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Informamos un efecto fotovoltaico notable en cerámica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 y 300 K inducido por iluminación láser azul, que está directamente relacionado con la superconductividad de YBCO y la interfaz YBCO-electrodo metálico. Hay una inversión de polaridad para el voltaje de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc cuando YBCO sufre una transición del estado superconductor al resistivo. Mostramos que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz superconductor-metal normal, que proporciona la fuerza de separación para los pares electrón-hueco fotoinducidos. Este potencial de interfaz se dirige desde YBCO al electrodo metálico cuando YBCO es superconductor y cambia a la dirección opuesta cuando YBCO deja de ser superconductor. El origen del potencial puede asociarse fácilmente con el efecto de proximidad en la interfaz metal-superconductor cuando YBCO es superconductor y su valor se estima en ~10–8 mV a 50 K con una intensidad láser de 502 mW/cm2. La combinación de un material tipo p YBCO en estado normal con una pasta Ag de material tipo n forma una unión cuasi-pn que es responsable del comportamiento fotovoltaico de las cerámicas YBCO a altas temperaturas. Nuestros hallazgos pueden allanar el camino hacia nuevas aplicaciones de dispositivos electrónicos de fotones y arrojar más luz sobre el efecto de proximidad en la interfaz superconductor-metal.
El voltaje fotoinducido en superconductores de alta temperatura se informó a principios de la década de 1990 y desde entonces se ha investigado exhaustivamente, pero su naturaleza y mecanismo siguen sin determinarse1,2,3,4,5. Las películas delgadas de YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, en particular, se estudian intensamente en forma de celda fotovoltaica (PV) debido a su brecha de energía ajustable9,10,11,12,13. Sin embargo, la alta resistencia del sustrato siempre conduce a una baja eficiencia de conversión del dispositivo y enmascara las propiedades fotovoltaicas primarias del YBCO8. Aquí informamos un notable efecto fotovoltaico inducido por la iluminación con láser azul (λ = 450 nm) en cerámica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 y 300 K (Tc ~ 90 K). Mostramos que el efecto PV está directamente relacionado con la superconductividad de YBCO y la naturaleza de la interfaz YBCO-electrodo metálico. Hay una inversión de polaridad para el voltaje de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc cuando YBCO sufre una transición de la fase superconductora a un estado resistivo. Se propone que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz superconductor-metal normal, que proporciona la fuerza de separación para los pares electrón-hueco fotoinducidos. Este potencial de interfaz se dirige desde YBCO al electrodo metálico cuando YBCO es superconductor y cambia a la dirección opuesta cuando la muestra deja de ser superconductora. El origen del potencial puede estar naturalmente asociado con el efecto de proximidad14,15,16,17 en la interfaz metal-superconductor cuando YBCO es superconductor y su valor se estima en ~10-8 mV a 50 K con una intensidad láser de 502 mW. /cm2. La combinación de un material de tipo p YBCO en estado normal con una pasta de Ag de material de tipo n forma, muy probablemente, una unión cuasi-pn que es responsable del comportamiento fotovoltaico de las cerámicas YBCO a altas temperaturas. Nuestras observaciones arrojan más luz sobre el origen del efecto fotovoltaico en cerámicas YBCO superconductoras de alta temperatura y allanan el camino para su aplicación en dispositivos optoelectrónicos como detectores de luz pasivos rápidos, etc.
La Figura 1a-c muestra las características IV de la muestra de cerámica YBCO a 50 K. Sin iluminación luminosa, el voltaje a través de la muestra permanece en cero con la corriente cambiante, como se puede esperar de un material superconductor. El efecto fotovoltaico obvio aparece cuando el rayo láser se dirige al cátodo (Fig. 1a): las curvas IV paralelas al eje I se mueven hacia abajo al aumentar la intensidad del láser. Es evidente que existe un voltaje fotoinducido negativo incluso sin corriente (a menudo llamado voltaje de circuito abierto Voc). La pendiente cero de la curva IV indica que la muestra todavía es superconductora bajo iluminación láser.
(a – c) y 300 K (e – g). Los valores de V(I) se obtuvieron barriendo la corriente de −10 mA a +10 mA en vacío. En aras de la claridad, sólo se presenta una parte de los datos experimentales. a, Características corriente-voltaje de YBCO medidas con un punto láser colocado en el cátodo (i). Todas las curvas IV son líneas rectas horizontales que indican que la muestra todavía es superconductora con irradiación láser. La curva desciende al aumentar la intensidad del láser, lo que indica que existe un potencial negativo (Voc) entre los dos cables de voltaje incluso con corriente cero. Las curvas IV permanecen sin cambios cuando el láser se dirige al centro de la muestra a éter a 50 K (b) o 300 K (f). La línea horizontal se mueve hacia arriba a medida que se ilumina el ánodo (c). En d se muestra un modelo esquemático de unión metal-superconductor a 50 K. Las características de corriente-voltaje del estado normal YBCO a 300 K medidas con un rayo láser apuntando al cátodo y al ánodo se dan en e y g respectivamente. En contraste con los resultados a 50 K, la pendiente distinta de cero de las líneas rectas indica que YBCO está en estado normal; Los valores de Voc varían con la intensidad de la luz en dirección opuesta, lo que indica un mecanismo de separación de carga diferente. Una posible estructura de interfaz a 300 K se muestra en hj. La imagen real de la muestra con cables.
El YBCO rico en oxígeno en estado superconductor puede absorber casi todo el espectro de la luz solar debido a su muy pequeña brecha de energía (Eg)9,10, creando así pares electrón-hueco (e-h). Para producir un voltaje de circuito abierto Voc mediante absorción de fotones, es necesario separar espacialmente los pares eh fotogenerados antes de que ocurra la recombinación18. El Voc negativo, en relación con el cátodo y el ánodo, como se indica en la figura 1i, sugiere que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz metal-superconductor, que arrastra los electrones hacia el ánodo y los agujeros hacia el cátodo. Si este es el caso, también debería haber un potencial que apunte desde el superconductor al electrodo metálico en el ánodo. En consecuencia, se obtendría un Voc positivo si se ilumina el área de la muestra cerca del ánodo. Además, no debe haber voltajes fotoinducidos cuando el punto láser apunta a áreas alejadas de los electrodos. Ciertamente es el caso, como se puede ver en la Fig. 1b,c!.
Cuando el punto de luz se mueve desde el electrodo catódico hasta el centro de la muestra (aproximadamente a 1,25 mm de distancia de las interfaces), no se puede observar ninguna variación de las curvas IV ni Voc al aumentar la intensidad del láser hasta el valor máximo disponible (Fig. 1b). . Naturalmente, este resultado puede atribuirse a la vida útil limitada de los soportes fotoinducidos y a la falta de fuerza de separación en la muestra. Se pueden crear pares de huecos de electrones siempre que se ilumine la muestra, pero la mayoría de los pares e-h serán aniquilados y no se observa ningún efecto fotovoltaico si el punto láser cae en áreas alejadas de cualquiera de los electrodos. Al mover el punto láser hacia los electrodos del ánodo, las curvas IV paralelas al eje I se mueven hacia arriba al aumentar la intensidad del láser (Fig. 1c). Existe un campo eléctrico incorporado similar en la unión metal-superconductor en el ánodo. Sin embargo, esta vez el electrodo metálico se conecta al cable positivo del sistema de prueba. Los agujeros producidos por el láser son empujados hacia el cable del ánodo y así se observa un Voc positivo. Los resultados presentados aquí proporcionan una fuerte evidencia de que efectivamente existe un potencial de interfaz que apunta desde el superconductor al electrodo metálico.
El efecto fotovoltaico en cerámica YBa2Cu3O6.96 a 300 K se muestra en la Fig. 1e-g. Sin iluminación luminosa, la curva IV de la muestra es una línea recta que cruza el origen. Esta línea recta se mueve hacia arriba paralela a la original a medida que aumenta la intensidad del láser que se irradia en los cables del cátodo (Fig. 1e). Existen dos casos límite de interés para un dispositivo fotovoltaico. La condición de cortocircuito ocurre cuando V = 0. La corriente en este caso se denomina corriente de cortocircuito (Isc). El segundo caso límite es la condición de circuito abierto (Voc) que ocurre cuando R→∞ o la corriente es cero. La Figura 1e muestra claramente que Voc es positivo y aumenta al aumentar la intensidad de la luz, en contraste con el resultado obtenido a 50 K; mientras que se observa que una Isc negativa aumenta en magnitud con la iluminación luminosa, un comportamiento típico de las células solares normales.
De manera similar, cuando el rayo láser apunta a áreas alejadas de los electrodos, la curva V (I) es independiente de la intensidad del láser y no aparece ningún efecto fotovoltaico (Fig. 1f). De manera similar a la medición a 50 K, las curvas IV se mueven en la dirección opuesta a medida que se irradia el electrodo del ánodo (Fig. 1g). Todos estos resultados obtenidos para este sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K con láser irradiado en diferentes posiciones de la muestra son consistentes con un potencial de interfaz opuesto al observado a 50 K.
La mayoría de los electrones se condensan en pares de Cooper en el YBCO superconductor por debajo de su temperatura de transición Tc. Mientras están en el electrodo metálico, todos los electrones permanecen en forma singular. Existe un gran gradiente de densidad tanto para los electrones singulares como para los pares de Cooper en las proximidades de la interfaz metal-superconductor. Los electrones singulares portadores mayoritarios en el material metálico se difundirán hacia la región superconductora, mientras que los pares de Cooper portadores mayoritarios en la región YBCO se difundirán hacia la región metálica. A medida que los pares de Cooper que llevan más cargas y tienen una movilidad mayor que los electrones singulares se difunden desde YBCO hacia la región metálica, los átomos cargados positivamente quedan atrás, lo que resulta en un campo eléctrico en la región de carga espacial. La dirección de este campo eléctrico se muestra en el diagrama esquemático de la Fig. 1d. La iluminación de fotones incidentes cerca de la región de carga espacial puede crear pares eh que se separarán y eliminarán produciendo una fotocorriente en la dirección de polarización inversa. Tan pronto como los electrones salen del campo eléctrico incorporado, se condensan en pares y fluyen hacia el otro electrodo sin resistencia. En este caso, el Voc es opuesto a la polaridad preestablecida y muestra un valor negativo cuando el rayo láser apunta al área alrededor del electrodo negativo. A partir del valor de Voc, se puede estimar el potencial a través de la interfaz: la distancia entre los dos cables de voltaje d es ~5 × 10−3 m, el espesor de la interfaz metal-superconductor, di, debe ser del mismo orden de magnitud como longitud de coherencia del superconductor YBCO (~1 nm)19,20, tome el valor de Voc = 0,03 mV, se evalúa que el potencial Vms en la interfaz metal-superconductor es ~10−11 V a 50 K con una intensidad láser de 502 mW/cm2, usando la ecuación,
Queremos enfatizar aquí que el voltaje fotoinducido no puede explicarse por el efecto fototérmico. Se ha establecido experimentalmente que el coeficiente de Seebeck del superconductor YBCO es Ss = 021. El coeficiente de Seebeck para cables conductores de cobre está en el rango de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. La temperatura del alambre de cobre en el punto del láser se puede aumentar en una pequeña cantidad de 0,06 K con una intensidad láser máxima disponible de 50 K. Esto podría producir un potencial termoeléctrico de 6,9 × 10−8 V, que es tres órdenes de magnitud menor que el Voc obtenido en la Fig. 1 (a). Es evidente que el efecto termoeléctrico es demasiado pequeño para explicar los resultados experimentales. De hecho, la variación de temperatura debida a la irradiación láser desaparecería en menos de un minuto, por lo que la contribución del efecto térmico puede ignorarse con seguridad.
Este efecto fotovoltaico del YBCO a temperatura ambiente revela que aquí interviene un mecanismo de separación de carga diferente. El YBCO superconductor en estado normal es un material tipo p con agujeros como portador de carga22,23, mientras que la pasta de Ag metálica tiene características de un material tipo n. De manera similar a las uniones pn, la difusión de electrones en la pasta de plata y los agujeros en la cerámica YBCO formarán un campo eléctrico interno que apunta a la cerámica YBCO en la interfaz (Fig. 1h). Es este campo interno el que proporciona la fuerza de separación y conduce a una Voc positiva y una Isc negativa para el sistema de pasta YBCO-Ag a temperatura ambiente, como se muestra en la Fig. 1e. Alternativamente, Ag-YBCO podría formar una unión Schottky tipo p que también conduce a un potencial de interfaz con la misma polaridad que en el modelo presentado anteriormente24.
Para investigar el proceso de evolución detallado de las propiedades fotovoltaicas durante la transición superconductora de YBCO, se midieron las curvas IV de la muestra a 80 K con intensidades de láser seleccionadas que iluminan el electrodo catódico (Fig. 2). Sin irradiación láser, el voltaje a través de la muestra se mantiene en cero independientemente de la corriente, lo que indica el estado superconductor de la muestra a 80 K (Fig. 2a). De manera similar a los datos obtenidos a 50 K, las curvas IV paralelas al eje I se mueven hacia abajo al aumentar la intensidad del láser hasta que se alcanza un valor crítico Pc. Por encima de esta intensidad láser crítica (Pc), el superconductor sufre una transición de una fase superconductora a una fase resistiva; el voltaje comienza a aumentar con la corriente debido a la aparición de resistencia en el superconductor. Como resultado, la curva IV comienza a cruzarse con el eje I y el eje V, lo que genera una Voc negativa y una Isc positiva al principio. Ahora la muestra parece estar en un estado especial en el que la polaridad de Voc e Isc es extremadamente sensible a la intensidad de la luz; con un aumento muy pequeño en la intensidad de la luz, Isc se convierte de positivo a negativo y Voc de negativo a positivo, pasando el origen (la alta sensibilidad de las propiedades fotovoltaicas, particularmente el valor de Isc, a la iluminación de la luz se puede ver más claramente en la Fig. 2b). Con la intensidad de láser más alta disponible, las curvas IV pretenden ser paralelas entre sí, lo que indica el estado normal de la muestra de YBCO.
El centro del punto láser se coloca alrededor de los electrodos catódicos (ver Fig. 1i). a, curvas IV de YBCO irradiadas con diferentes intensidades de láser. b (arriba), Dependencia de la intensidad del láser del voltaje de circuito abierto Voc y la corriente de cortocircuito Isc. Los valores de Isc no se pueden obtener con baja intensidad de luz (<110 mW/cm2) porque las curvas IV son paralelas al eje I cuando la muestra está en estado superconductor. b (abajo), resistencia diferencial en función de la intensidad del láser.
La dependencia de la intensidad del láser de Voc e Isc a 80 K se muestra en la Fig. 2b (arriba). Las propiedades fotovoltaicas se pueden discutir en tres regiones de intensidad de luz. La primera región está entre 0 y Pc, en la que YBCO es superconductor, Voc es negativo y disminuye (el valor absoluto aumenta) con la intensidad de la luz y alcanza un mínimo en Pc. La segunda región es desde Pc hasta otra intensidad crítica P0, en la que Voc aumenta mientras que Isc disminuye al aumentar la intensidad de la luz y ambos llegan a cero en P0. La tercera región está por encima de P0 hasta que se alcanza el estado normal de YBCO. Aunque tanto Voc como Isc varían con la intensidad de la luz de la misma manera que en la región 2, tienen polaridad opuesta por encima de la intensidad crítica P0. La importancia de P0 radica en que no hay efecto fotovoltaico y el mecanismo de separación de carga cambia cualitativamente en este punto particular. La muestra de YBCO se vuelve no superconductora en este rango de intensidad de luz, pero aún no se ha alcanzado el estado normal.
Claramente, las características fotovoltaicas del sistema están estrechamente relacionadas con la superconductividad de YBCO y su transición superconductora. La resistencia diferencial, dV / dI, de YBCO se muestra en la Fig. 2b (abajo) en función de la intensidad del láser. Como se mencionó anteriormente, el potencial eléctrico incorporado en la interfaz se debe a los puntos de difusión del par de Cooper desde el superconductor al metal. De manera similar al observado a 50 K, el efecto fotovoltaico aumenta al aumentar la intensidad del láser de 0 a Pc. Cuando la intensidad del láser alcanza un valor ligeramente superior a Pc, la curva IV comienza a inclinarse y la resistencia de la muestra comienza a aparecer, pero la polaridad del potencial de interfaz no cambia todavía. El efecto de la excitación óptica sobre la superconductividad se ha investigado en la región visible o del infrarrojo cercano. Si bien el proceso básico consiste en romper los pares de Cooper y destruir la superconductividad25,26, en algunos casos se puede mejorar la transición de la superconductividad27,28,29 e incluso se pueden inducir nuevas fases de superconductividad30. La ausencia de superconductividad en Pc puede atribuirse a la ruptura del par fotoinducida. En el punto P0, el potencial a través de la interfaz se vuelve cero, lo que indica que la densidad de carga en ambos lados de la interfaz alcanza el mismo nivel bajo esta intensidad particular de iluminación luminosa. Un mayor aumento en la intensidad del láser da como resultado la destrucción de más pares de Cooper y YBCO se transforma gradualmente nuevamente en un material tipo p. En lugar de la difusión de electrones y pares de Cooper, la característica de la interfaz ahora está determinada por la difusión de electrones y huecos, lo que conduce a una inversión de polaridad del campo eléctrico en la interfaz y, en consecuencia, a un Voc positivo (compárese con la figura 1d, h). A una intensidad del láser muy alta, la resistencia diferencial de YBCO se satura a un valor correspondiente al estado normal y tanto Voc como Isc tienden a variar linealmente con la intensidad del láser (Fig. 2b). Esta observación revela que la irradiación láser en el estado normal de YBCO ya no cambiará su resistividad y la característica de la interfaz superconductor-metal, sino que solo aumentará la concentración de los pares electrón-hueco.
Para investigar el efecto de la temperatura sobre las propiedades fotovoltaicas, el sistema metálico superconductor se irradió en el cátodo con un láser azul de intensidad 502 mW/cm2. Las curvas IV obtenidas a temperaturas seleccionadas entre 50 y 300 K se muestran en la Fig. 3a. El voltaje de circuito abierto Voc, la corriente de cortocircuito Isc y la resistencia diferencial se pueden obtener a partir de estas curvas IV y se muestran en la Fig. 3b. Sin iluminación luminosa, todas las curvas IV medidas a diferentes temperaturas pasan por el origen como se esperaba (recuadro de la Fig. 3a). Las características IV cambian drásticamente al aumentar la temperatura cuando el sistema se ilumina con un rayo láser relativamente potente (502 mW/cm2). A bajas temperaturas las curvas IV son líneas rectas paralelas al eje I con valores negativos de Voc. Esta curva se mueve hacia arriba al aumentar la temperatura y gradualmente se convierte en una línea con una pendiente distinta de cero a una temperatura crítica Tcp (Fig. 3a (arriba)). Parece que todas las curvas características IV giran alrededor de un punto del tercer cuadrante. Voc aumenta de un valor negativo a uno positivo mientras que Isc disminuye de un valor positivo a uno negativo. Por encima de la temperatura de transición superconductora original Tc de YBCO, la curva IV cambia de manera bastante diferente con la temperatura (parte inferior de la Fig. 3a). En primer lugar, el centro de rotación de las curvas IV se desplaza al primer cuadrante. En segundo lugar, Voc sigue disminuyendo y Isc aumenta al aumentar la temperatura (parte superior de la figura 3b). En tercer lugar, la pendiente de las curvas IV aumenta linealmente con la temperatura, lo que da como resultado un coeficiente de resistencia a la temperatura positivo para YBCO (parte inferior de la Fig. 3b).
Dependencia de la temperatura de las características fotovoltaicas para el sistema de pasta YBCO-Ag bajo iluminación láser de 502 mW/cm2.
El centro del punto láser se coloca alrededor de los electrodos catódicos (ver Fig. 1i). a, curvas IV obtenidas de 50 a 90 K (arriba) y de 100 a 300 K (abajo) con un incremento de temperatura de 5 K y 20 K, respectivamente. El recuadro a muestra características IV a varias temperaturas en la oscuridad. Todas las curvas cruzan el punto de origen. b, voltaje de circuito abierto Voc y corriente de cortocircuito Isc (arriba) y la resistencia diferencial, dV/dI, de YBCO (abajo) en función de la temperatura. La temperatura de transición superconductora de resistencia cero Tcp no se proporciona porque está demasiado cerca de Tc0.
Se pueden reconocer tres temperaturas críticas en la Fig. 3b: Tcp, por encima de la cual YBCO se vuelve no superconductor; Tc0, en el que tanto Voc como Isc se vuelven cero y Tc, la temperatura de transición superconductora de inicio original de YBCO sin irradiación láser. Por debajo de Tcp ~ 55 K, el YBCO irradiado con láser se encuentra en estado superconductor con una concentración relativamente alta de pares de Cooper. El efecto de la irradiación láser es reducir la temperatura de transición superconductora de resistencia cero de 89 K a ~ 55 K (parte inferior de la Fig. 3b) al reducir la concentración del par de Cooper además de producir voltaje y corriente fotovoltaicos. El aumento de temperatura también rompe los pares de Cooper, lo que provoca un menor potencial en la interfaz. En consecuencia, el valor absoluto de Voc será menor, aunque se aplique la misma intensidad de iluminación láser. El potencial de interfaz se hará cada vez más pequeño a medida que aumente la temperatura y llegará a cero en Tc0. No hay efecto fotovoltaico en este punto especial porque no hay un campo interno para separar los pares electrón-hueco fotoinducidos. Se produce una inversión de polaridad del potencial por encima de esta temperatura crítica ya que la densidad de carga libre en la pasta de Ag es mayor que la del YBCO, que se transfiere gradualmente de nuevo a un material tipo p. Aquí queremos enfatizar que la inversión de polaridad de Voc e Isc ocurre inmediatamente después de la transición superconductora de resistencia cero, independientemente de la causa de la transición. Esta observación revela claramente, por primera vez, la correlación entre la superconductividad y los efectos fotovoltaicos asociados con el potencial de interfaz metal-superconductor. La naturaleza de este potencial a través de la interfaz superconductor-metal normal ha sido un foco de investigación durante las últimas décadas, pero aún quedan muchas preguntas por responder. La medición del efecto fotovoltaico puede resultar un método eficaz para explorar los detalles (como su intensidad y polaridad, etc.) de este importante potencial y, por tanto, arrojar luz sobre el efecto de proximidad superconductor de alta temperatura.
Un mayor aumento de la temperatura de Tc0 a Tc conduce a una menor concentración de pares de Cooper y a una mejora en el potencial de interfaz y, en consecuencia, a un mayor Voc. En Tc, la concentración del par de Cooper se vuelve cero y el potencial incorporado en la interfaz alcanza un máximo, lo que resulta en un Voc máximo y un Isc mínimo. El rápido aumento de Voc e Isc (valor absoluto) en este rango de temperatura corresponde a la transición superconductora que se amplía de ΔT ~ 3 K a ~ 34 K mediante irradiación láser de intensidad 502 mW/cm2 (Fig. 3b). En los estados normales por encima de Tc, el voltaje de circuito abierto Voc disminuye con la temperatura (parte superior de la Fig. 3b), similar al comportamiento lineal de Voc para células solares normales basadas en uniones pn31,32,33. Aunque la tasa de cambio de Voc con la temperatura (−dVoc/dT), que depende en gran medida de la intensidad del láser, es mucho menor que la de las células solares normales, el coeficiente de temperatura de Voc para la unión YBCO-Ag tiene el mismo orden de magnitud que el de las células solares. La corriente de fuga de una unión pn para un dispositivo de celda solar normal aumenta al aumentar la temperatura, lo que lleva a una disminución de Voc a medida que aumenta la temperatura. Las curvas IV lineales observadas para este sistema superconductor de Ag, debido en primer lugar al muy pequeño potencial de interfaz y en segundo lugar a la conexión espalda con espalda de las dos heterouniones, dificultan la determinación de la corriente de fuga. Sin embargo, parece muy probable que la misma dependencia de la temperatura de la corriente de fuga sea responsable del comportamiento de Voc observado en nuestro experimento. Según la definición, Isc es la corriente necesaria para producir un voltaje negativo para compensar Voc de modo que el voltaje total sea cero. A medida que aumenta la temperatura, el Voc se vuelve más pequeño, por lo que se necesita menos corriente para producir el voltaje negativo. Además, la resistencia de YBCO aumenta linealmente con la temperatura por encima de Tc (parte inferior de la Fig. 3b), lo que también contribuye al valor absoluto más pequeño de Isc a altas temperaturas.
Tenga en cuenta que los resultados indicados en las figuras 2 y 3 se obtienen irradiando con láser el área alrededor de los electrodos catódicos. Las mediciones también se han repetido con un punto láser colocado en el ánodo y se han observado características IV y propiedades fotovoltaicas similares, excepto que en este caso se ha invertido la polaridad de Voc e Isc. Todos estos datos conducen a un mecanismo del efecto fotovoltaico, que está estrechamente relacionado con la interfaz superconductor-metal.
En resumen, las características IV del sistema de pasta YBCO-Ag superconductor irradiado con láser se han medido en función de la temperatura y la intensidad del láser. Se ha observado un efecto fotovoltaico notable en el rango de temperatura de 50 a 300 K. Se ha descubierto que las propiedades fotovoltaicas se correlacionan fuertemente con la superconductividad de las cerámicas YBCO. Se produce una inversión de polaridad de Voc e Isc inmediatamente después de la transición fotoinducida de superconductor a no superconductor. La dependencia de la temperatura de Voc e Isc medidas con una intensidad láser fija muestra también una clara inversión de polaridad a una temperatura crítica por encima de la cual la muestra se vuelve resistiva. Al ubicar el punto láser en diferentes partes de la muestra, demostramos que existe un potencial eléctrico a través de la interfaz, que proporciona la fuerza de separación para los pares electrón-hueco fotoinducidos. Este potencial de interfaz se dirige desde YBCO al electrodo metálico cuando YBCO es superconductor y cambia a la dirección opuesta cuando la muestra deja de ser superconductora. El origen del potencial puede estar naturalmente asociado con el efecto de proximidad en la interfaz metal-superconductor cuando YBCO es superconductor y se estima en ~10-8 mV a 50 K con una intensidad láser de 502 mW/cm2. El contacto de un material tipo p YBCO en estado normal con una pasta Ag de material tipo n forma una unión cuasi-pn que es responsable del comportamiento fotovoltaico de las cerámicas YBCO a altas temperaturas. Las observaciones anteriores arrojan luz sobre el efecto fotovoltaico en cerámicas YBCO superconductoras de alta temperatura y allanan el camino para nuevas aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos como el detector de luz pasivo rápido y el detector de fotón único.
Los experimentos del efecto fotovoltaico se realizaron en una muestra de cerámica YBCO de 0,52 mm de espesor y forma rectangular de 8,64 × 2,26 mm2 e iluminada por un láser azul de onda continua (λ = 450 nm) con un tamaño de punto láser de 1,25 mm de radio. El uso de muestras a granel en lugar de películas delgadas nos permite estudiar las propiedades fotovoltaicas del superconductor sin tener que lidiar con la compleja influencia del sustrato6,7. Además, el material a granel podría ser propicio por su sencillo procedimiento de preparación y su coste relativamente bajo. Los cables conductores de cobre se unen a la muestra de YBCO con pasta de plata formando cuatro electrodos circulares de aproximadamente 1 mm de diámetro. La distancia entre los dos electrodos de tensión es de aproximadamente 5 mm. Las características IV de la muestra se midieron utilizando el magnetómetro de muestra de vibración (VersaLab, Quantum Design) con una ventana de cristal de cuarzo. Se empleó el método estándar de cuatro cables para obtener las curvas IV. Las posiciones relativas de los electrodos y el punto láser se muestran en la Fig. 1i.
Cómo citar este artículo: Yang, F. et al. Origen del efecto fotovoltaico en cerámicas superconductoras YBa2Cu3O6.96. Ciencia. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG y Testardi, LR Voltajes inducidos por láser prohibidos por simetría en YBa2Cu3O7. Física. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Origen de la señal fotovoltaica anómala en Y-Ba-Cu-O. Física. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR y Wang, GW Medición de voltajes inducidos por láser de Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductor. Física. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL y col. "Voltaje transitorio inducido por láser en películas a temperatura ambiente de YBa2Cu3O7-x". J. Aplica. Física. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Respuesta fotovoltaica anómala en YBa2Cu3O7. Física. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. y Hiroi, Z. Inyección de portador de orificios fotogenerados a YBa2Cu3O7−x en una heteroestructura de óxido. Aplica. Física. Letón. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. y col. Estudio de fotoemisión de películas delgadas de YBa2Cu3Oy bajo iluminación luminosa. Física. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. y col. Efecto fotovoltaico de la heterounión YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb recocida en diferentes presiones parciales de oxígeno. Madre. Letón. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Estructura de dos huecos en monocristales de Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. y Mihailovic, D. Dinámica de relajación de cuasipartículas en superconductores con diferentes estructuras de separación: teoría y experimentos con YBa2Cu3O7-δ. Física. Rev. B 59, 1497-1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Propiedades rectificadoras de la heterounión YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb. Aplica. Física. Letón. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Absorción excitónica y superconductividad en YBa2Cu3O7-δ. Física. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Conductividad fotoinducida transitoria en monocristales semiconductores de YBa2Cu3O6.3: búsqueda de estado metálico fotoinducido y superconductividad fotoinducida. Comun de Estado Sólido. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Modelo de túnel del efecto de proximidad superconductor. Física. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Efecto de proximidad superconductor probado en una escala de longitud mesoscópica. Física. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efecto de proximidad con superconductores no centrosimétricos. Física. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Fuerte efecto de proximidad superconductora en estructuras híbridas de Pb-Bi2Te3. Ciencia. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS y Pearson, GL Una nueva fotocélula de unión pn de silicio para convertir la radiación solar en energía eléctrica. J. Aplicación. Física. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efectos de las impurezas en la longitud de coherencia superconductora en monocristales de YBa2Cu3O6.9 dopados con Zn o Ni. Física. Rev. B 60, 114-117 (1999).
Ando, Y. y Segawa, K. Magnetorresistencia de monocristales de YBa2Cu3Oy no hermanados en una amplia gama de dopaje: dependencia anómala del dopaje de huecos de la longitud de coherencia. Física. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistemática en la energía termoeléctrica de óxidos de alta T. Física. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. y col. Cambio de impulso dependiente de la densidad de la portadora del pico coherente y el modo de fonón LO en superconductores de alta Tc tipo p. Física. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. y col. Reducción de huecos y acumulación de electrones en películas delgadas de YBa2Cu3Oy mediante una técnica electroquímica: evidencia de un estado metálico de tipo n. Física. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT La física y la química de la altura de la barrera Schottky. Aplica. Física. Letón. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. y Langenberg, DN Efectos de la rotura dinámica de pares externos en películas superconductoras. Física. Rev. Lett. 33, 215-219 (1974).
Nieva, G. et al. Mejora fotoinducida de la superconductividad. Aplica. Física. Letón. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Fotoconductividad persistente en películas de YBa2Cu3O6+x como método de fotodopaje hacia fases metálicas y superconductoras. Física. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. y col. "Dinámica reticular no lineal como base para una superconductividad mejorada en YBa2Cu3O6.5". Naturaleza 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. y col. Superconductividad inducida por la luz en un cuprato ordenado en franjas. Ciencia 331, 189-191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA La dependencia funcional de la temperatura de los COV para una célula solar en relación con su nuevo enfoque de eficiencia. Desalinización 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM y Anderson, WA Efectos de la temperatura en células solares de silicio con barrera Schottky. Aplica. Física. Letón. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. y Tuladhar, SM Dependencia de la temperatura para los parámetros de dispositivos fotovoltaicos de células solares de polímero-fullereno en condiciones de funcionamiento. J. Aplica. Física. 90, 5343–5350 (2002).
Este trabajo ha sido apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 60571063), los Proyectos de Investigación Fundamental de la Provincia de Henan, China (Subvención No. 122300410231).
FY escribió el texto del artículo y MYH preparó la muestra de cerámica YBCO. FY y MYH realizaron el experimento y analizaron los resultados. FGC lideró el proyecto y la interpretación científica de los datos. Todos los autores revisaron el manuscrito.
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Yang, F., Han, M. y Chang, F. Origen del efecto fotovoltaico en cerámicas superconductoras YBa2Cu3O6.96. Representante científico 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
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Hora de publicación: 22-abr-2020