Oprindelsen af ​​fotovoltaisk effekt i superledende YBa 2 Cu 3 O 6.96 keramik

Tak fordi du besøgte nature.com. Du bruger en browserversion med begrænset understøttelse af CSS. For at få den bedste oplevelse anbefaler vi, at du bruger en mere opdateret browser (eller slår kompatibilitetstilstand fra i Internet Explorer). I mellemtiden, for at sikre fortsat support, viser vi siden uden typografier og JavaScript.

Vi rapporterer bemærkelsesværdig fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellem 50 og 300 K induceret af blå-laserbelysning, som er direkte relateret til superledningsevnen af ​​YBCO og YBCO-metallisk elektrodegrænseflade. Der er en polaritetsvending for den åbne kredsløbsspænding Voc og kortslutningsstrømmen Isc, når YBCO gennemgår en overgang fra superledende til resistiv tilstand. Vi viser, at der eksisterer et elektrisk potentiale på tværs af superleder-normal metal-grænsefladen, som giver separationskraften for de foto-inducerede elektron-hul-par. Dette grænsefladepotentiale leder fra YBCO til metalelektroden, når YBCO er superledende, og skifter til den modsatte retning, når YBCO bliver ikke-superledende. Potentialets oprindelse kan let associeres med nærhedseffekten ved metal-superledergrænsefladen, når YBCO er superledende, og dens værdi estimeres til at være ~10-8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombination af et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner en kvasi-pn forbindelse, som er ansvarlig for den fotovoltaiske opførsel af YBCO keramik ved høje temperaturer. Vores resultater kan bane vejen for nye anvendelser af foton-elektroniske enheder og kaste yderligere lys over nærhedseffekten ved superleder-metal-grænsefladen.

Foto-induceret spænding i højtemperatur-superledere er blevet rapporteret i begyndelsen af ​​1990'erne og grundigt undersøgt lige siden, men dens natur og mekanisme forbliver uafklarede1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tynde film6,7,8 er især intensivt undersøgt i form af fotovoltaiske (PV) celler på grund af dens justerbare energigab9,10,11,12,13. Imidlertid fører høj modstand af substratet altid til en lav konverteringseffektivitet af enheden og maskerer de primære PV-egenskaber af YBCO8. Her rapporterer vi bemærkelsesværdig fotovoltaisk effekt induceret af blå-laser (λ = 450 nm) belysning i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramik mellem 50 og 300 K (Tc ~ 90 K). Vi viser, at PV-effekten er direkte relateret til superledningsevnen af ​​YBCO og arten af ​​den YBCO-metalliske elektrodegrænseflade. Der er en polaritetsvending for den åbne kredsløbsspænding Voc og kortslutningsstrømmen Isc, når YBCO gennemgår en overgang fra superledende fase til en resistiv tilstand. Det foreslås, at der eksisterer et elektrisk potentiale over superleder-normal metalgrænsefladen, som tilvejebringer separationskraften for de foto-inducerede elektron-hul-par. Dette grænsefladepotentiale leder fra YBCO til metalelektroden, når YBCO er superledende, og skifter til den modsatte retning, når prøven bliver ikke-superledende. Potentialets oprindelse kan være naturligt forbundet med nærhedseffekten14,15,16,17 ved metal-superledergrænsefladen, når YBCO er superledende, og dens værdi estimeres til at være ~10−8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW /cm2. Kombination af et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner højst sandsynligt en kvasi-pn-forbindelse, som er ansvarlig for PV-adfærden af ​​YBCO-keramik ved høje temperaturer. Vores observationer kaster yderligere lys over oprindelsen af ​​PV-effekt i højtemperatursuperledende YBCO-keramik og baner vejen for dens anvendelse i optoelektroniske enheder såsom hurtig passiv lysdetektor osv.

Figur 1a-c viser, at IV-egenskaberne for YBCO-keramisk prøve ved 50 K. Uden lysbelysning forbliver spændingen over prøven på nul med skiftende strøm, som det kan forventes af et superledende materiale. En åbenlys fotovoltaisk effekt opstår, når laserstrålen rettes mod katoden (fig. 1a): IV-kurverne parallelt med I-aksen bevæger sig nedad med stigende laserintensitet. Det er tydeligt, at der er en negativ foto-induceret spænding selv uden nogen strøm (ofte kaldet åben kredsløbsspænding Voc). Nulhældningen af ​​IV-kurven indikerer, at prøven stadig er superledende under laserbelysning.

(a–c) og 300 K (e–g). Værdier af V(I) blev opnået ved at feje strømmen fra -10 mA til +10 mA i vakuum. Kun en del af de eksperimentelle data præsenteres for overskuelighedens skyld. a, Strømspændingskarakteristika for YBCO målt med laserplet placeret ved katoden (i). Alle IV-kurverne er vandrette lige linjer, hvilket indikerer, at prøven stadig er superledende med laserbestråling. Kurven bevæger sig nedad med stigende laserintensitet, hvilket indikerer, at der eksisterer et negativt potentiale (Voc) mellem de to spændingsledninger selv med nul strøm. IV-kurverne forbliver uændrede, når laseren er rettet mod midten af ​​prøven ved ether 50 K (b) eller 300 K (f). Den vandrette linje bevæger sig opad, når anoden belyses (c). En skematisk model af metal-superlederforbindelse ved 50 K er vist i d. Strømspændingskarakteristika for normaltilstand YBCO ved 300 K målt med laserstråle rettet mod katode og anode er angivet i henholdsvis e og g. I modsætning til resultaterne ved 50 K indikerer hældning fra nul for de rette linjer, at YBCO er i normal tilstand; værdierne af Voc varierer med lysintensiteten i modsat retning, hvilket indikerer en anden ladningsadskillelsesmekanisme. En mulig grænsefladestruktur ved 300 K er afbildet i hj Det virkelige billede af prøven med afledninger.

Iltrig YBCO i superledende tilstand kan absorbere næsten hele spektret af sollys på grund af dets meget lille energigab (Eg)9,10 og derved skabe elektron-hul-par (e–h). For at producere en åben kredsløbsspænding Voc ved absorption af fotoner, er det nødvendigt at rumligt adskille fotogenererede eh-par, før rekombination finder sted18. Den negative Voc i forhold til katoden og anoden som vist i fig. 1i antyder, at der eksisterer et elektrisk potentiale over metal-superleder-grænsefladen, som fejer elektronerne til anoden og huller til katoden. Hvis dette er tilfældet, bør der også være et potentiale, der peger fra superleder til metalelektroden ved anoden. Følgelig ville en positiv Voc blive opnået, hvis prøveområdet nær anoden er oplyst. Desuden bør der ikke være nogen foto-inducerede spændinger, når laserpletten peger mod områder langt fra elektroderne. Det er bestemt tilfældet, som det kan ses af fig. 1b,c!.

Når lyspletten bevæger sig fra katodeelektroden til midten af ​​prøven (ca. 1,25 mm fra hinanden fra grænsefladerne), kan ingen variation af IV-kurver og ingen Voc observeres med stigende laserintensitet til den maksimale tilgængelige værdi (fig. 1b). . Naturligvis kan dette resultat tilskrives den begrænsede levetid af foto-inducerede bærere og manglen på separationskraft i prøven. Elektron-hul-par kan oprettes, når prøven er belyst, men de fleste af e–h-parrene vil blive tilintetgjort, og der observeres ingen fotovoltaisk effekt, hvis laserpletten falder på områder langt væk fra nogen af ​​elektroderne. Når laserpletten flyttes til anodeelektroderne, bevæger IV-kurverne parallelt med I-aksen sig opad med stigende laserintensitet (fig. 1c). Lignende indbygget elektrisk felt findes i metal-superlederforbindelsen ved anoden. Imidlertid forbinder den metalliske elektrode til testsystemets positive ledning denne gang. Hullerne produceret af laseren skubbes til anodeledningen og dermed observeres en positiv Voc. Resultaterne præsenteret her giver stærke beviser for, at der faktisk eksisterer et grænsefladepotentiale, der peger fra superlederen til metalelektroden.

Fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 keramik ved 300 K er vist i fig. 1e–g. Uden lysbelysning er IV-kurven af ​​prøven en lige linje, der krydser oprindelsen. Denne lige linje bevæger sig opad parallelt med den oprindelige med stigende laserintensitet, der bestråler ved katodeledningerne (fig. 1e). Der er to begrænsende tilfælde af interesse for en fotovoltaisk enhed. Kortslutningstilstanden opstår, når V = 0. Strømmen omtales i dette tilfælde som kortslutningsstrømmen (Isc). Det andet begrænsningstilfælde er tomgangstilstanden (Voc), som opstår, når R→∞ eller strømmen er nul. Figur 1e viser tydeligt, at Voc er positiv og stiger med stigende lysintensitet i modsætning til resultatet opnået ved 50 K; mens en negativ Isc observeres at stige i størrelse med lysbelysning, en typisk adfærd for normale solceller.

Tilsvarende, når laserstrålen peges på områder langt væk fra elektroderne, er V(I)-kurven uafhængig af laserintensiteten, og der er ingen fotovoltaisk effekt (fig. 1f). I lighed med målingen ved 50 K, bevæger IV-kurverne sig i den modsatte retning, når anodeelektroden bestråles (fig. 1g). Alle disse resultater opnået for dette YBCO-Ag-pastasystem ved 300 K med laser bestrålet i forskellige positioner af prøven er i overensstemmelse med et grænsefladepotentiale, der er modsat det, der er observeret ved 50 K.

De fleste elektroner kondenserer i Cooper-par i superledende YBCO under dens overgangstemperatur Tc. Mens de er i metalelektroden, forbliver alle elektronerne i entalsform. Der er en stor tæthedsgradient for både singulære elektroner og Cooper-par i nærheden af ​​metal-superleder-grænsefladen. Flertalsbærer-singulære elektroner i metallisk materiale vil diffundere ind i superlederområdet, hvorimod flertalsbærer-Cooper-par i YBCO-området vil diffundere ind i metalområdet. Da Cooper-par, der bærer flere ladninger og har en større mobilitet end enkeltelektroner, diffunderer fra YBCO ind i det metalliske område, efterlades positivt ladede atomer, hvilket resulterer i et elektrisk felt i rumladningsområdet. Retningen af ​​dette elektriske felt er vist i det skematiske diagram, fig. 1d. Indfaldende fotonbelysning nær rumladningsområdet kan skabe eh-par, der vil blive adskilt og fejet ud og producere en fotostrøm i den omvendte forspændingsretning. Så snart elektronerne kommer ud af det indbyggede elektriske felt, kondenseres de i par og strømmer til den anden elektrode uden modstand. I dette tilfælde er Voc modsat den forudindstillede polaritet og viser en negativ værdi, når laserstrålen peger på området omkring den negative elektrode. Ud fra værdien af ​​Voc kan potentialet over grænsefladen estimeres: afstanden mellem de to spændingsledninger d er ~5 × 10−3 m, tykkelsen af ​​metal-superledergrænsefladen, di, skal være i samme størrelsesorden da kohærenslængden af ​​YBCO-superleder (~1 nm)19,20 tager værdien af ​​Voc = 0,03 mV, vurderes potentialet Vms ved metal-superledergrænsefladen til at være ~10−11 V ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2, ved hjælp af ligning,

Vi vil her understrege, at den foto-inducerede spænding ikke kan forklares med fototermisk effekt. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at Seebeck-koefficienten for superleder YBCO er Ss = 021. Seebeck-koefficienten for kobberledningstråde ligger i området SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperaturen af ​​kobbertråden ved laserpunktet kan hæves med en lille mængde på 0,06 K med maksimal laserintensitet tilgængelig ved 50 K. Dette kunne producere et termoelektrisk potentiale på 6,9 × 10−8 V, hvilket er tre størrelsesordener mindre end Voc opnået i fig. 1 (a). Det er tydeligt, at termoelektrisk effekt er for lille til at forklare de eksperimentelle resultater. Faktisk ville temperaturvariationen på grund af laserbestråling forsvinde på mindre end et minut, så bidraget fra termisk effekt sikkert kan ignoreres.

Denne fotovoltaiske effekt af YBCO ved stuetemperatur afslører, at en anden ladningsadskillelsesmekanisme er involveret her. Superledende YBCO i normal tilstand er et p-type materiale med huller som ladningsbærer22,23, mens metallisk Ag-pasta har karakteristika af et n-type materiale. I lighed med pn-forbindelser vil diffusionen af ​​elektroner i sølvpastaen og huller i YBCO-keramik danne et internt elektrisk felt, der peger på YBCO-keramikken ved grænsefladen (fig. 1h). Det er dette indre felt, der tilvejebringer separationskraften og fører til en positiv Voc og negativ Isc for YBCO-Ag-pastasystemet ved stuetemperatur, som vist i fig. 1e. Alternativt kunne Ag-YBCO danne en p-type Schottky-forbindelse, som også fører til et grænsefladepotentiale med samme polaritet som i modellen præsenteret ovenfor24.

For at undersøge den detaljerede udviklingsproces af de fotovoltaiske egenskaber under superledende overgang af YBCO, blev IV-kurver af prøven ved 80 K målt med udvalgte laserintensiteter, der belyste ved katodeelektroden (fig. 2). Uden laserbestråling holder spændingen over prøven på nul uanset strøm, hvilket indikerer prøvens superledende tilstand ved 80 K (fig. 2a). I lighed med data opnået ved 50 K, bevæger IV-kurver parallelt med I-aksen sig nedad med stigende laserintensitet, indtil en kritisk værdi Pc er nået. Over denne kritiske laserintensitet (Pc) gennemgår superlederen en overgang fra en superledende fase til en resistiv fase; spændingen begynder at stige med strømmen på grund af udseendet af modstand i superlederen. Som et resultat begynder IV-kurven at skære I-aksen og V-aksen, hvilket fører til en negativ Voc og en positiv Isc i starten. Nu ser prøven ud til at være i en særlig tilstand, hvor polariteten af ​​Voc og Isc er ekstremt følsom over for lysintensitet; med meget lille stigning i lysintensiteten konverteres Isc fra positiv til negativ og Voc fra negativ til positiv værdi, idet den passerer oprindelsen (den høje følsomhed af fotovoltaiske egenskaber, især værdien af ​​Isc, for lysbelysning kan ses tydeligere i fig. 2b). Ved den højeste laserintensitet, der er tilgængelig, har IV-kurverne til hensigt at være parallelle med hinanden, hvilket angiver den normale tilstand af YBCO-prøven.

Laserpunktcentret er placeret omkring katodeelektroderne (se fig. 1i). a, IV-kurver af YBCO bestrålet med forskellige laserintensiteter. b (øverst), Laserintensitetsafhængighed af åben kredsløbsspænding Voc og kortslutningsstrøm Isc. Isc-værdierne kan ikke opnås ved lav lysintensitet (< 110 mW/cm2), fordi IV-kurverne er parallelle med I-aksen, når prøven er i superledende tilstand. b (nederst), differentiel modstand som funktion af laserintensitet.

Laserintensitetsafhængigheden af ​​Voc og Isc ved 80 K er vist i fig. 2b (øverst). De fotovoltaiske egenskaber kan diskuteres i tre områder med lysintensitet. Den første region er mellem 0 og Pc, hvor YBCO er superledende, Voc er negativ og falder (den absolutte værdi stiger) med lysintensiteten og når et minimum ved Pc. Det andet område er fra Pc til en anden kritisk intensitet P0, hvor Voc stiger, mens Isc falder med stigende lysintensitet, og begge når nul ved P0. Den tredje region er over P0, indtil normal tilstand af YBCO er nået. Selvom både Voc og Isc varierer med lysintensiteten på samme måde som i region 2, har de modsat polaritet over den kritiske intensitet P0. Betydningen af ​​P0 ligger i, at der ikke er nogen fotovoltaisk effekt, og ladningsadskillelsesmekanismen ændrer sig kvalitativt på dette særlige punkt. YBCO-prøven bliver ikke-superledende i dette område af lysintensitet, men den normale tilstand er endnu ikke nået.

Det er klart, at systemets fotovoltaiske egenskaber er tæt forbundet med superledningsevnen af ​​YBCO og dets superledende overgang. Differentialmodstanden, dV/dI, af YBCO er vist i fig. 2b (nederst) som en funktion af laserintensiteten. Som nævnt før parrer det indbyggede elektriske potentiale i grænsefladen på grund af Cooper diffusionspunkter fra superlederen til metal. Svarende til det, der observeres ved 50 K, forstærkes fotovoltaisk effekt med stigende laserintensitet fra 0 til Pc. Når laserintensiteten når en værdi lidt over Pc, begynder IV-kurven at vippe, og prøvens modstand begynder at vise sig, men polariteten af ​​grænsefladepotentialet er ikke ændret endnu. Effekten af ​​optisk excitation på superledningsevnen er blevet undersøgt i det synlige eller nær-IR-område. Mens den grundlæggende proces er at bryde Cooper-parrene op og ødelægge superledningsevnen25,26, kan superledningsovergangen i nogle tilfælde forbedres27,28,29, nye faser af superledning kan endda induceres30. Fraværet af superledning ved Pc kan tilskrives det foto-inducerede parbrud. Ved punktet P0 bliver potentialet over grænsefladen nul, hvilket indikerer, at ladningstætheden på begge sider af grænsefladen når det samme niveau under denne særlige intensitet af lysbelysning. Yderligere stigning i laserintensitet resulterer i, at flere Cooper-par bliver ødelagt, og YBCO omdannes gradvist tilbage til et p-type materiale. I stedet for elektron- og Cooper-pardiffusion bestemmes grænsefladens egenskab nu af elektron- og huldiffusion, som fører til en polaritetsvending af det elektriske felt i grænsefladen og følgelig en positiv Voc (sammenlign Fig.1d,h). Ved meget høj laserintensitet mættes den differentielle modstand af YBCO til en værdi svarende til normaltilstanden, og både Voc og Isc har tendens til at variere lineært med laserintensiteten (fig. 2b). Denne observation afslører, at laserbestråling på normaltilstand YBCO ikke længere vil ændre dens resistivitet og træk ved superleder-metal-grænsefladen, men kun øge koncentrationen af ​​elektron-hul-parrene.

For at undersøge temperaturens effekt på de fotovoltaiske egenskaber blev metal-superledersystemet bestrålet ved katoden med blå laser med en intensitet på 502 mW/cm2. IV-kurver opnået ved udvalgte temperaturer mellem 50 og 300 K er vist i fig. 3a. Åbningsspændingen Voc, kortslutningsstrømmen Isc og differensmodstanden kan så opnås fra disse IV-kurver og er vist i fig. 3b. Uden lysbelysning passerer alle IV-kurverne målt ved forskellige temperaturer oprindelsen som forventet (indsat i fig. 3a). IV-egenskaberne ændrer sig drastisk med stigende temperatur, når systemet belyses af en relativt stærk laserstråle (502 mW/cm2). Ved lave temperaturer er IV-kurverne lige linjer parallelt med I-aksen med negative værdier af Voc. Denne kurve bevæger sig opad med stigende temperatur og bliver gradvist til en linje med en skråning, der ikke er nul ved en kritisk temperatur Tcp (fig. 3a (øverst)). Det ser ud til, at alle IV karakteristiske kurver roterer omkring et punkt i tredje kvadrant. Voc stiger fra en negativ værdi til en positiv, mens Isc falder fra en positiv til en negativ værdi. Over den oprindelige superledende overgangstemperatur Tc for YBCO ændrer IV-kurven sig ret anderledes med temperaturen (nederst i fig. 3a). For det første flytter rotationscentret af IV-kurverne sig til den første kvadrant. For det andet bliver Voc ved med at falde, og Isc stiger med stigende temperatur (øverst i fig. 3b). For det tredje stiger hældningen af ​​IV-kurverne lineært med temperaturen, hvilket resulterer i en positiv temperaturkoefficient for modstand for YBCO (nederst i fig. 3b).

Temperaturafhængighed af fotovoltaiske egenskaber for YBCO-Ag-pastasystem under 502 mW/cm2 laserbelysning.

Laserpunktcentret er placeret omkring katodeelektroderne (se fig. 1i). a, IV-kurver opnået fra 50 til 90 K (øverst) og fra 100 til 300 K (nederst) med en temperaturstigning på henholdsvis 5 K og 20 K. Indsat a viser IV-karakteristika ved flere temperaturer i mørke. Alle kurverne krydser udgangspunktet. b, åben kredsløbsspænding Voc og kortslutningsstrøm Isc (øverst) og differensmodstanden, dV/dI, af YBCO (nederst) som funktion af temperaturen. Nul modstand superledende overgangstemperatur Tcp er ikke givet, fordi den er for tæt på Tc0.

Tre kritiske temperaturer kan genkendes fra fig. 3b: Tcp, over hvilken YBCO bliver ikke-superledende; Tc0, hvor både Voc og Isc bliver nul og Tc, den oprindelige begyndende superledende overgangstemperatur for YBCO uden laserbestråling. Under Tcp ~ 55 K er den laserbestrålede YBCO i superledende tilstand med relativt høj koncentration af Cooper-par. Effekten af ​​laserbestråling er at reducere den nul-modstands superledende overgangstemperatur fra 89 K til ~55 K (nederst i fig. 3b) ved at reducere Cooper-parkoncentrationen ud over at producere fotovoltaisk spænding og strøm. Stigende temperatur nedbryder også Cooper-parrene, hvilket fører til et lavere potentiale i grænsefladen. Følgelig vil den absolutte værdi af Voc blive mindre, selvom den samme intensitet af laserbelysning anvendes. Grænsefladepotentialet bliver mindre og mindre med yderligere temperaturstigning og når nul ved Tc0. Der er ingen fotovoltaisk effekt på dette specielle punkt, fordi der ikke er noget indre felt til at adskille de foto-inducerede elektron-hul-par. En polaritetsvending af potentialet sker over denne kritiske temperatur, da den frie ladningstæthed i Ag-pasta er større end den i YBCO, som gradvist overføres tilbage til et p-type materiale. Her vil vi understrege, at polaritetsvendingen af ​​Voc og Isc sker umiddelbart efter nul modstand superledende overgang, uanset årsagen til overgangen. Denne observation afslører klart, for første gang, sammenhængen mellem superledning og de fotovoltaiske effekter forbundet med metal-superleder-grænsefladepotentialet. Naturen af ​​dette potentiale på tværs af superleder-normal metal-grænsefladen har været et forskningsfokus i de sidste årtier, men der er mange spørgsmål, der stadig venter på at blive besvaret. Måling af den fotovoltaiske effekt kan vise sig at være en effektiv metode til at udforske detaljerne (såsom dets styrke og polaritet osv.) af dette vigtige potentiale og dermed kaste lys over den høje temperatur superledende nærhedseffekt.

Yderligere temperaturstigning fra Tc0 til Tc fører til en mindre koncentration af Cooper-par og en forøgelse af grænsefladepotentialet og dermed større Voc. Ved Tc bliver Cooper-parkoncentrationen nul, og det indbyggede potentiale ved grænsefladen når et maksimum, hvilket resulterer i maksimal Voc og minimum Isc. Den hurtige stigning af Voc og Isc (absolut værdi) i dette temperaturområde svarer til den superledende overgang, som udvides fra ΔT ~ 3 K til ~34 K ved laserbestråling med intensitet 502 mW/cm2 (fig. 3b). I de normale tilstande over Tc falder tomgangsspændingen Voc med temperaturen (øverst i fig. 3b), svarende til den lineære opførsel af Voc for normale solceller baseret på pn-forbindelser31,32,33. Selvom ændringshastigheden for Voc med temperaturen (−dVoc/dT), som afhænger stærkt af laserintensiteten, er meget mindre end den for normale solceller, har temperaturkoefficienten for Voc for YBCO-Ag krydset samme størrelsesorden som den af solcellerne. Lækstrømmen af ​​et pn-kryds for en normal solcelleenhed stiger med stigende temperatur, hvilket fører til et fald i Voc, når temperaturen stiger. De lineære IV-kurver, der er observeret for dette Ag-superledersystem, på grund af for det første det meget lille grænsefladepotentiale og for det andet back-to-back-forbindelsen af ​​de to heterojunctions, gør det vanskeligt at bestemme lækstrømmen. Ikke desto mindre er det meget sandsynligt, at den samme temperaturafhængighed af lækstrøm er ansvarlig for Voc-adfærden observeret i vores eksperiment. Ifølge definitionen er Isc den strøm, der er nødvendig for at producere en negativ spænding for at kompensere Voc, så den samlede spænding er nul. Når temperaturen stiger, bliver Voc mindre, så der skal mindre strøm til for at producere den negative spænding. YBCOs modstand stiger endvidere lineært med temperaturen over Tc (nederst i fig. 3b), hvilket også bidrager til den mindre absolutte værdi af Isc ved høje temperaturer.

Bemærk, at resultaterne givet i fig. 2 og 3 opnås ved laserbestråling i området omkring katodeelektroderne. Målinger er også blevet gentaget med laserplet placeret ved anode, og lignende IV-karakteristika og fotovoltaiske egenskaber er blevet observeret, bortset fra at polariteten af ​​Voc og Isc er blevet omvendt i dette tilfælde. Alle disse data fører til en mekanisme for den fotovoltaiske effekt, som er tæt forbundet med superleder-metal-grænsefladen.

Sammenfattende er IV-egenskaberne af laserbestrålet superledende YBCO-Ag-pastasystem blevet målt som funktioner af temperatur og laserintensitet. Bemærkelsesværdig fotovoltaisk effekt er blevet observeret i temperaturområdet fra 50 til 300 K. Det har vist sig, at de fotovoltaiske egenskaber korrelerer stærkt med superledningsevnen af ​​YBCO keramik. En polaritetsvending af Voc og Isc forekommer umiddelbart efter den foto-inducerede superledende til ikke-superledende overgang. Temperaturafhængighed af Voc og Isc målt ved fast laserintensitet viser også en tydelig polaritetsvending ved en kritisk temperatur, over hvilken prøven bliver resistiv. Ved at lokalisere laserpletten til en anden del af prøven viser vi, at der eksisterer et elektrisk potentiale på tværs af grænsefladen, som giver separationskraften for de foto-inducerede elektron-hul-par. Dette grænsefladepotentiale leder fra YBCO til metalelektroden, når YBCO er superledende, og skifter til den modsatte retning, når prøven bliver ikke-superledende. Potentialets oprindelse kan være naturligt forbundet med nærhedseffekten ved metal-superleder-grænsefladen, når YBCO er superledende og estimeres til at være ~10-8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kontakt mellem et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner en kvasi-pn-forbindelse, som er ansvarlig for den fotovoltaiske opførsel af YBCO-keramik ved høje temperaturer. Ovenstående observationer kaster lys over PV-effekten i højtemperatursuperledende YBCO-keramik og baner vejen for nye applikationer i optoelektroniske enheder såsom hurtig passiv lysdetektor og enkeltfotondetektor.

De fotovoltaiske effekteksperimenter blev udført på en YBCO keramisk prøve på 0,52 mm tykkelse og 8,64 × 2,26 mm2 rektangulær form og belyst af kontinuerlig bølge blå laser (λ = 450 nm) med laserpletstørrelse på 1,25 mm i radius. Ved at bruge bulk i stedet for tyndfilmsprøver kan vi studere superlederens fotovoltaiske egenskaber uden at skulle forholde os til den komplekse påvirkning af substratet6,7. Ydermere kunne bulkmaterialet være befordrende for dets enkle fremstillingsprocedure og relativt lave omkostninger. Kobberledningstrådene er forbundet på YBCO-prøven med sølvpasta, der danner fire cirkulære elektroder med en diameter på ca. 1 mm. Afstanden mellem de to spændingselektroder er ca. 5 mm. IV karakteristika for prøven blev målt ved hjælp af vibrationsprøvemagnetometeret (VersaLab, Quantum Design) med et kvartskrystalvindue. Standard fire-trådsmetode blev anvendt til at opnå IV-kurverne. De relative positioner af elektroder og laserpletten er vist i fig. 1i.

Sådan citeres denne artikel: Yang, F. et al. Oprindelsen af ​​fotovoltaisk effekt i superledende YBa2Cu3O6.96 keramik. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetri-forbudte laser-inducerede spændinger i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564-11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oprindelsen af ​​det unormale fotovoltaiske signal i Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270-6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Måling af laserinducerede spændinger af superledende Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773-5776 (1992).

Tate, KL, et al. Transiente laserinducerede spændinger i film ved stuetemperatur af YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375-4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Anomal fotovoltaisk respons i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692-3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenereret hulbærerinjektion til YBa2Cu3O7−x i en oxidheterostruktur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950-2952 (2004).

Asakura, D. et al. Fotoemissionsundersøgelse af YBa2Cu3Oy tynde film under lysbelysning. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Fotovoltaisk effekt af YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunction udglødet i forskellige oxygenpartialtryk. Mater. Lett. 130, 51-53 (2014).

Aminov, BA et al. To-gab struktur i Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkeltkrystaller. J. Supercond. 7, 361-365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kvasipartikelrelaksationsdynamik i superledere med forskellige spaltestrukturer: Teori og eksperimenter på YBa2Cu3O7-δ . Phys. Rev. B 59, 1497-1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Retificerende egenskaber af YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonisk absorption og superledningsevne i YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919-922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transient fotoinduceret ledningsevne i halvledende enkeltkrystaller af YBa2Cu3O6.3: søg efter fotoinduceret metallisk tilstand og fotoinduceret superledning. Solid State Commun. 72, 345-349 (1989).

McMillan, WL Tunneling-model af den superledende nærhedseffekt. Phys. Rev. 175, 537-542 (1968).

Guéron, S. et al. Superledende nærhedseffekt sonderet på en mesoskopisk længdeskala. Phys. Rev. Lett. 77, 3025-3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Nærhedseffekt med ikke-centrosymmetriske superledere. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Stærk superledende nærhedseffekt i Pb-Bi2Te3 hybridstrukturer. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL En ny silicium pn junction fotocelle til at konvertere solstråling til elektrisk strøm. J. App. Phys. 25, 676-677 (1954).

Tomimoto, K. Urenhedsvirkninger på den superledende kohærenslængde i Zn- eller Ni-dopet YBa2Cu3O6.9 enkeltkrystaller. Phys. Rev. B 60, 114-117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Magnetoresistens af ikke-tvindede YBa2Cu3Oy-enkeltkrystaller i en bred vifte af doping: unormal hul-doping-afhængighed af sammenhængslængden. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Systematik i den termoelektriske effekt af høj-T, oxider. Phys. Rev. B 46, 14928-14931, (1992).

Sugai, S. et al. Bærebølgetæthedafhængigt momentumskift af den kohærente top og LO-fonontilstanden i p-type høj-Tc superledere. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Hulreduktion og elektronakkumulering i YBa2Cu3Oy tynde film ved hjælp af en elektrokemisk teknik: Evidens for en n-type metallisk tilstand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fysikken og kemien i Schottky-barrierens højde. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekter af dynamisk eksternt parbrud i superledende film. Phys. Rev. Lett. 33, 215-219 (1974).

Nieva, G. et al. Fotoinduceret forbedring af superledningsevne. Appl. Phys. Lett. 60, 2159-2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Vedvarende fotoledningsevne i YBa2Cu3O6+x film som en metode til fotodoping mod metalliske og superledende faser. Phys. Rev. B 14, 9017-9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Ikke-lineær gitterdynamik som grundlag for forbedret superledning i YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71-74 (2014).

Fausti, D. et al. Lys-induceret superledning i en stribe-ordnet cuprate. Science 331, 189-191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Den temperaturfunktionelle afhængighed af VOC for en solcelle i forhold til dens effektivitet nye tilgang. Afsaltning 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Temperatureffekter i Schottky-barriere siliciumsolceller. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturafhængighed for fotovoltaiske enhedsparametre for polymer-fulleren solceller under driftsforhold. J. Appl. Phys. 90, 5343-5350 (2002).

Dette arbejde er blevet støttet af National Natural Science Foundation i Kina (tilskud nr. 60571063), de grundlæggende forskningsprojekter i Henan-provinsen, Kina (tilskud nr. 122300410231).

FY skrev teksten til papiret, og MYH forberedte YBCO keramiske prøve. FY og MYH udførte forsøget og analyserede resultaterne. FGC ledede projektet og den videnskabelige fortolkning af dataene. Alle forfattere har gennemgået manuskriptet.

Dette værk er licenseret under en Creative Commons Attribution 4.0 International License. Billederne eller andet tredjepartsmateriale i denne artikel er inkluderet i artiklens Creative Commons-licens, medmindre andet er angivet i kreditgrænsen; hvis materialet ikke er inkluderet under Creative Commons-licensen, skal brugerne indhente tilladelse fra licensindehaveren til at gengive materialet. For at se en kopi af denne licens, besøg http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oprindelsen af ​​fotovoltaisk effekt i superledende YBa2Cu3O6.96 keramik. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Ved at indsende en kommentar accepterer du at overholde vores vilkår og retningslinjer for fællesskabet. Hvis du finder noget misbrug, eller som ikke overholder vores vilkår eller retningslinjer, bedes du markere det som upassende.