koherencije o dopiranju rupa. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika u termoelektričnoj snazi visoko-T oksida. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Pomak koherentnog pika i LO fononskog moda u visokoTc supravodičima p-tipa. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Redukcija rupa i akumulacija elektrona u tankim filmovima YBa2Cu3Oy primjenom elektrohemijske tehnike: Dokaz za metalno stanje n-tipa. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizika i hemija visine Schottky barijere. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efekti dinamičkog razbijanja vanjskog para u supravodljivim filmovima. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoindukovano povećanje supravodljivosti. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI i dr. Perzistentna fotoprovodljivost u YBa2Cu3O6+x filmovima kao metoda fotodopinga prema metalnim i supravodljivim fazama. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Nelinearna dinamika rešetke kao osnova za povećanu supravodljivost u YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Svjetlo-inducirana supravodljivost u kupratu uređenom prugama. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Temperaturna funkcionalna zavisnost VOC-a za solarnu ćeliju u odnosu na njenu efikasnost Novi pristup. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperaturni efekti u silicijumskim solarnim ćelijama Schottky barijere. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturna zavisnost parametara fotonaponskih uređaja polimer-fuleren solarnih ćelija u radnim uslovima. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Ovaj rad je podržan od strane Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (grant br. 60571063), Projekti fundamentalnih istraživanja provincije Henan, Kina (grant br. 122300410231).
FY je napisao tekst rada, a MYH je pripremio YBCO keramički uzorak. FY i MYH su izveli eksperiment i analizirali rezultate. FGC je vodio projekat i naučnu interpretaciju podataka. Svi autori su pregledali rukopis.
Ovo djelo je licencirano pod međunarodnom licencom Creative Commons Attribution 4.0. Slike ili drugi materijal treće strane u ovom članku uključeni su u Creative Commons licencu za članak, osim ako nije drugačije naznačeno u kreditnoj liniji; ako materijal nije uključen pod licencom Creative Commons, korisnici će morati da dobiju dozvolu od vlasnika licence za reprodukciju materijala. Da vidite kopiju ove licence, posjetite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Poreklo fotonaponskog efekta u supravodljivoj YBa2Cu3O6.96 keramici. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Slanjem komentara slažete se da ćete se pridržavati naših Uslova i Smjernica zajednice. Ako pronađete nešto uvredljivo ili što nije u skladu s našim uvjetima ili smjernicama, označite to kao neprikladno.
Vrijeme objave: Apr-22-2020