Origine de l'effet photovoltaïque dans les céramiques supraconductrices YBa₂Cu₃O₆,₉₆

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Nous rapportons un remarquable effet photovoltaïque dans la céramique YBa₂Cu₃O₆,₉₆ (YBCO) entre 50 et 300 K, induit par un laser bleu. Cet effet est directement lié à la supraconductivité de YBCO et à l'interface YBCO-électrode métallique. On observe une inversion de polarité de la tension en circuit ouvert V_oc et du courant de court-circuit I_sc lors de la transition de YBCO de l'état supraconducteur à l'état résistif. Nous montrons l'existence d'un potentiel électrique à l'interface supraconducteur-métal normal, qui génère la force de séparation des paires électron-trou photo-induites. Ce potentiel d'interface est orienté de YBCO vers l'électrode métallique lorsque YBCO est supraconducteur et s'inverse lorsque YBCO devient non supraconducteur. L'origine de ce potentiel peut être facilement associée à l'effet de proximité à l'interface métal-supraconducteur lorsque YBCO est supraconducteur. Sa valeur est estimée à environ 10⁻⁸ mV à 50 K pour une intensité laser de 502 mW/cm². L'association d'un matériau de type p, le YBCO, à l'état normal, avec une pâte d'argent (matériau de type n) forme une jonction quasi-pn, responsable du comportement photovoltaïque des céramiques YBCO à haute température. Nos résultats pourraient ouvrir la voie à de nouvelles applications des dispositifs photoélectroniques et apporter un éclairage nouveau sur l'effet de proximité à l'interface supraconducteur-métal.

La tension photo-induite dans les supraconducteurs à haute température a été rapportée au début des années 1990 et fait l'objet de nombreuses recherches depuis lors. Cependant, sa nature et son mécanisme restent encore mal compris^1,2,3,4,5. Les couches minces de YBa₂Cu₃O_7-δ (YBCO)^6,7,8, en particulier, sont étudiées intensivement sous forme de cellules photovoltaïques (PV) en raison de leur bande interdite ajustable^{9,10,11,12,13}. Toutefois, la résistance élevée du substrat entraîne généralement un faible rendement de conversion du dispositif et masque les propriétés photovoltaïques intrinsèques du YBCO⁸. Nous rapportons ici un effet photovoltaïque remarquable induit par l'illumination d'un laser bleu (λ = 450 nm) dans une céramique de YBa₂Cu₃O_6,96 (YBCO) entre 50 et 300 K (Tc ~ 90 K). Nous montrons que cet effet photovoltaïque est directement lié à la supraconductivité du YBCO et à la nature de l'interface YBCO-électrode métallique. On observe une inversion de polarité entre la tension en circuit ouvert Voc et le courant de court-circuit Isc lors de la transition de YBCO de la phase supraconductrice à l'état résistif. Il est proposé qu'un potentiel électrique existe à l'interface supraconducteur-métal normal, ce potentiel induisant une force de séparation pour les paires électron-trou photo-induites. Ce potentiel d'interface est orienté de YBCO vers l'électrode métallique lorsque YBCO est supraconducteur et s'inverse lorsque l'échantillon devient non supraconducteur. L'origine de ce potentiel pourrait être naturellement liée à l'effet de proximité^14,15,16,17 à l'interface métal-supraconducteur lorsque YBCO est supraconducteur. Sa valeur est estimée à environ 10^-8 mV à 50 K pour une intensité laser de 502 mW/cm². L'association d'un matériau de type p (YBCO) à l'état normal avec un matériau de type n (pâte d'argent) forme très probablement une jonction quasi-pn, responsable du comportement photovoltaïque des céramiques YBCO à haute température. Nos observations éclairent davantage l'origine de l'effet PV dans les céramiques supraconductrices YBCO à haute température et ouvrent la voie à son application dans des dispositifs optoélectroniques tels que les détecteurs de lumière passifs rapides, etc.

Les figures 1a à 1c présentent les caractéristiques courant-tension (I-V) d'un échantillon de céramique YBCO à 50 K. En l'absence d'illumination, la tension aux bornes de l'échantillon reste nulle, quelle que soit la variation du courant, comme attendu pour un matériau supraconducteur. Un effet photovoltaïque significatif apparaît lorsque le faisceau laser est dirigé vers la cathode (figure 1a) : la pente de la courbe I-V, parallèle à l'axe des courants, diminue avec l'augmentation de l'intensité du laser. On observe une tension photo-induite négative, même en l'absence de courant (souvent appelée tension en circuit ouvert Voc). La pente nulle de la courbe I-V indique que l'échantillon reste supraconducteur sous illumination laser.

(a–c) et 300 K (e–g). Les valeurs de V(I) ont été obtenues en balayant le courant de −10 mA à +10 mA sous vide. Seule une partie des données expérimentales est présentée par souci de clarté. a, Caractéristiques courant-tension du YBCO mesurées avec le spot laser positionné sur la cathode (i). Toutes les courbes IV sont des droites horizontales, indiquant que l'échantillon reste supraconducteur sous irradiation laser. La courbe se déplace vers le bas avec l'augmentation de l'intensité laser, indiquant l'existence d'un potentiel négatif (Voc) entre les deux bornes de tension, même en l'absence de courant. Les courbes IV restent inchangées lorsque le laser est dirigé vers le centre de l'échantillon à 50 K (b) ou 300 K (f). La ligne horizontale se déplace vers le haut lorsque l'anode est éclairée (c). Un modèle schématique de la jonction métal-supraconducteur à 50 K est présenté en d. Les caractéristiques courant-tension du YBCO à l'état normal à 300 K, mesurées avec le faisceau laser dirigé vers la cathode et l'anode, sont données respectivement en e et g. Contrairement aux résultats obtenus à 50 K, la pente non nulle des droites indique que YBCO est à l'état normal ; les valeurs de Voc varient avec l'intensité lumineuse en sens inverse, ce qui suggère un mécanisme de séparation de charges différent. Une structure d'interface possible à 300 K est représentée sur la figure hj. L'image réelle de l'échantillon avec ses électrodes est également présentée.

Le YBCO riche en oxygène à l'état supraconducteur peut absorber la quasi-totalité du spectre solaire grâce à sa très faible bande interdite (Eg)^9,10, créant ainsi des paires électron-trou (e-h). Pour générer une tension en circuit ouvert V_oc par absorption de photons, il est nécessaire de séparer spatialement les paires e-h photogénérées avant leur recombinaison¹⁸. La tension V_oc négative, par rapport à la cathode et à l'anode (Fig. 1i), suggère l'existence d'un potentiel électrique à l'interface métal-supraconducteur, qui attire les électrons vers l'anode et les trous vers la cathode. Dans ce cas, un potentiel devrait également exister du supraconducteur vers l'électrode métallique (anode). Par conséquent, une tension V_oc positive serait obtenue si la zone de l'échantillon proche de l'anode était éclairée. De plus, aucune tension photo-induite ne devrait apparaître lorsque le faisceau laser est dirigé vers des zones éloignées des électrodes. C'est effectivement le cas, comme le montrent les figures 1b et 1c.

Lorsque le faisceau lumineux se déplace de l'électrode cathodique vers le centre de l'échantillon (à environ 1,25 mm des interfaces), aucune variation des courbes I-V ni aucune tension en circuit ouvert (Voc) ne sont observées, même en augmentant l'intensité laser jusqu'à sa valeur maximale (Fig. 1b). Ce résultat s'explique naturellement par la durée de vie limitée des porteurs photo-induits et l'absence de force de séparation dans l'échantillon. Des paires électron-trou peuvent être créées lors de l'illumination de l'échantillon, mais la plupart de ces paires s'annihilent et aucun effet photovoltaïque n'est observé si le faisceau laser éclaire des zones éloignées des électrodes. En déplaçant le faisceau laser vers les électrodes anodiques, les courbes I-V parallèles à l'axe I se déplacent vers le haut avec l'augmentation de l'intensité laser (Fig. 1c). Un champ électrique interne similaire existe à la jonction métal-supraconducteur de l'anode. Cependant, cette fois-ci, l'électrode métallique est connectée à la borne positive du système de test. Les trous produits par le laser sont repoussés vers la borne anodique, ce qui explique l'apparition d'une tension en circuit ouvert positive. Les résultats présentés ici apportent la preuve convaincante qu'il existe bien un potentiel d'interface pointant du supraconducteur vers l'électrode métallique.

L'effet photovoltaïque dans la céramique YBa₂Cu₃O₆,₉₆ à 300 K est illustré sur la figure 1e–g. En l'absence d'illumination, la courbe I-V de l'échantillon est une droite passant par l'origine. Cette droite se déplace parallèlement à la courbe initiale lorsque l'intensité du laser irradiant les électrodes de la cathode augmente (figure 1e). Deux cas limites sont à considérer pour un dispositif photovoltaïque. Le court-circuit se produit lorsque V = 0. Le courant dans ce cas est appelé courant de court-circuit (Isc). Le second cas limite est le circuit ouvert (Voc), qui se produit lorsque R → ∞ ou lorsque le courant est nul. La figure 1e montre clairement que Voc est positif et augmente avec l'intensité lumineuse, contrairement au résultat obtenu à 50 K ; tandis que le courant Isc négatif augmente en valeur absolue avec l'illumination, un comportement typique des cellules solaires classiques.

De même, lorsque le faisceau laser est dirigé vers des zones éloignées des électrodes, la courbe V(I) est indépendante de l'intensité du laser et aucun effet photovoltaïque n'apparaît (Fig. 1f). Comme lors de la mesure à 50 K, les courbes IV se déplacent dans la direction opposée lorsque l'électrode anodique est irradiée (Fig. 1g). L'ensemble de ces résultats, obtenus pour ce système de pâte YBCO-Ag à 300 K avec une irradiation laser appliquée à différents endroits de l'échantillon, est cohérent avec un potentiel d'interface opposé à celui observé à 50 K.

Dans le supraconducteur YBCO, en dessous de sa température de transition Tc, la plupart des électrons se condensent en paires de Cooper. Dans l'électrode métallique, tous les électrons restent sous forme singulière. Un fort gradient de densité existe pour les électrons singuliers et les paires de Cooper au voisinage de l'interface métal-supraconducteur. Les électrons singuliers, porteurs majoritaires dans le matériau métallique, diffusent vers la région supraconductrice, tandis que les paires de Cooper, également porteurs majoritaires dans la région YBCO, diffusent vers la région métallique. Lorsque les paires de Cooper, porteuses de charges plus importantes et présentant une mobilité supérieure à celle des électrons singuliers, diffusent de YBCO vers la région métallique, des atomes chargés positivement sont laissés derrière, générant un champ électrique dans la région de charge d'espace. La direction de ce champ électrique est illustrée sur le schéma de la figure 1d. L'illumination par des photons incidents à proximité de la région de charge d'espace peut créer des paires e_h qui se séparent et sont entraînées vers l'extérieur, produisant un photocourant de polarisation inverse. Dès que les électrons sortent du champ électrique interne, ils se condensent en paires et migrent vers l'autre électrode sans résistance. Dans ce cas, la tension en circuit ouvert (Voc) est de polarité opposée à celle prédéfinie et présente une valeur négative lorsque le faisceau laser est dirigé vers la zone autour de l'électrode négative. À partir de la valeur de Voc, le potentiel à l'interface peut être estimé : la distance entre les deux électrodes de tension, d, est d'environ 5 × 10⁻³ m ; l'épaisseur de l'interface métal-supraconducteur, di, est du même ordre de grandeur que la longueur de cohérence du supraconducteur YBCO (environ 1 nm)¹⁹,²⁰ ; en prenant la valeur de Voc = 0,03 mV, le potentiel Vms à l'interface métal-supraconducteur est estimé à environ 10⁻¹¹ V à 50 K pour une intensité laser de 502 mW/cm², en utilisant l'équation…

Nous tenons à souligner que la tension photo-induite ne peut être expliquée par l'effet photothermique. Il a été établi expérimentalement que le coefficient Seebeck du supraconducteur YBCO est Ss = 0,21. Le coefficient Seebeck des fils conducteurs en cuivre se situe dans la gamme SCu = 0,34–1,15 μV/K³. La température du fil de cuivre au point d'impact du laser peut être élevée de seulement 0,06 K, l'intensité laser maximale étant atteinte à 50 K. Ceci pourrait produire un potentiel thermoélectrique de 6,9 ​​× 10⁻⁸ V, soit trois ordres de grandeur inférieur à la tension Voc obtenue sur la figure 1(a). Il est évident que l'effet thermoélectrique est trop faible pour expliquer les résultats expérimentaux. En réalité, la variation de température due à l'irradiation laser disparaît en moins d'une minute, de sorte que la contribution de l'effet thermique peut être négligée.

Cet effet photovoltaïque du YBCO à température ambiante révèle l'implication d'un mécanisme de séparation de charges différent. Le YBCO supraconducteur à l'état normal est un matériau de type p, les trous étant les porteurs de charge^22,23, tandis que la pâte d'argent métallique présente les caractéristiques d'un matériau de type n. À l'instar des jonctions pn, la diffusion des électrons dans la pâte d'argent et des trous dans la céramique YBCO génère un champ électrique interne dirigé vers la céramique YBCO à l'interface (Fig. 1h). C'est ce champ interne qui induit la force de séparation et explique la tension en circuit ouvert (Voc) positive et le courant de court-circuit (Isc) négatif du système YBCO-pâte d'argent à température ambiante, comme illustré sur la Fig. 1e. Par ailleurs, l'interface Ag-YBCO pourrait former une jonction Schottky de type p, générant également un potentiel d'interface de même polarité que dans le modèle présenté précédemment²⁴.

Afin d'étudier en détail l'évolution des propriétés photovoltaïques lors de la transition supraconductrice du YBCO, les courbes I-V de l'échantillon à 80 K ont été mesurées sous différentes intensités laser, l'électrode cathodique étant éclairée (Fig. 2). En l'absence d'irradiation laser, la tension aux bornes de l'échantillon reste nulle, indépendamment du courant, ce qui indique l'état supraconducteur de l'échantillon à 80 K (Fig. 2a). Comme pour les données obtenues à 50 K, les courbes I-V parallèles à l'axe I se déplacent vers le bas lorsque l'intensité laser augmente, jusqu'à atteindre une valeur critique Pc. Au-delà de cette intensité critique (Pc), le supraconducteur subit une transition de phase supraconductrice à une phase résistive ; la tension commence alors à augmenter avec le courant en raison de l'apparition d'une résistance dans le supraconducteur. Par conséquent, la courbe I-V commence à se croiser avec les axes I et V, ce qui conduit initialement à une tension en circuit ouvert (Voc) négative et à un courant de court-circuit (Isc) positif. L'échantillon semble alors se trouver dans un état particulier où la polarité de Voc et Isc est extrêmement sensible à l'intensité lumineuse. Pour une très faible augmentation de l'intensité lumineuse, Isc passe d'une valeur positive à une valeur négative et Voc d'une valeur négative à une valeur positive, en passant par l'origine (la forte sensibilité des propriétés photovoltaïques, notamment la valeur de Isc, à l'illumination est plus clairement visible sur la figure 2b). À l'intensité laser maximale disponible, les courbes I-V tendent à être parallèles, ce qui indique l'état normal de l'échantillon YBCO.

Le centre du spot laser est positionné autour des électrodes de la cathode (voir Fig. 1i). a, Courbes I-V de YBCO irradié à différentes intensités laser. b (en haut), Dépendance de la tension en circuit ouvert Voc et du courant de court-circuit Isc à l'intensité laser. Les valeurs de Isc ne peuvent être obtenues à faible intensité lumineuse (< 110 mW/cm²) car les courbes I-V sont parallèles à l'axe I lorsque l'échantillon est supraconducteur. b (en bas), Résistance différentielle en fonction de l'intensité laser.

La dépendance de Voc et Isc à l'intensité laser à 80 K est illustrée sur la figure 2b (en haut). Les propriétés photovoltaïques peuvent être analysées dans trois régions d'intensité lumineuse. La première région, comprise entre 0 et Pc, correspond à la supraconductivité de YBCO. Voc y est négative et diminue (sa valeur absolue augmente) avec l'intensité lumineuse, atteignant un minimum à Pc. La deuxième région s'étend de Pc à une autre intensité critique P0. Voc y augmente tandis que Isc diminue avec l'intensité lumineuse, les deux valeurs s'annulant à P0. La troisième région se situe au-dessus de P0, jusqu'à l'atteinte de l'état normal de YBCO. Bien que Voc et Isc varient avec l'intensité lumineuse de la même manière que dans la deuxième région, leur polarité est opposée au-dessus de l'intensité critique P0. L'importance de P0 réside dans le fait qu'aucun effet photovoltaïque n'est observé et que le mécanisme de séparation de charges change qualitativement à ce point précis. L'échantillon de YBCO devient non supraconducteur dans cette gamme d'intensité lumineuse, mais l'état normal n'est pas encore atteint.

Il est clair que les caractéristiques photovoltaïques du système sont étroitement liées à la supraconductivité du YBCO et à sa transition supraconductrice. La résistance différentielle, dV/dI, du YBCO est représentée sur la figure 2b (en bas) en fonction de l'intensité laser. Comme mentionné précédemment, le potentiel électrique interne à l'interface, dû à la diffusion des paires de Cooper, est orienté du supraconducteur vers le métal. Similaire à ce qui est observé à 50 K, l'effet photovoltaïque est renforcé lorsque l'intensité laser augmente de 0 à Pc. Lorsque l'intensité laser atteint une valeur légèrement supérieure à Pc, la courbe I-V commence à s'incliner et la résistance de l'échantillon apparaît, mais la polarité du potentiel d'interface reste inchangée. L'effet de l'excitation optique sur la supraconductivité a été étudié dans le visible et le proche infrarouge. Si le processus fondamental consiste à rompre les paires de Cooper et à détruire la supraconductivité^25,26, dans certains cas, la transition supraconductrice peut être renforcée^27,28,29, voire induite, de nouvelles phases de supraconductivité³⁰. L'absence de supraconductivité au point Pc peut être attribuée à la rupture de paires photo-induite. Au point P0, le potentiel à l'interface s'annule, indiquant que la densité de charge de part et d'autre de l'interface atteint le même niveau sous cette intensité lumineuse particulière. Une augmentation supplémentaire de l'intensité laser entraîne la destruction d'un plus grand nombre de paires de Cooper et la transformation progressive du YBCO en un matériau de type p. Au lieu de la diffusion des électrons et des paires de Cooper, les caractéristiques de l'interface sont désormais déterminées par la diffusion des électrons et des trous, ce qui induit une inversion de polarité du champ électrique à l'interface et, par conséquent, une tension en circuit ouvert (Voc) positive (voir Fig. 1d et 1h). À très haute intensité laser, la résistance différentielle du YBCO se stabilise à une valeur correspondant à l'état normal et Voc et Isc tendent à varier linéairement avec l'intensité laser (Fig. 2b). Cette observation révèle que l'irradiation laser du YBCO à l'état normal ne modifie plus sa résistivité ni les caractéristiques de l'interface supraconducteur-métal, mais augmente seulement la concentration des paires électron-trou.

Pour étudier l'influence de la température sur les propriétés photovoltaïques, le système métal-supraconducteur a été irradié à la cathode par un laser bleu d'intensité 502 mW/cm². Les courbes I-V obtenues à différentes températures entre 50 et 300 K sont présentées sur la figure 3a. La tension en circuit ouvert Voc, le courant de court-circuit Isc et la résistance différentielle, déduits de ces courbes I-V, sont illustrés sur la figure 3b. En l'absence d'illumination, toutes les courbes I-V mesurées à différentes températures passent par l'origine, comme prévu (encart de la figure 3a). Les caractéristiques I-V évoluent fortement avec l'augmentation de la température lorsque le système est illuminé par un faisceau laser relativement intense (502 mW/cm²). À basse température, les courbes I-V sont des droites parallèles à l'axe I, avec des valeurs négatives de Voc. Cette courbe se déplace vers le haut lorsque la température augmente et se transforme progressivement en une droite de pente non nulle à une température critique Tcp (figure 3a, en haut). Il semble que toutes les courbes caractéristiques I-V pivotent autour d'un point situé dans le troisième quadrant. La tension en circuit ouvert (Voc) augmente d'une valeur négative à une valeur positive, tandis que le courant de court-circuit (Isc) diminue d'une valeur positive à une valeur négative. Au-dessus de la température de transition supraconductrice initiale Tc du YBCO, la courbe courant-tension (I-V) évolue de manière assez différente avec la température (partie inférieure de la figure 3a). Premièrement, le centre de rotation des courbes I-V se déplace vers le premier quadrant. Deuxièmement, Voc continue de diminuer et Isc d'augmenter avec la température (partie supérieure de la figure 3b). Troisièmement, la pente des courbes I-V augmente linéairement avec la température, ce qui se traduit par un coefficient de température de résistance positif pour le YBCO (partie inférieure de la figure 3b).

Dépendance en température des caractéristiques photovoltaïques du système de pâte YBCO-Ag sous un éclairage laser de 502 mW/cm2.

Le centre du spot laser est positionné autour des électrodes de la cathode (voir Fig. 1i). a, Courbes I-V obtenues de 50 à 90 K (en haut) et de 100 à 300 K (en bas), avec un incrément de température de 5 K et 20 K respectivement. L'encart a montre les caractéristiques I-V à différentes températures à l'obscurité. Toutes les courbes passent par l'origine. b, Tension en circuit ouvert Voc et courant de court-circuit Isc (en haut) et résistance différentielle, dV/dI, de YBCO (en bas) en fonction de la température. La température de transition supraconductrice à résistance nulle Tcp n'est pas indiquée car elle est trop proche de Tc0.

Trois températures critiques peuvent être identifiées sur la figure 3b : Tcp, au-delà de laquelle YBCO perd son comportement supraconducteur ; Tc0, à laquelle Voc et Isc s’annulent ; et Tc, la température de transition supraconductrice initiale de YBCO sans irradiation laser. En dessous de Tcp ≈ 55 K, YBCO irradié par laser est supraconducteur et présente une concentration relativement élevée de paires de Cooper. L’irradiation laser a pour effet de réduire la température de transition supraconductrice à résistance nulle de 89 K à ≈ 55 K (bas de la figure 3b) en diminuant la concentration de paires de Cooper, tout en générant une tension et un courant photovoltaïques. L’augmentation de la température provoque également la dissociation des paires de Cooper, ce qui entraîne une diminution du potentiel à l’interface. Par conséquent, la valeur absolue de Voc diminue, même pour une intensité d’illumination laser constante. Le potentiel d’interface diminue progressivement avec l’augmentation de la température et s’annule à Tc0. À ce point précis, aucun effet photovoltaïque n’est observé, car aucun champ interne n’est présent pour séparer les paires électron-trou photo-induites. Une inversion de polarité du potentiel se produit au-dessus de cette température critique, la densité de charge libre dans la pâte d'argent étant supérieure à celle dans le YBCO, ce dernier étant progressivement reconverti en matériau de type p. Il est important de souligner que l'inversion de polarité de Voc et Isc survient immédiatement après la transition supraconductrice à résistance nulle, quelle qu'en soit la cause. Cette observation révèle clairement, pour la première fois, la corrélation entre la supraconductivité et les effets photovoltaïques associés au potentiel d'interface métal-supraconducteur. La nature de ce potentiel à l'interface supraconducteur-métal normal fait l'objet de recherches depuis plusieurs décennies, mais de nombreuses questions restent encore sans réponse. La mesure de l'effet photovoltaïque pourrait s'avérer une méthode efficace pour explorer les détails (tels que son intensité et sa polarité) de ce potentiel important et ainsi éclairer l'effet de proximité supraconducteur à haute température.

Une augmentation supplémentaire de la température de Tc0 à Tc entraîne une diminution de la concentration des paires de Cooper et une augmentation du potentiel d'interface, d'où une tension en circuit ouvert (Voc) plus élevée. À Tc, la concentration des paires de Cooper s'annule et le potentiel interne à l'interface atteint son maximum, ce qui se traduit par une Voc maximale et un courant de court-circuit (Isc) minimal. L'augmentation rapide de Voc et Isc (en valeur absolue) dans cette gamme de températures correspond à la transition supraconductrice, dont la température critique (ΔT) passe d'environ 3 K à environ 34 K sous l'effet d'une irradiation laser d'intensité 502 mW/cm² (Fig. 3b). À l'état normal, au-dessus de Tc, la tension en circuit ouvert Voc diminue avec la température (partie supérieure de la Fig. 3b), un comportement similaire à celui observé pour les cellules solaires classiques à jonctions pn^31,32,33. Bien que la variation de Voc en fonction de la température (−dVoc/dT), fortement dépendante de l'intensité laser, soit bien inférieure à celle des cellules solaires classiques, le coefficient de température de Voc pour la jonction YBCO-Ag est du même ordre de grandeur. Le courant de fuite d'une jonction pn dans une cellule solaire classique augmente avec la température, entraînant une diminution de Voc. La linéarité des courbes I-V observées pour ce système Ag-supraconducteur, due d'une part au très faible potentiel d'interface et d'autre part à la connexion directe des deux hétérojonctions, rend difficile la détermination du courant de fuite. Néanmoins, il est fort probable que cette même dépendance en température du courant de fuite soit responsable du comportement de Voc observé expérimentalement. Par définition, Isc est le courant nécessaire pour générer une tension négative compensant Voc et annuler la tension totale. Lorsque la température augmente, Voc diminue, réduisant ainsi le courant nécessaire pour générer cette tension négative. De plus, la résistance du YBCO augmente linéairement avec la température au-dessus de Tc (bas de la Fig. 3b), ce qui contribue également à la plus petite valeur absolue de Isc à haute température.

Il est à noter que les résultats présentés dans les figures 2 et 3 sont obtenus par irradiation laser de la zone entourant les électrodes de la cathode. Des mesures ont également été répétées avec le spot laser positionné sur l'anode ; des caractéristiques courant-tension et des propriétés photovoltaïques similaires ont été observées, à l'exception de la polarité de Voc et Isc qui est inversée dans ce cas. L'ensemble de ces données permet de proposer un mécanisme pour l'effet photovoltaïque, étroitement lié à l'interface supraconducteur-métal.

En résumé, les caractéristiques courant-tension (I-V) d'un système de pâte supraconductrice YBCO-Ag irradié par laser ont été mesurées en fonction de la température et de l'intensité laser. Un effet photovoltaïque remarquable a été observé dans la gamme de températures de 50 à 300 K. Il a été constaté que les propriétés photovoltaïques sont fortement corrélées à la supraconductivité de la céramique YBCO. Une inversion de polarité de Voc et Isc se produit immédiatement après la transition photo-induite de l'état supraconducteur à l'état non supraconducteur. La dépendance en température de Voc et Isc, mesurée à intensité laser constante, montre également une nette inversion de polarité à une température critique au-delà de laquelle l'échantillon devient résistif. En déplaçant le faisceau laser sur différentes parties de l'échantillon, nous montrons qu'il existe un potentiel électrique à l'interface, qui génère la force de séparation des paires électron-trou photo-induites. Ce potentiel d'interface est orienté de YBCO vers l'électrode métallique lorsque YBCO est supraconducteur et s'inverse lorsque l'échantillon devient non supraconducteur. L'origine du potentiel est probablement liée à l'effet de proximité à l'interface métal-supraconducteur lorsque YBCO est supraconducteur. Ce potentiel est estimé à environ 10⁻⁸ mV à 50 K pour une intensité laser de 502 mW/cm². Le contact entre un matériau de type p (YBCO) à l'état normal et une pâte d'argent (Ag) de type n forme une quasi-jonction pn, responsable du comportement photovoltaïque des céramiques YBCO à haute température. Ces observations éclairent l'effet photovoltaïque dans les céramiques supraconductrices YBCO à haute température et ouvrent la voie à de nouvelles applications dans les dispositifs optoélectroniques, tels que les détecteurs de lumière passifs rapides et les détecteurs de photons uniques.

Les expériences d'effet photovoltaïque ont été réalisées sur un échantillon de céramique YBCO de 0,52 mm d'épaisseur et de forme rectangulaire (8,64 × 2,26 mm²), illuminé par un laser bleu à onde continue (λ = 450 nm) avec un rayon de spot laser de 1,25 mm. L'utilisation d'un échantillon massif plutôt que d'un film mince permet d'étudier les propriétés photovoltaïques du supraconducteur sans être influencé par le substrat⁶,⁷. De plus, le matériau massif présente l'avantage d'une préparation simple et d'un coût relativement faible. Les fils conducteurs en cuivre sont fixés sur l'échantillon YBCO à l'aide de pâte d'argent, formant ainsi quatre électrodes circulaires d'environ 1 mm de diamètre. La distance entre les deux électrodes de tension est d'environ 5 mm. Les caractéristiques courant-tension (I-V) de l'échantillon ont été mesurées à l'aide d'un magnétomètre à échantillon vibrant (VersaLab, Quantum Design) équipé d'une fenêtre en cristal de quartz. La méthode standard à quatre fils a été utilisée pour obtenir les courbes I-V. Les positions relatives des électrodes et du spot laser sont illustrées sur la figure 1i.

Comment citer cet article : Yang, F. et al. Origine de l’effet photovoltaïque dans les céramiques supraconductrices YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504 ; doi : 10.1038/srep11504 (2015).

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Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subvention n° 60571063) et les projets de recherche fondamentale de la province du Henan, en Chine (subvention n° 122300410231).

FY a rédigé le texte de l'article et MYH a préparé l'échantillon de céramique YBCO. FY et MYH ont réalisé l'expérience et analysé les résultats. FGC a dirigé le projet et l'interprétation scientifique des données. Tous les auteurs ont relu le manuscrit.

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