Eskerrik asko nature.com bisitatzeagatik. CSSrako laguntza mugatua duen arakatzailearen bertsio bat erabiltzen ari zara. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratuago bat erabiltzea gomendatzen dugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desaktibatzea). Bitartean, laguntza etengabea bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScript gabe erakusten ari gara.
Efektu fotovoltaiko nabarmenaren berri ematen dugu YBa2Cu3O6.96 (YBCO) zeramikazko 50 eta 300 K artean, laser urdinaren argiztapenak eragindakoa, YBCOren supereroankortasunarekin eta YBCO-metalezko elektrodoen interfazearekin zuzenean lotuta dagoena. Zirkuitu irekiko Voc tentsioaren eta zirkuitulaburreko Isc korrontearen polaritatearen iraulketa dago YBCO supereroaletik egoera erresistenterako trantsizioa jasaten duenean. Supereroale-metal interfaze normalaren zehar potentzial elektriko bat dagoela erakusten dugu, eta horrek foto-induzitutako elektroi-zulo bikoteen bereizketa-indarra ematen du. Interfaze potentzial hau YBCOtik metalezko elektrodora zuzentzen da YBCO supereroalea denean eta YBCO supereroalea bihurtzen denean kontrako noranzkoan aldatzen da. Potentzialaren jatorria metal-supereroale interfazearen hurbiltasun-efektuarekin lotu daiteke YBCO supereroalea denean eta bere balioa ~ 10-8 mV dela estimatzen da 50 K-tan 502 mW/cm2-ko laser intentsitatearekin. Egoera normalean dagoen YBCO p motako materialaren konbinazioak Ag-pastak n motako material batekin konbinatuz, ia pn bilgune bat eratzen du, eta tenperatura altuetan YBCO zeramikaren portaera fotovoltaikoaren arduraduna da. Gure aurkikuntzek gailu foto-elektronikoen aplikazio berrietarako bidea ireki dezakete eta supereroale-metal interfazearen hurbiltasun-efektua argitu dezakete.
Tenperatura altuko supereroaleetan argazki-induzitutako tentsioa 1990eko hamarkadaren hasieran jakinarazi da eta harrezkero sakon ikertu da, baina bere izaera eta mekanismoa finkatu gabe jarraitzen dute1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) film meheak6,7,8, bereziki, zelula fotovoltaiko (PV) forman sakonki aztertzen dira, bere energia-hutsune erregulagarria dela eta9,10,11,12,13. Hala ere, substratuaren erresistentzia handiak gailuaren bihurketa-eraginkortasun baxua dakar beti eta YBCO8ren PV propietate nagusiak estaltzen ditu. Hemen urdin-laser (λ = 450 nm) argiztapenak YBa2Cu3O6.96 (YBCO) zeramikazko 50 eta 300 K (Tc ~ 90 K) artean eragindako efektu fotovoltaiko nabarmenaren berri ematen dugu. PV efektua YBCOren supereroankortasunarekin eta YBCO-metalezko elektrodoen interfazearen izaerarekin zuzenean lotuta dagoela erakusten dugu. Zirkuitu irekiko Voc tentsioaren eta zirkuitulaburreko Isc korrontearen polaritate-alderantzizketa dago YBCO fase supereroaletik egoera erresistente batera igarotzen denean. Supereroale-metal interfaze normalaren zehar potentzial elektriko bat dagoela proposatzen da, eta horrek foto-induzitutako elektroi-zulo bikoteen bereizketa-indarra ematen du. Interfaze potentzial hau YBCOtik metal elektrodora zuzentzen da YBCO supereroalea denean eta kontrako noranzkoan aldatzen da lagina ez-supereroale bihurtzen denean. Potentzialaren jatorria naturalki lotu daiteke hurbiltasun efektuarekin14,15,16,17 metal-supereroaleen interfazean YBCO supereroalea denean eta bere balioa ~10−8 mV dela 50 K-tan 502 mW-ko laser intentsitatearekin. /cm2. Egoera normalean dagoen YBCO p motako materialaren konbinazioak Ag-pastak n motako material batekin konbinatuz, ziurrenik, YBCO zeramikaren PV portaeraren arduraduna den ia-pn juntura bat sortzen du tenperatura altuetan. Gure behaketek tenperatura altuko YBCO zeramika supereroaleetan PV efektuaren jatorria argitzen dute eta gailu optoelektronikoetan aplikatzeko bidea irekitzen dute, hala nola, argi pasibo azkarreko detektagailuetan etab.
1a-c irudiak erakusten du YBCO zeramikazko laginaren IV ezaugarriak 50 K-tan. Argi argirik gabe, laginaren zeharkako tentsioa zeroan geratzen da korronte aldakorrarekin, material supereroale batetik espero daitekeen bezala. Efektu fotovoltaiko nabaria agertzen da laser izpia katodora zuzentzen denean (1a. irudia): IV kurbak I ardatzarekiko paraleloak beherantz mugitzen dira laser-intentsitatea handituz. Agerikoa da foto-induzitutako tentsio negatiboa dagoela korronterik gabe ere (askotan Voc zirkuitu irekiko tentsioa deitzen zaio). IV kurbaren zero maldak adierazten du lagina oraindik supereroalea dela laser argiztapenpean.
(a–c) eta 300 K (e–g). V(I)-ren balioak -10 mA-tik +10 mA-ra hutsean korrontea miaketa eginez lortu ziren. Datu esperimentalen zati bat baino ez da aurkezten argitasunaren mesedetan. a, YBCOren korronte-tentsioaren ezaugarriak (i) katodoan kokatutako laser puntuarekin neurtuta. IV kurba guztiak lerro zuzen horizontalak dira, lagina laser irradiazioarekin oraindik supereroalea dela adierazten dutenak. Kurba behera egiten du laser-intentsitatea gero eta handiagoarekin, bi tentsio-buruen artean potentzial negatiboa (Voc) dagoela adieraziz, nahiz eta korronte nuluarekin. IV kurbak aldatu gabe geratzen dira laserra laginaren erdialdera zuzentzen denean 50 K (b) edo 300 K (f) eterra. Lerro horizontala gora egiten du anodoa argiztatu ahala (c). 50 K-ko metal-supereroale junturaren eredu eskematikoa d-n erakusten da. Egoera normaleko YBCOren korronte-tentsioaren ezaugarriak 300 K-tan neurtutako laser izpiarekin katodoan eta anodoan adierazitako e eta g-n daude. 50 K-ko emaitzen aldean, zuzenen malda ez nuluak YBCO egoera normalean dagoela adierazten du; Voc-en balioak argiaren intentsitatearen arabera aldatzen dira kontrako noranzkoan, karga bereizteko beste mekanismo bat adieraziz. 300 K-ko interfaze-egitura posible bat hj-n irudikatzen da laginaren benetako irudia berunekin.
Oxigeno aberatsa den YBCO egoera supereroalean eguzki-argiaren espektro ia osoa xurga dezake bere energia-hutsune oso txikia dela eta (Eg)9,10, eta horrela elektroi-zulo bikoteak (e-h) sortuz. Fotoien xurgapenaren bidez zirkuitu irekiko Voc tentsio bat sortzeko, beharrezkoa da espazioan bereiztea argazki-sortutako eh bikoteak birkonbinazioa gertatu baino lehen18. Voc negatiboak, 1i irudian adierazten den katodoari eta anodoari dagokionez, metal-supereroale interfazean zehar potentzial elektriko bat dagoela iradokitzen du, elektroiak anodora eta zuloak katodora eramaten dituena. Hori horrela bada, supereroaletik anodoko elektrodo metalikora zuzendutako potentzial bat ere egon beharko litzateke. Ondorioz, Voc positiboa lortuko litzateke anodotik gertu dagoen lagin-eremua argiztatuta badago. Gainera, ez luke foto-induzitutako tentsiorik egon behar laser puntua elektrodoetatik urrun dauden eremuetara seinalatzen denean. Zalantzarik gabe, 1b,c! irudian ikus daitekeen kasua da.
Argi-puntua katodo-elektrodotik laginaren erdigunera mugitzen denean (interfazeetatik 1,25 mm inguru), ezin da IV kurben aldakuntzarik eta Voc-rik ez ikusi laser intentsitatea handituz eskuragarri dagoen balio maximoraino (1b. irudia) . Jakina, emaitza hau argazki-induzitutako eramaileen bizitza mugatuari eta laginaren bereizketa-indar ezari egotzi daiteke. Elektroi-zulo bikoteak sor daitezke lagina argiztatzen den bakoitzean, baina e–h bikote gehienak suntsitu egingo dira eta ez da efektu fotovoltaikorik ikusten, laser puntua elektrodoetatik urrun dauden tokietan erortzen bada. Laser puntua anodo elektrodoetara eramanez, IV kurbak I ardatzarekiko paraleloan gorantz mugitzen dira laserren intentsitatea handituz (1c. irudia). Antzeko eremu elektriko barneratua dago anodoko metal-supereroale junturan. Hala ere, elektrodo metalikoa proba-sistemaren berun positiboarekin konektatzen da oraingoan. Laserrak sortzen dituen zuloak anodoaren berunera bultzatzen dira eta horrela Voc positiboa ikusten da. Hemen aurkezten diren emaitzek ebidentzia sendoa ematen dute supereroaletik elektrodo metalikora zuzentzen den interfaze potentzial bat dagoela.
300 K-ko YBa2Cu3O6.96 zeramikako efektu fotovoltaikoa 1e–g irudian ageri da. Argi argirik gabe, laginaren IV kurba jatorria zeharkatzen duen lerro zuzen bat da. Lerro zuzen hori gorantz mugitzen da jatorrizkoaren paraleloan, laser-intentsitatea gero eta handiagoarekin irradiatuz katodoaren katoietan (1e. irudia). Gailu fotovoltaiko baterako bi kasu mugatzaile interesgarri daude. Zirkuitu-labur-egoera V = 0 denean gertatzen da. Kasu honetan korronteari zirkuitu-labur-korronte (Isc) esaten zaio. Bigarren kasu mugatzailea R→∞ edo korrontea zero denean gertatzen den zirkuitu irekiko baldintza (Voc) da. 1e irudiak argi eta garbi erakusten du Voc positiboa dela eta argiaren intentsitatea handitzen den heinean handitzen dela, 50 K-tan lortutako emaitzarekin alderatuta; Isc negatiboa, berriz, argiaren argiztapenarekin magnitudea handitzen duela ikusten da, eguzki-zelula arrunten portaera tipikoa.
Era berean, laser izpia elektrodoetatik urrun dauden eremuetara zuzentzen denean, V(I) kurba laser intentsitatetik independentea da eta ez da efektu fotovoltaikorik agertzen (1f. irudia). 50 K-ko neurketaren antzera, IV kurbak kontrako noranzkoan mugitzen dira anodo-elektrodoa irradiatzen den heinean (1g. irudia). YBCO-Ag itsatsi-sistema honetarako 300 K-tan lortutako emaitza hauek guztiak laginaren posizio desberdinetan irradiatutako laser bidez 50 K-tan ikusitako interfaze-potentzial batekin bat datoz.
Elektroi gehienak Cooper pareetan kondentsatzen dira YBCO supereroalean, bere trantsizio-tenperatura Tc azpitik. Elektrodo metalikoan dagoen bitartean, elektroi guztiak forma singularrean geratzen dira. Metal-supereroale interfazearen inguruan dentsitate-gradiente handia dago elektroi bakunentzat eta Cooper-pareentzat. Material metalikoko elektroi bakarrak garraiatzaile gehientsuak eskualde supereroalean hedatuko dira, eta YBCO eskualdeko Cooper-bikote gehien-eramaileak eskualde metalura hedatuko dira. Cooper bikoteak karga gehiago daramatzaten eta elektroi singularrak baino mugikortasun handiagoa dutenez YBCOtik eskualde metalikora hedatzen diren heinean, positiboki kargatutako atomoak atzean geratzen dira, eta ondorioz eremu elektriko bat sortzen da espazioko kargaren eskualdean. Eremu elektriko horren noranzkoa 1d irudiko eskeman azaltzen da. Espazio-karga-eskualdetik gertu dagoen fotoien argiztapenak bereizi eta kenduko diren bikoteak sor ditzake alderantzizko norabidean fotokorronte bat sortuz. Elektroiak eraikitako eremu elektrikotik atera bezain laster, binaka kondentsatu eta beste elektrodo batera isurtzen dira erresistentziarik gabe. Kasu honetan, Voc aurrez ezarritako polaritatearen aurkakoa da eta balio negatiboa erakusten du laser izpiak elektrodo negatiboaren inguruko eremura seinalatzen duenean. Voc balioaren arabera, interfazearen potentziala kalkula daiteke: d bi tentsio-harrien arteko distantzia ~5 × 10−3 m da, metal-supereroale interfazearen lodiera, di, magnitude-ordena berekoa izan behar du. YBCO supereroalearen koherentzia-luzera (~1 nm)19,20 denez, hartu Voc = 0,03 mV-ren balioa, metal-supereroaleen interfazean Vms potentzialak balioesten dira. izan ~10−11 V 50 K-tan 502 mW/cm2-ko laser intentsitatearekin, ekuazioa erabiliz,
Hemen azpimarratu nahi dugu argazki-induzitutako tentsioa ezin dela azaldu foto-efektu termikoaren bidez. Esperimentuan ezarri da YBCO supereroalearen Seebeck koefizientea Ss = 021 dela. Kobrezko berunezko harietarako Seebeck koefizientea SCu = 0,34–1,15 μV/K3 tartean dago. Laser puntuan dagoen kobre-hariaren tenperatura 0,06 K-ko kopuru txiki batean igo daiteke 50 K-tan dagoen laser intentsitate maximoarekin. Horrek 6,9 × 10−8 V-ko potentzial termoelektrikoa sor dezake, hau da, baino hiru ordenako magnitude txikiagoa dena. 1 (a) irudian lortutako Voc-a. Agerikoa da efektu termoelektrikoa txikiegia dela emaitza esperimentalak azaltzeko. Izan ere, laser-irradiazioaren ondoriozko tenperatura-aldakuntza minutu batean baino gutxiagoan desagertuko litzateke, efektu termikoaren ekarpena segurtasunez baztertu ahal izateko.
Giro-tenperaturan YBCOren efektu fotovoltaiko honek agerian uzten du karga bereizteko beste mekanismo bat dagoela hemen. Egoera normalean YBCO supereroalea p motako materiala da karga-eramaile gisa zuloak dituena22,23, eta Ag-pasta metalikoak n motako material baten ezaugarriak ditu. Pn lotuneen antzera, YBCO zeramikazko zilar-pastean eta zuloetan elektroien hedapenak barne-eremu elektriko bat osatuko du YBCO zeramikara seinalatzen duen interfazean (1h. irudia). Barne-eremu hori da bereizketa-indarra ematen duena eta YBCO-Ag pasta-sistemarako Voc positiboa eta Isc negatiboa eragiten duena giro-tenperaturan, 1e irudian ikusten den bezala. Bestela, Ag-YBCOk p motako Schottky juntura bat sor dezake, eta horrek goiko aurkeztutako ereduaren polaritate berdineko interfaze-potentziala ere ekar dezake24.
YBCOren trantsizio supereroalean propietate fotovoltaikoen eboluzio prozesu zehatza ikertzeko, 80 K-ko laginaren IV kurbak neurtu ziren katodoko elektrodoan argiztatutako laser-intentsitate hautatuekin (2. irudia). Laser irradiaziorik gabe, laginaren tentsioa zeroan mantentzen da korrontea edozein dela ere, laginaren egoera supereroalea 80 K-tan adierazten duena (2a. irudia). 50 K-tan lortutako datuen antzera, IV kurbak I ardatzarekiko paraleloak beherantz mugitzen dira laser-intentsitatea gero eta handiagoarekin, Pc balio kritikoa lortu arte. Laser intentsitate kritiko (Pc) horren gainetik, supereroaleak fase supereroale batetik fase erresistente batera igarotzen du; tentsioa korrontearekin hazten hasten da, supereroalean erresistentzia agertzeagatik. Ondorioz, IV kurba I ardatzarekin eta V ardatzarekin ebakitzen hasten da, hasieran Voc negatiboa eta Isc positiboa lortuz. Orain badirudi lagina egoera berezi batean dagoela, non Voc eta Isc-en polaritatea argiaren intentsitatearekiko oso sentikorra den; argi-intentsitatearen igoera oso txikiarekin Isc positibotik negatibora bihurtzen da eta Voc balio negatibotik positibora, jatorria igaroz (propietate fotovoltaikoen sentsibilitate handia, bereziki Isc balioa, argi-argiztapenera argiago ikus daiteke. 2b). Eskura dagoen laser intentsitate handienean, IV kurbak elkarren artean paraleloak izateko asmoa dute, YBCO laginaren egoera normala adieraziz.
Laser puntuaren zentroa elektrodo katodoen inguruan kokatzen da (ikus 1i. irudia). a, YBCOren IV kurbak laser intentsitate ezberdinekin irradiatutakoak. b (goian), Laser intentsitatearen menpekotasuna zirkuitu irekiko tentsioa Voc eta zirkuitu laburreko korronte Isc. Isc balioak ezin dira lortu argi intentsitate baxuan (< 110 mW/cm2), IV kurbak I ardatzarekiko paraleloak direlako lagina egoera supereroalean dagoenean. b (behean), erresistentzia diferentziala laser intentsitatearen arabera.
80 K-ko Voc eta Isc-en laser intentsitatearen menpekotasuna 2b irudian (goian) erakusten da. Propietate fotovoltaikoak argi intentsitateko hiru eskualdetan eztabaida daitezke. Lehenengo eskualdea 0 eta Pc artean dago, zeinetan YBCO supereroalea den, Voc negatiboa da eta gutxitzen da (balio absolutua handitzen da) argiaren intentsitatearekin eta Pc-en minimo batera iristen da. Bigarren eskualdea Pc-tik P0 beste intentsitate kritiko batera dago, zeinetan Voc handitzen den, Isc argiaren intentsitatea handitzen den bitartean, eta biak zerora iristen dira P0an. Hirugarren eskualdea P0 gainetik dago YBCOren egoera normala lortu arte. Voc eta Isc argiaren intentsitatearekin 2. eskualdean bezala aldatzen diren arren, P0 intentsitate kritikoaren gainetik kontrako polaritatea dute. P0ren garrantzia efektu fotovoltaikorik ez dagoela eta karga bereizteko mekanismoa puntu zehatz honetan kualitatiboki aldatzen da. YBCO lagina ez-supereroale bihurtzen da argi-intentsitate-tarte honetan, baina oraindik iritsi gabe dagoen egoera normalera.
Bistan denez, sistemaren ezaugarri fotovoltaikoak estuki lotuta daude YBCOren supereroankortasunarekin eta haren trantsizio supereroalearekin. YBCOren erresistentzia diferentziala, dV/dI, 2b irudian (behean) laser intentsitatearen arabera ageri da. Lehen esan bezala, interfazean eraikitako potentzial elektrikoa Cooper pareko difusio puntuengatik supereroaletik metalera. 50 K-tan ikusitakoaren antzera, efektu fotovoltaikoa hobetzen da laser-intentsitatea 0tik Pc-era handituz. Laser intentsitatea Pc apur bat goragoko balio batera iristen denean, IV kurba okertzen hasten da eta laginaren erresistentzia agertzen hasten da, baina interfazearen potentzialaren polaritatea ez da aldatzen oraindik. Kitzikapen optikoaren eragina supereroankortasunean ikertu da ikusgai edo gertuko IR eskualdean. Oinarrizko prozesua Cooper bikoteak hautsi eta supereroankortasuna suntsitzea bada ere25,26, kasu batzuetan supereroankortasun-trantsizioa hobetu daiteke27,28,29, supereroankortasunaren fase berriak ere eragin daitezke30. Pc-en supereroankortasunik eza argazki-induzitutako bikote hausturari egotz daiteke. P0 puntuan, interfazearen potentziala zero bihurtzen da, eta argiaren intentsitate berezi honetan interfazearen bi aldeetan karga-dentsitatea maila berdinera iristen dela adierazten du. Laser intentsitatea areagotzeak Cooper bikote gehiago suntsitzen ditu eta YBCO pixkanaka-pixkanaka p motako material batera eraldatzen da. Elektroiaren eta Cooper bikoteen difusioaren ordez, interfazearen ezaugarria elektroiaren eta zuloaren difusioaren bidez zehazten da, eta horrek interfazeko eremu elektrikoaren polaritatea iraultzea dakar eta, ondorioz, Voc positiboa (konparatu 1d, h irudiak). Laser intentsitate oso altuan, YBCOren erresistentzia diferentziala egoera normalari dagokion balio batera asetzen da eta bai Voc eta bai Isc linealki aldatzeko joera dute laser intentsitatearekin (2b. irudia). Behaketa honek agerian uzten du egoera normalean YBCOren laser-irradiazioak ez duela bere erresistentzia eta supereroale-metal interfazearen ezaugarria aldatuko, baizik eta elektroi-zulo bikoteen kontzentrazioa areagotuko duela.
Tenperaturak propietate fotovoltaikoetan duen eragina ikertzeko, metal-supereroale sistema katodoan irradiatu zen 502 mW/cm2-ko intentsitateko laser urdinarekin. 50 eta 300 K arteko tenperatura hautatuetan lortutako IV kurbak 3a irudian ageri dira. Zirkuitu irekiko Voc tentsioa, zirkuitu laburreko korrontea Isc eta erresistentzia diferentziala IV kurba hauetatik lor daitezke eta 3b irudian ageri dira. Argi-argiztapenik gabe, tenperatura desberdinetan neurtutako IV kurba guztiak espero bezala pasatzen dira jatorria (3a irudiaren txertaketa). IV-aren ezaugarriak izugarri aldatzen dira tenperatura handitzean sistema laser izpi nahiko indartsu batek (502 mW/cm2) argiztatzen duenean. Tenperatura baxuetan IV kurbak I ardatzarekiko paraleloak diren lerro zuzenak dira, Voc balio negatiboak dituztenak. Kurba hau goranzko mugitzen da tenperatura handituz eta pixkanaka-pixkanaka Tcp tenperatura kritikoan aldapa nulua duen lerro batean bihurtzen da (3a. irudia (goian)). Badirudi IV ezaugarri-kurba guztiak hirugarren koadranteko puntu baten inguruan biratzen direla. Voc balio negatibotik positibo batera igotzen da, Isc balio positibotik negatibora murrizten den bitartean. YBCOren jatorrizko trantsizio supereroaleko Tc tenperaturaren gainetik, IV kurba nahiko ezberdin aldatzen da tenperaturarekin (3a irudiaren behealdean). Lehenik eta behin, IV kurben biraketa zentroa lehen koadrantera mugitzen da. Bigarrenik, Voc-ek behera egiten jarraitzen du eta Isc-k gora egiten du tenperatura handituz (3b irudiaren goialdean). Hirugarrenik, IV kurben malda linealki handitzen da tenperaturarekin, eta ondorioz, YBCOren tenperatura-erresistentzia-koefiziente positiboa da (3b. irudiaren behealdean).
Ezaugarri fotovoltaikoen tenperaturaren menpekotasuna YBCO-Ag pasta-sistemaren 502 mW/cm2-ko laser argiztapenaren azpian.
Laser puntuaren zentroa elektrodo katodoen inguruan kokatzen da (ikus 1i. irudia). a, 50 K-tik 90 K-ra (goian) eta 100-tik 300 K-ra (behean) lortutako IV kurbak 5 K eta 20 K-ko tenperatura-gehikuntzarekin, hurrenez hurren. Inset a-k IV ezaugarriak erakusten ditu ilunpetan hainbat tenperaturatan. Kurba guztiek jatorri-puntua zeharkatzen dute. b, zirkuitu irekiko tentsioa Voc eta zirkuitulaburreko korrontea Isc (goian) eta YBCOren (behean) erresistentzia diferentziala, dV/dI, tenperaturaren arabera. Zero erresistentzia supereroalearen trantsizio-tenperatura Tcp ez da ematen Tc0-tik oso hurbil dagoelako.
3b iruditik hiru tenperatura kritiko antzeman daitezke: Tcp, eta horren gainetik YBCO ez-supereroale bihurtzen da; Tc0, Voc eta Isc zero eta Tc bihurtzen direnean, YBCOren hasierako trantsizio supereroaleen tenperatura laser irradiaziorik gabe. Tcp ~ 55 K-tik behera, laser bidez irradiatutako YBCO egoera supereroalean dago Cooper bikoteen kontzentrazio nahiko altuarekin. Laser irradiazioaren eragina zero erresistentzia supereroaleen trantsizio-tenperatura 89 K-tik ~ 55 K-ra murriztea da (3b. irudiaren behealdean), Cooper bikotearen kontzentrazioa murriztuz, tentsio fotovoltaikoa eta korrontea ekoizteaz gain. Tenperatura handitzeak Cooper bikoteak apurtzen ditu, interfazean potentzial baxuagoa izateko. Ondorioz, Voc-en balio absolutua txikiagoa izango da, nahiz eta laser argiztapenaren intentsitate berdina aplikatu. Interfazearen potentziala gero eta txikiagoa izango da tenperatura gehiago igo ahala eta zerora iristen da Tc0-n. Puntu berezi honetan ez dago efektu fotovoltaikorik, foto-induzitutako elektroi-zulo bikoteak bereizteko barne eremurik ez dagoelako. Tenperatura kritiko honen gainetik potentzialaren polaritatearen iraulketa gertatzen da, Ag pastearen karga askearen dentsitatea YBCOkoa baino handiagoa baita, pixkanaka p motako material batera itzultzen dena. Hemen azpimarratu nahi dugu Voc eta Isc-en polaritatearen iraulketa zero erresistentzia supereroalearen trantsiziotik berehala gertatzen dela, trantsizioaren kausa edozein dela ere. Behaketa honek argi erakusten du, lehen aldiz, supereroankortasunaren eta metal-supereroaleen interfazearen potentzialari lotutako efektu fotovoltaikoen arteko korrelazioa. Supereroale-metal interfaze normalaren potentzial horren izaera ikerketaren ardatza izan da azken hamarkadetan, baina galdera asko daude oraindik erantzuteko zain. Efektu fotovoltaikoaren neurketa metodo eraginkorra izan daiteke potentzial garrantzitsu honen xehetasunak (adibidez, bere indarra eta polaritatea, etab.) aztertzeko eta, beraz, tenperatura altuko supereroaleen hurbiltasun efektua argitzeko.
Tc0-tik Tc-ra tenperatura gehiago igotzeak Cooper bikoteen kontzentrazio txikiagoa eta interfazearen potentzialaren hobekuntza dakar eta, ondorioz, Voc handiagoa. Tc-n Cooper bikoteen kontzentrazioa zero bihurtzen da eta interfazean eraikitako potentziala maximo batera iristen da, Voc maximoa eta Isc minimoa lortuz. Tenperatura-tarte honetan Voc eta Isc-en (balio absolutua) igoera azkarra ΔT ~ 3 K-tik ~ 34 K-ra zabaltzen den trantsizio supereroaleari dagokio 502 mW/cm2-ko intentsitateko laser irradiazio bidez (3b. irudia). Tc-ko egoera normaletan, Voc zirkuitu irekiko tentsioa tenperaturarekin jaisten da (3b. irudiaren goiko aldean), pn junturetan oinarritutako eguzki-zelula normalentzako Voc-en portaera linealaren antzera31,32,33. Voc-en aldaketa-tasa tenperaturarekin (−dVoc/dT), laser intentsitatearen araberakoa dena, eguzki-zelula arruntena baino askoz txikiagoa den arren, YBCO-Ag junturarako Voc-en tenperatura-koefizienteak magnitude-ordena bera du. eguzki-zelulen. Eguzki-zelulen gailu arrunt baten pn juntura baten ihes-korrontea handitzen da tenperatura handitzen den heinean, eta Voc-a gutxitzen da tenperatura igo ahala. Ag-supereroale sistema honetarako ikusitako IV kurbak, lehenik interfaze-potentzial oso txikiagatik eta, bigarrenik, bi heterojunkzioen bizkarrezurreko konexioagatik, zaildu egiten du ihes-korrontea zehaztea. Hala ere, oso litekeena da ihes-korrontearen tenperatura-mendekotasun bera izatea gure esperimentuan ikusitako Voc portaeraren erantzule. Definizioaren arabera, Isc Voc konpentsatzeko tentsio negatiboa sortzeko behar den korrontea da, tentsio osoa zero izan dadin. Tenperatura igotzen den heinean, Voc txikiagoa da, beraz, korronte gutxiago behar da tentsio negatiboa sortzeko. Gainera, YBCOren erresistentzia linealki handitzen da Tc-tik gorako tenperaturarekin (3b. irudiaren behealdean), eta horrek tenperatura altuetan Isc-ren balio absolutu txikiagoan ere laguntzen du.
Kontuan izan 2,3 irudietan emandako emaitzak laser bidez irradiatuz lortzen direla elektrodo katodoen inguruko eremuan. Neurketak ere errepikatu dira anodoan kokatutako laser puntuarekin eta antzeko IV ezaugarriak eta propietate fotovoltaikoak ikusi dira kasu honetan Voc eta Isc-en polaritatea alderantzikatu dela izan ezik. Datu horiek guztiek efektu fotovoltaikorako mekanismo bat sortzen dute, zeina supereroale-metal interfazearekin estu lotuta dagoena.
Laburbilduz, laser irradiatutako YBCO-Ag pasta-sistema supereroalearen IV ezaugarriak tenperaturaren eta laser-intentsitatearen funtzioetan neurtu dira. Efektu fotovoltaiko nabarmena ikusi da 50 eta 300 K arteko tenperatura tartean. Propietate fotovoltaikoek YBCO zeramikaren supereroankortasunarekin lotura handia dutela ikusten da. Voc eta Isc-en polaritate iraulketa bat gertatzen da argazki-induzitutako supereroalerako trantsizio ez-supereroalearen ondoren. Laser intentsitate finkoan neurtutako Voc eta Isc-en tenperaturaren menpekotasunak ere polaritate-alderantziketa nabarmena erakusten du lagina erresistente bihurtzen den tenperatura kritiko batean. Laser puntua laginaren zati ezberdinetan kokatuz, interfazean zehar potentzial elektriko bat dagoela erakusten dugu, eta horrek foto-induzitutako elektroi-zulo bikoteen bereizketa indarra ematen du. Interfaze potentzial hau YBCOtik metal elektrodora zuzentzen da YBCO supereroalea denean eta kontrako noranzkoan aldatzen da lagina ez-supereroale bihurtzen denean. Potentzialaren jatorria metal-supereroaleen interfazean hurbiltasun-efektuarekin lotu daiteke naturalki YBCO supereroalea denean eta ~ 10-8 mV dela estimatzen da 50 K-tan 502 mW/cm2-ko laser intentsitatearekin. P motako YBCO material batek egoera normalean n-motako material batekin kontaktuan Ag-pastak ia-pn bilgune bat eratzen du, eta YBCO zeramikaren portaera fotovoltaikoaren arduraduna da tenperatura altuetan. Goiko behaketek PV efektua argitzen dute tenperatura altuko YBCO zeramika supereroaleetan eta aplikazio berrietarako bidea irekitzen dute gailu optoelektronikoetan, hala nola argi pasibo detektagailu azkarra eta fotoi bakarreko detektagailuetan.
Efektu fotovoltaikoko esperimentuak 0,52 mm-ko lodiera eta 8,64 × 2,26 mm2-ko forma angeluzuzeneko YBCO zeramikazko lagin batean egin dira, eta uhin jarraituko laser urdinez (λ = 450 nm) argiztatu dira 1,25 mm-ko erradioko laser puntuaren tamainarekin. Film meheko laginak erabili beharrean, supereroalearen propietate fotovoltaikoak aztertzeko aukera ematen digu substratuaren eragin konplexuari aurre egin beharrik gabe6,7. Gainera, ontziratu gabeko materiala prestatzeko prozedura errazerako eta kostu nahiko baxurako lagungarria izan daiteke. Kobrezko berunezko hariak YBCO laginean koheratuta daude zilar-pasarekin, 1 mm inguruko diametroa duten lau elektrodo zirkular osatuz. Bi tentsio-elektrodoen arteko distantzia 5 mm ingurukoa da. Laginaren IV ezaugarriak bibrazio-laginaren magnetometroa erabiliz (VersaLab, Quantum Design) kuartzozko kristalezko leiho batekin neurtu dira. Lau hari metodo estandarra erabili zen IV kurbak lortzeko. Elektrodoen eta laser puntuaren posizio erlatiboak 1i irudian ageri dira.
Nola aipatu artikulu hau: Yang, F. et al. Efektu fotovoltaikoaren jatorria YBa2Cu3O6.96 zeramika supereroaleetan. Zientzia. Errep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Simetria debekatuta laser bidez eragindako tentsioak YBa2Cu3O7-n. Fisikoak. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY seinale fotovoltaiko anomaliaren jatorria Y-Ba-Cu-O-n. Fisikoak. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Bi-Sr-Ca-Cu-O supereroaleen laser bidez eragindako tentsioen neurketa. Fisikoak. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. YBa2Cu3O7-x giro-tenperaturako filmetan laser bidez eragindako tentsio iragankorrak. J. Apl. Fisikoak. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Erantzun fotovoltaiko anomaloa YBa2Cu3O7n. Fisikoak. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Photogenerated hole carrier injection to YBa2Cu3O7−x to an oxide heterostructure in an oxido heterostructure. Aplikazioa Fisikoak. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. YBa2Cu3Oy film meheen fotoemisioaren azterketa argiaren argipean. Fisikoak. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojuntzioaren efektu fotovoltaikoa oxigeno-presio partzial ezberdinetan errezibitua. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Bi hutsuneen egitura Yb(Y)Ba2Cu3O7-x kristal bakarrean. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasiparticle relaxation dynamics in supereroale gap structures different: Theory and experiments on YBa2Cu3O7-δ . Fisikoak. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunkzioaren propietate zuzentzaileak. Aplikazioa Fisikoak. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Absortzio excitonic eta supereroankortasuna YBa2Cu3O7-δ-n. Fisikoak. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3-ren kristal bakar semieroaleetan fotoinduzitutako eroankortasun iragankorra: fotoinduzitutako egoera metalikoa eta fotoinduzitutako supereroankortasuna bilatu. Estatu Solidoko Komunitatea. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Hurbiltasun-efektu supereroalearen tunelaren eredua. Fisikoak. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Hurbiltasun-efektu supereroalea luzera mesoskopikoan zundatuta. Fisikoak. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Supereroale ezcentrosimetrikoekin hurbiltasun-efektua. Fisikoak. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Hurbiltasun-efektu supereroale indartsua Pb-Bi2Te3 egitura hibridoetan. Zientzia. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Eguzki erradiazioa energia elektriko bihurtzeko siliziozko pn lotune fotozelula berria. J. App. Fisikoak. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- edo Ni-dopatutako YBa2Cu3O6.9 kristal bakarreko koherentzia supereroalearen luzeraren gaineko impuritate-efektuak. Fisikoak. Rev. B 60, 114-117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance of Untwined YBa2Cu3Oy single crystals in a wide range in a wide of a large: hole-doping anomalia dependent of the coherence longer. Fisikoak. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika T altuko oxidoen potentzia termoelektrikoan. Fisikoak. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Eramaile-dentsitatearen menpeko gailur koherentearen eta LO fonoi-moduaren momentu-aldaketa p motako Tc altuko supereroaleetan. Fisikoak. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Zuloen murrizketa eta elektroi metaketa YBa2Cu3Oy film meheetan teknika elektrokimikoa erabiliz: n motako egoera metalikoaren frogak. Fisikoak. B 84 errev., 020502 (2011).
Tung, RT Schottky hesiaren altueraren fisika eta kimika. Aplikazioa Fisikoak. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Kanpoko bikote dinamikoaren hausturaren efektuak film supereroaleetan. Fisikoak. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoinduzitutako supereroankortasunaren hobekuntza. Aplikazioa Fisikoak. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Fotoeroankortasun iraunkorra YBa2Cu3O6+x filmetan fase metaliko eta supereroaleetara fotodopatzeko metodo gisa. Fisikoak. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Sare-dinamika ez-lineala YBa2Cu3O6-n supereroankortasuna hobetzeko oinarri gisa. Natura 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Argiak eragindako supereroankortasuna marra ordenatutako kuprato batean. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Eguzki-zelula baten VOC-en tenperaturaren menpekotasun funtzionala bere eraginkortasun ikuspegi berriarekiko. Gatzadura 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Tenperatura-efektuak Schottky-hesiaren siliziozko eguzki-zeluletan. Aplikazioa Fisikoak. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Polimero-fulereno eguzki-zelulen gailu fotovoltaikoen parametroen tenperaturaren menpekotasuna funtzionamendu-baldintzetan. J. Apl. Fisikoak. 90, 5343–5350 (2002).
Lan hau Txinako Natur Zientzien Fundazio Nazionalak (Grant No. 60571063), Henan Probintziako Oinarrizko Ikerketa Proiektuak (Bant No. 122300410231) lagundu du.
FYk paperaren testua idatzi zuen eta MYHk YBCO zeramika lagina prestatu zuen. FY eta MYH-k esperimentua egin eta emaitzak aztertu zituzten. FGCk zuzendu zuen proiektua eta datuen interpretazio zientifikoa. Egile guztiek eskuizkribua berrikusi dute.
Lan hau Creative Commons Aitortu 4.0 Nazioarteko Lizentziapean dago. Artikulu honetako irudiak edo hirugarrenen beste materiala artikuluaren Creative Commons lizentzian sartuta daude, kreditu-lerroan bestelakorik adierazten ez bada; materiala Creative Commons lizentziapean sartzen ez bada, erabiltzaileek lizentziaren titularraren baimena lortu beharko dute materiala erreproduzitzeko. Lizentzia honen kopia bat ikusteko, bisitatu http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Efektu fotovoltaikoaren jatorria YBa2Cu3O6.96 zeramika supereroaleetan. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Iruzkin bat bidaliz gure Baldintzak eta Komunitate-gidalerroak errespetatzea onartzen duzu. Gehiegizko zerbait aurkitzen baduzu edo gure baldintzak edo gidalerroak betetzen ez dituena, markatu desegokia dela.
Argitalpenaren ordua: 2020-04-22