Bunús éifeacht fhótavoltach i gceirmeacha YBa2Cu3O6.96 forsheoltacha

Go raibh maith agat as cuairt a thabhairt ar nature.com. Tá leagan brabhsálaí in úsáid agat a bhfuil tacaíocht theoranta do CSS aige. Chun an taithí is fearr a fháil, molaimid duit brabhsálaí níos déanaí a úsáid (nó mód comhoiriúnachta a mhúchadh in Internet Explorer). Idir an dá linn, chun tacaíocht leanúnach a chinntiú, táimid ag taispeáint an tsuímh gan stíleanna ná JavaScript.

Tuairiscímid éifeacht fhótavoltach suntasach i gceirmeach YBa2Cu3O6.96 (YBCO) idir 50 agus 300 K arna spreagadh ag soilsiú léasair ghoirm, rud a bhaineann go díreach le forsheoltacht YBCO agus an comhéadan leictreoid YBCO-mhiotalach. Bíonn aisiompú polaraíochta ann don voltas ciorcaid oscailte Voc agus don sruth gearrchiorcaid Isc nuair a théann YBCO faoi aistriú ó staid fhorsheoltachta go staid fhriotaíoch. Taispeánaimid go bhfuil poitéinseal leictreach trasna an chomhéadain forsheoltóra-miotail gnáth, a sholáthraíonn an fórsa deighilte do na péirí leictreon-poll fóta-spreagtha. Treoraíonn an poitéinseal comhéadain seo ó YBCO go dtí an leictreoid miotail nuair a bhíonn YBCO forsheoltach agus aistríonn sé go dtí an treo eile nuair a éiríonn YBCO neamh-fhorsheoltach. Is féidir bunús an phoitéinsil a cheangal go héasca leis an éifeacht gaireachta ag an gcomhéadan miotail-forsheoltóra nuair a bhíonn YBCO forsheoltach agus meastar go bhfuil a luach ~10–8 mV ag 50 K le déine léasair de 502 mW/cm2. Cruthaíonn meascán d'ábhar de chineál p YBCO i riocht gnáth le hábhar de chineál n Ag-greamaigh acomhal quasi-pn atá freagrach as iompar fótavoltach criadóireachta YBCO ag teochtaí arda. D'fhéadfadh ár dtorthaí an bealach a réiteach d'fheidhmchláir nua gléasanna fótóin-leictreonacha agus tuilleadh solais a chaitheamh ar an éifeacht gaireachta ag an gcomhéadan forsheoltóra-miotail.

Tuairiscíodh voltas fóta-spreagtha i bhforsheoltóirí ardteochta go luath sna 1990idí agus rinneadh imscrúdú fairsing air ó shin i leith, ach níl a nádúr agus a mheicníocht socraithe go fóill1,2,3,4,5. Déantar staidéar dian ar scannáin thanaí YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8 go háirithe i bhfoirm cealla fótavoltacha (PV) mar gheall ar a bhearna fuinnimh inchoigeartaithe9,10,11,12,13. Mar sin féin, bíonn éifeachtúlacht chomhshó íseal ag an bhfeiste i gcónaí mar thoradh ar fhriotaíocht ard an tsubstráit agus cuireann sí múchadh ar phríomhairíonna PV YBCO8. Anseo, tuairiscímid éifeacht fhótavoltach shuntasach a spreagtar le soilsiú léasair ghoirm (λ = 450 nm) i gceirmeach YBa2Cu3O6.96 (YBCO) idir 50 agus 300 K (Tc ~ 90 K). Taispeánaimid go bhfuil baint dhíreach ag an éifeacht PV le forsheoltacht YBCO agus nádúr an chomhéadain leictreoid mhiotalach YBCO. Bíonn aisiompú polaraíochta ann don voltas ciorcaid oscailte Voc agus don sruth gearrchiorcaid Isc nuair a théann YBCO faoi aistriú ó chéim fhorsheoltóra go staid fhriotaíoch. Moltar go bhfuil poitéinseal leictreach trasna an chomhéadain forsheoltóra-miotail gnáth, a sholáthraíonn an fórsa deighilte do na péirí leictreon-poll fóta-spreagtha. Treoraíonn an poitéinseal comhéadain seo ó YBCO go dtí an leictreoid miotail nuair a bhíonn YBCO forsheoltóra agus aistríonn sé go dtí an treo eile nuair a éiríonn an sampla neamh-fhorsheoltóra. D’fhéadfadh bunús an phoitéinsil a bheith bainteach go nádúrtha leis an éifeacht gaireachta14,15,16,17 ag an gcomhéadan miotail-fhorsheoltóra nuair a bhíonn YBCO forsheoltóra agus meastar go bhfuil a luach ~10−8 mV ag 50 K le déine léasair de 502 mW/cm2. Is dóichí go bhfoirmíonn teaglaim d’ábhar de chineál p YBCO i staid gnáth le hábhar de chineál n Ag-greamaigh acomhal quasi-pn atá freagrach as iompar PV criadóireachta YBCO ag teochtaí arda. Caitheann ár mbreathnuithe tuilleadh solais ar bhunús éifeacht PV i gcriadóireacht YBCO forsheoltacha ardteochta agus réitíonn siad an bealach dá cur i bhfeidhm i bhfeistí optoelectronic amhail brathadóirí solais éighníomhacha tapa etc.

Léiríonn Fíor 1a–c tréithe IV an tsampla ceirmeach YBCO ag 50 K. Gan soilsiú solais, fanann an voltas trasna an tsampla ag náid de réir mar a athraíonn an sruth, mar is féidir a bheith ag súil leis ó ábhar forsheoltach. Feictear éifeacht fhótavoltach shoiléir nuair a dhírítear bhíoma léasair ar an gcatóid (Fíor 1a): bogann na cuartha IV comhthreomhar leis an ais-I anuas de réir mar a mhéadaíonn déine an léasair. Is léir go bhfuil voltas diúltach fótaspreagtha ann fiú gan aon sruth (ar a dtugtar voltas ciorcaid oscailte Voc go minic). Léiríonn fána nialasach na cuartha IV go bhfuil an sampla fós forsheoltach faoi shoilsiú léasair.

(a–c) agus 300 K (e–g). Fuarthas luachanna V(I) tríd an sruth a scuabadh ó −10 mA go +10 mA i bhfolús. Ní chuirtear ach cuid de na sonraí turgnamhacha i láthair ar mhaithe le soiléireacht. a, Saintréithe reatha-voltais YBCO tomhaiste le spota léasair suite ag an gcatóid (i). Is línte díreacha cothrománacha iad na cuartha IV go léir a léiríonn go bhfuil an sampla fós forsheoltach le radaíocht léasair. Bogann an cuar síos de réir mar a mhéadaíonn déine an léasair, rud a léiríonn go bhfuil poitéinseal diúltach (Voc) idir an dá threoir voltais fiú le sruth nialasach. Fanann na cuartha IV gan athrú nuair a dhírítear an léasar ar lár an tsampla ag idir 50 K (b) nó 300 K (f). Bogann an líne chothrománach suas de réir mar a shoilsithear an anóid (c). Taispeántar samhail scéimeach den acomhal miotail-forsheoltóra ag 50 K i d. Tugtar saintréithe reatha-voltais YBCO i staid ghnáth ag 300 K tomhaiste le bhíoma léasair dírithe ar an gcatóid agus an anóid in e agus g faoi seach. I gcodarsnacht leis na torthaí ag 50 K, léiríonn fána neamh-nialasach na línte díreacha go bhfuil YBCO i riocht gnáth; athraíonn luachanna Voc le déine solais i dtreo eile, rud a léiríonn meicníocht dheighilte luchta difriúil. Léirítear struchtúr comhéadain féideartha ag 300 K in hj. An pictiúr fíor den sampla le luaidhe.

Is féidir le YBCO saibhir in ocsaigin i riocht forsheoltach beagnach speictream iomlán sholas na gréine a ionsú mar gheall ar a bhearna fuinnimh an-bheag (Eg)9,10, rud a chruthaíonn péirí leictreon-poll (e–h). Chun voltas ciorcaid oscailte Voc a tháirgeadh trí fhótón a ionsú, is gá péirí eh fóta-ghinte a dheighilt go spásúil sula dtarlaíonn athchuingriú18. Tugann an Voc diúltach, i gcoibhneas leis an gcatóid agus an anóid mar a léirítear i bhFíor 1i, le fios go bhfuil poitéinseal leictreach trasna an chomhéadain miotail-forsheoltóra, a scuabann na leictreoin chuig an anóid agus na poill chuig an gcatóid. Más amhlaidh atá, ba cheart go mbeadh poitéinseal ag díriú ón bhforsheoltóir go dtí an leictreoid miotail ag an anóid freisin. Dá bhrí sin, gheofaí Voc dearfach dá mbeadh an limistéar samplach in aice leis an anóid soilsithe. Ina theannta sin, níor cheart go mbeadh aon voltais fóta-spreagtha ann nuair a bhíonn an spota léasair á dhíriú ar cheantair i bhfad ó na leictreoidí. Is cinnte gurb amhlaidh atá mar is féidir a fheiceáil ó Fíor 1b,c!.

Nuair a bhogann an spota solais ón leictreoid catóide go lár an tsampla (thart ar 1.25 mm óna chéile ó na comhéadain), ní féidir aon athrú ar chuair IV ná aon Voc a fheiceáil de réir mar a mhéadaíonn déine an léasair go dtí an luach uasta atá ar fáil (Fíor 1b). Ar ndóigh, is féidir an toradh seo a chur i leith shaolré teoranta na n-iompróirí fóta-spreagtha agus an easpa fórsa deighilte sa sampla. Is féidir péirí leictreon-phoill a chruthú aon uair a shoilsithear an sampla, ach scriosfar formhór na péirí e-h agus ní fheictear aon éifeacht fhótavoltach má thiteann an spota léasair ar limistéir atá i bhfad ó aon cheann de na leictreoidí. Agus an spota léasair á bhogadh go dtí na leictreoidí anóid, bogann na cuair IV comhthreomhar leis an ais-I suas le déine an léasair atá ag méadú (Fíor 1c). Tá réimse leictreach ionsuite cosúil ann san acomhal miotail-fhorsheoltóra ag an anóid. Mar sin féin, nascann an leictreoid mhiotalach leis an luaidhe dearfach den chóras tástála an uair seo. Brúitear na poill a tháirgeann an léasar chuig an luaidhe anóid agus dá bhrí sin breathnaítear Voc dearfach. Soláthraíonn na torthaí a chuirtear i láthair anseo fianaise láidir go bhfuil poitéinseal comhéadain ann i ndáiríre ag pointeáil ón bhforsheoltóir go dtí an leictreoid miotail.

Taispeántar éifeacht fhótavoltach i gceirmeach YBa2Cu3O6.96 ag 300 K i bhFíor 1e–g. Gan soilsiú solais, is líne dhíreach í cuar IV an tsampla ag trasnú an bhunphointe. Bogann an líne dhíreach seo suas comhthreomhar leis an gceann bunaidh le déine léasair ag méadú ag radaíocht ag luaidhe an chatóide (Fíor 1e). Tá dhá chás teorannaithe spéisiúla ann do ghléas fótavoltach. Tarlaíonn an riocht gearrchiorcaid nuair a bhíonn V = 0. Tugtar an sruth gearrchiorcaid (Isc) ar an sruth sa chás seo. Is é an dara cás teorannaithe an riocht ciorcaid oscailte (Voc) a tharlaíonn nuair a bhíonn R→∞ nó an sruth nialasach. Léiríonn Fíor 1e go soiléir go bhfuil Voc dearfach agus go méadaíonn sé le déine solais ag méadú, i gcodarsnacht leis an toradh a fhaightear ag 50 K; agus breathnaítear ar Isc diúltach ag méadú i méid le soilsiú solais, iompar tipiciúil de chealla gréine gnáth.

Ar an gcaoi chéanna, nuair a dhírítear an bhíoma léasair ar cheantair atá i bhfad ó na leictreoidí, bíonn an cuar V(I) neamhspleách ar dhéine an léasair agus ní fheictear aon éifeacht fhótavoltach (Fíor 1f). Cosúil leis an tomhas ag 50 K, bogann na cuar IV sa treo eile de réir mar a dhéantar an leictreoid anóid a ionradaíocht (Fíor 1g). Tá na torthaí seo go léir a fuarthas don chóras greamaigh YBCO-Ag seo ag 300 K le léasar ionradaithe ag suíomhanna éagsúla den sampla comhsheasmhach le poitéinseal comhéadain os coinne an phoitéinseal a breathnaíodh ag 50 K.

Comhdhlúthaíonn formhór na leictreon i mbeirteanna Cooper i YBCO forsheoltach faoi bhun a theocht trasdulta Tc. Agus iad san leictreoid miotail, fanann na leictreoin go léir i bhfoirm uathúil. Tá grádán dlúis mór ann do leictreoin uathúla agus do bheirteanna Cooper araon i ngar don chomhéadan miotail-forsheoltóra. Scaipeann leictreoin uathúla tromlaigh iompróra in ábhar miotalach isteach sa réigiún forsheoltóra, ach scaipeann péirí Cooper tromlaigh iompróra i réigiún YBCO isteach sa réigiún miotail. De réir mar a scaipeann péirí Cooper a bhfuil níos mó luchtanna acu agus a bhfuil soghluaisteacht níos mó acu ná leictreoin uathúla ó YBCO isteach sa réigiún miotalach, fágtar adaimh luchtaithe go dearfach ina ndiaidh, rud a fhágann réimse leictreach sa réigiún luchta spáis. Taispeántar treo an réimse leictrigh seo sa léaráid scéimeach Fíor 1d. Is féidir le soilsiú fótóin teagmhais in aice leis an réigiún luchta spáis péirí eh a chruthú a dheighleofar agus a scuabfar amach ag táirgeadh fótachruth sa treo claonta droim ar ais. A luaithe a théann na leictreoin amach as an réimse leictreach ionsuite, comhdhlúthaítear iad i mbeirteanna agus sreabhann siad chuig an leictreoid eile gan fhriotaíocht. Sa chás seo, tá an Voc os coinne na polaraíochta réamhshocraithe agus taispeánann sé luach diúltach nuair a dhíríonn an bhíoma léasair ar an limistéar timpeall an leictreoid dhiúltaigh. Ó luach Voc, is féidir an poitéinseal trasna an chomhéadain a mheas: is é an fad idir an dá threoir voltais d ~5 × 10−3 m, ba cheart go mbeadh tiús an chomhéadain miotail-fhorsheoltóra, di, den ord méide céanna le fad comhtháthaithe fhorsheoltóra YBCO (~1 nm)19,20, glac luach Voc = 0.03 mV, meastar go bhfuil an poitéinseal Vms ag an gcomhéadan miotail-fhorsheoltóra ~10−11 V ag 50 K le déine léasair de 502 mW/cm2, ag baint úsáide as cothromóid,

Is mian linn a chur i bhfios anseo nach féidir an voltas fóta-spreagtha a mhíniú leis an éifeacht fhóta-theirmeach. Tá sé bunaithe go turgnamhach gurb é Ss = 021 comhéifeacht Seebeck an fhorsheoltóra YBCO. Tá comhéifeacht Seebeck sreanga luaidhe copair sa raon SCu = 0.34–1.15 μV/K3. Is féidir teocht na sreinge copair ag an láthair léasair a ardú beagán 0.06 K agus an déine léasair uasta ar fáil ag 50 K. D’fhéadfadh sé seo poitéinseal teirmileictreach de 6.9 × 10−8 V a tháirgeadh, atá trí ord méide níos lú ná an Voc a fhaightear i bhFíor 1 (a). Is léir go bhfuil an éifeacht teirmileictreach róbheag chun na torthaí turgnamhacha a mhíniú. Déanta na fírinne, imeoidh an t-athrú teochta mar gheall ar radaíocht léasair i níos lú ná nóiméad amháin ionas gur féidir neamhaird a dhéanamh go sábháilte ar an ranníocaíocht ón éifeacht theirmeach.

Léiríonn an éifeacht fhótavoltach seo de YBCO ag teocht an tseomra go bhfuil meicníocht dheighilte luchta difriúil i gceist anseo. Is ábhar de chineál p é YBCO forsheoltach i riocht gnáth le poill mar iompróir luchta22,23, ach tá tréithe ábhair de chineál n ag greamaigh Ag miotalach. Cosúil le hacomhail pn, cruthóidh scaipeadh leictreon sa ghreamaigh airgid agus sna poill i gceirmeach YBCO réimse leictreach inmheánach ag díriú ar an gceirmeach YBCO ag an gcomhéadan (Fíor 1h). Is é an réimse inmheánach seo a sholáthraíonn an fórsa deighilte agus a eascraíonn i Voc dearfach agus Isc diúltach don chóras greamaigh YBCO-Ag ag teocht an tseomra, mar a thaispeántar i bhFíor 1e. Nó, d'fhéadfadh Ag-YBCO acomhal Schottky de chineál p a fhoirmiú a eascraíonn i bpoitéinseal comhéadain leis an bpolaireacht chéanna agus atá sa mhúnla a cuireadh i láthair thuas24.

Chun imscrúdú a dhéanamh ar phróiseas mionsonraithe éabhlóide airíonna fótavoltacha le linn aistriú forsheoltachta YBCO, tomhaiseadh cuar IV an tsampla ag 80 K le déine léasair roghnaithe ag soilsiú ag leictreoid an chatóide (Fíor 2). Gan radaíocht léasair, fanann an voltas trasna an tsampla ag náid beag beann ar an sruth, rud a léiríonn staid forsheoltachta an tsampla ag 80 K (Fíor 2a). Cosúil leis na sonraí a fuarthas ag 50 K, bogann cuar IV comhthreomhar leis an ais-I síos le déine léasair ag méadú go dtí go sroichtear luach criticiúil Pc. Os cionn na déine léasair criticiúla seo (Pc), téann an forsheoltóir faoi aistriú ó chéim forsheoltachta go céim fhriotaíoch; tosaíonn an voltas ag méadú leis an sruth mar gheall ar chuma friotaíochta sa fhorsheoltóir. Mar thoradh air sin, tosaíonn an cuar IV ag trasnú leis an ais-I agus an ais-V rud a fhágann go mbíonn Voc diúltach agus Isc dearfach ar dtús. Anois is cosúil go bhfuil an sampla i riocht speisialta ina bhfuil polaraíocht Voc agus Isc thar a bheith íogair do dhéine solais; Le méadú an-bheag ar dhéine solais, déantar Isc a thiontú ó luach dearfach go luach diúltach agus Voc ó luach diúltach go luach dearfach, ag dul thar an mbunús (is féidir íogaireacht ard airíonna fótavoltacha, go háirithe luach Isc, do shoilsiú solais a fheiceáil níos soiléire i bhFíor 2b). Ag an déine léasair is airde atá ar fáil, tá sé mar aidhm ag na cuartha IV a bheith comhthreomhar lena chéile, rud a léiríonn gnáthstaid an tsampla YBCO.

Tá lárphointe an léasair suite timpeall ar leictreoidí an chatóide (féach Fíor 1i). a, cuar IV de YBCO ionradaithe le déine léasair éagsúla. b (barr), spleáchas déine léasair ar voltas ciorcaid oscailte Voc agus sruth gearrchiorcaid Isc. Ní féidir na luachanna Isc a fháil ag déine solais íseal (< 110 mW/cm2) toisc go bhfuil na cuar IV comhthreomhar leis an ais-I nuair a bhíonn an sampla i riocht forsheoltóra. b (bun), friotaíocht dhifreálach mar fheidhm de dhéine léasair.

Léirítear spleáchas déine léasair Voc agus Isc ag 80 K i bhFíor 2b (barr). Is féidir plé a dhéanamh ar airíonna fótavoltacha i dtrí réigiún déine solais. Tá an chéad réigiún idir 0 agus Pc, ina bhfuil YBCO sársheoltach, tá Voc diúltach agus laghdaíonn sé (méadaíonn an luach absalóideach) le déine solais agus sroicheann sé íosmhéid ag Pc. Tá an dara réigiún ó Pc go déine chriticiúil eile P0, ina méadaíonn Voc agus laghdaíonn Isc le déine solais mhéadaitheach agus sroicheann an dá cheann náid ag P0. Tá an tríú réigiún os cionn P0 go dtí go sroichtear gnáthstaid YBCO. Cé go n-athraíonn Voc agus Isc araon le déine solais ar an mbealach céanna agus atá i réigiún 2, tá polaraíocht os coinne acu os cionn na déine criticiúla P0. Is é suntasacht P0 ná nach bhfuil aon éifeacht fótavoltach ann agus go n-athraíonn an mheicníocht scaradh luchta go cáilíochtúil ag an bpointe seo. Éiríonn an sampla YBCO neamh-shársheoltach sa raon déine solais seo ach níl an gnáthstaid bainte amach fós.

Is léir go bhfuil dlúthbhaint ag tréithe fótavoltacha an chórais le forsheoltacht YBCO agus a aistriú forsheoltachta. Taispeántar friotaíocht dhifreálach, dV/dI, YBCO i bhFíor 2b (bun) mar fheidhm de dhéine léasair. Mar a luadh cheana, an poitéinseal leictreach ionsuite san chomhéadan mar gheall ar phointí idirleata péire Cooper ón bhforsheoltóir go miotal. Cosúil leis an méid a breathnaíodh ag 50 K, feabhsaítear an éifeacht fhótavoltach de réir mar a mhéadaíonn déine léasair ó 0 go Pc. Nuair a shroicheann déine an léasair luach beagán os cionn Pc, tosaíonn an cuar IV ag claonadh agus tosaíonn friotaíocht an tsampla ag teacht chun cinn, ach níl polaraíocht an phoitéinseal chomhéadain athraithe fós. Rinneadh imscrúdú ar éifeacht an spreagtha optúil ar an bhforsheoltacht sa réigiún infheicthe nó gar-IR. Cé gurb é an próiseas bunúsach ná na péirí Cooper a bhriseadh suas agus an fhorsheoltacht a scriosadh25,26, i gcásanna áirithe is féidir aistriú forsheoltachta a fheabhsú27,28,29, is féidir céimeanna nua forsheoltachta a spreagadh fiú30. Is féidir easpa forsheoltachta ag Pc a chur i leith briseadh an phéire fóta-spreagtha. Ag an bpointe P0, éiríonn an poitéinseal trasna an chomhéadain nialas, rud a léiríonn go sroicheann an dlús luchta ar an dá thaobh den chomhéadan an leibhéal céanna faoin déine solais seo. Mar thoradh ar mhéadú breise ar dhéine an léasair, scriostar níos mó péirí Cooper agus déantar YBCO a chlaochlú de réir a chéile ar ais go hábhar de chineál p. In ionad idirleathadh leictreon agus péirí Cooper, is é idirleathadh leictreon agus poill a chinneann gné an chomhéadain anois, rud a fhágann aisiompú polaraíochta an réimse leictrigh san chomhéadan agus dá bharr sin Voc dearfach (déan comparáid idir Fíor 1d, h). Ag déine léasair an-ard, sáithíonn friotaíocht dhifreálach YBCO go luach a fhreagraíonn don staid ghnáth agus bíonn claonadh ag Voc agus Isc araon athrú go líneach le déine an léasair (Fíor 2b). Nochtann an breathnóireacht seo nach n-athróidh ionradaíocht léasair ar YBCO staid ghnáth a fhriotaíocht agus gné an chomhéadain forsheoltóra-miotail a thuilleadh ach go méadóidh sé tiúchan na bpéirí leictreon-poll amháin.

Chun imscrúdú a dhéanamh ar thionchar na teochta ar airíonna fótavoltacha, rinneadh an córas miotail-fhorsheoltóra a ionradaíocht ag an gcatóid le léasar gorm de dhéine 502 mW/cm2. Tugtar cuar IV a fuarthas ag teochtaí roghnaithe idir 50 agus 300 K i bhFíor 3a. Is féidir an voltas ciorcaid oscailte Voc, an sruth gearrchiorcaid Isc agus an fhriotaíocht dhifreálach a fháil ansin ó na cuar IV seo agus taispeántar iad i bhFíor 3b. Gan soilsiú solais, téann na cuar IV go léir a tomhaiseadh ag teochtaí difriúla thar an mbunús mar a bhíothas ag súil leis (inset de Fhíor 3a). Athraíonn tréithe IV go mór le méadú teochta nuair a shoilsithear an córas le bhíoma léasair sách láidir (502 mW/cm2). Ag teochtaí ísle, is línte díreacha comhthreomhar iad na cuar IV leis an ais-I le luachanna diúltacha Voc. Bogann an cuar seo suas le méadú teochta agus casann sé de réir a chéile ina líne le fána neamh-nialas ag teocht chriticiúil Tcp (Fíor 3a (barr)). Is cosúil go rothlaíonn na cuar tréith IV go léir timpeall pointe sa tríú ceathrú. Méadaíonn Voc ó luach diúltach go luach dearfach agus laghdaíonn Isc ó luach dearfach go luach diúltach. Os cionn theocht trasdulta forsheoltóra bhunaidh Tc YBCO, athraíonn an cuar IV go difriúil leis an teocht (bun Fíor 3a). Ar dtús, bogann lár rothlaithe na gcuar IV go dtí an chéad cheathrú. Ar an dara dul síos, leanann Voc ag laghdú agus tá Isc ag méadú de réir mar a mhéadaíonn an teocht (barr Fíor 3b). Ar an tríú dul síos, méadaíonn fána na gcuar IV go líneach leis an teocht rud a eascraíonn i gcomhéifeacht friotaíochta teochta dearfach do YBCO (bun Fíor 3b).

Spleáchas teochta ar shaintréithe fótavoltacha do chóras greamaigh YBCO-Ag faoi soilsiú léasair 502 mW/cm2.

Tá lárphointe an léasair suite timpeall ar leictreoidí an chatóide (féach Fíor 1i). a, cuar IV a fhaightear ó 50 go 90 K (barr) agus ó 100 go 300 K (bun) le méadú teochta de 5 K agus 20 K, faoi seach. Taispeánann ionchuir a tréithe IV ag roinnt teochtaí sa dorchadas. Trasnaíonn na cuar go léir an pointe tionscnaimh. b, voltas ciorcaid oscailte Voc agus sruth gearrchiorcaid Isc (barr) agus an fhriotaíocht dhifreálach, dV/dI, de YBCO (bun) mar fheidhm den teocht. Ní thugtar an teocht trasdula forsheoltóra friotaíochta nialasach Tcp toisc go bhfuil sí róghar do Tc0.

Is féidir trí theocht chriticiúla a aithint ó Fhíor 3b: Tcp, os a chionn sin, ní bheidh YBCO forsheoltach; Tc0, ag a n-éiríonn Voc agus Isc araon nialasach agus Tc, an teocht trasdula forsheoltacha tosaigh de chuid YBCO gan radaíocht léasair. Faoi bhun Tcp ~ 55 K, bíonn an YBCO atá ionradaithe le léasar i riocht forsheoltacha le tiúchan réasúnta ard de phéirí Cooper. Is é éifeacht na radaíochta léasair ná an teocht trasdula forsheoltacha friotaíochta nialasach a laghdú ó 89 K go ~ 55 K (bun Fhíor 3b) trí thiúchan an phéire Cooper a laghdú chomh maith le voltas agus sruth fótavoltach a tháirgeadh. Briseann méadú ar an teocht síos na péirí Cooper freisin, rud a fhágann go mbeidh poitéinseal níos ísle san chomhéadan. Dá bhrí sin, beidh luach absalóideach Voc níos lú, cé go gcuirtear an déine chéanna soilsithe léasair i bhfeidhm. Beidh an poitéinseal comhéadain níos lú agus níos lú de réir mar a mhéadaíonn an teocht tuilleadh agus sroicheann sé nialas ag Tc0. Níl aon éifeacht fhótavoltach ag an bpointe speisialta seo toisc nach bhfuil aon réimse inmheánach ann chun na péirí leictreon-poll fóta-spreagtha a dheighilt. Tarlaíonn aisiompú polaraíochta an phoitéinsil os cionn na teochta criticiúla seo toisc go bhfuil an dlús luchta saor in aisce i ngreamaigh Ag níos mó ná an dlús i YBCO a aistrítear de réir a chéile ar ais go hábhar de chineál-p. Anseo, ba mhaith linn a chur i bhfáth go dtarlaíonn aisiompú polaraíochta Voc agus Isc díreach tar éis an aistrithe forsheoltachta friotaíochta nialasach, beag beann ar chúis an aistrithe. Nochtann an breathnóireacht seo go soiléir, den chéad uair, an comhghaol idir forsheoltacht agus na héifeachtaí fótavoltacha a bhaineann leis an bpoitéinseal comhéadain miotail-forsheoltóra. Tá nádúr an phoitéinsil seo ar fud an chomhéadain miotail forsheoltóra-gnáth ina fhócas taighde le roinnt blianta anuas ach tá go leor ceisteanna fós le freagairt. D’fhéadfadh tomhas na héifeachta fótavoltacha a bheith ina mhodh éifeachtach chun sonraí (amhail a neart agus a pholaraíocht etc.) an phoitéinsil thábhachtaigh seo a iniúchadh agus dá bhrí sin solas a chaitheamh ar an éifeacht gaireachta forsheoltachta ardteochta.

Má mhéadaítear an teocht tuilleadh ó Tc0 go Tc, bíonn tiúchan níos lú de phéirí Cooper agus feabhsaítear an poitéinseal comhéadain agus dá bharr sin bíonn Voc níos mó. Ag Tc, éiríonn tiúchan an phéire Cooper nialasach agus sroicheann an poitéinseal tógtha isteach ag an gcomhéadan uasmhéid, rud a fhágann go mbíonn Voc uasta agus Isc íosta. Freagraíonn an méadú tapa ar Voc agus Isc (luach absalóideach) sa raon teochta seo don aistriú forsheoltach a leathnaítear ó ΔT ~ 3 K go ~ 34 K trí radaíocht léasair de dhéine 502 mW/cm2 (Fíor 3b). Sna stáit ghnáth os cionn Tc, laghdaíonn an voltas ciorcaid oscailte Voc le teocht (barr Fíor 3b), cosúil le hiompar líneach Voc do chealla gréine gnáth bunaithe ar acomhail pn31,32,33. Cé go bhfuil ráta athraithe Voc le teocht (−dVoc/dT), a bhraitheann go mór ar dhéine léasair, i bhfad níos lú ná ráta athraithe cealla gréine gnáth, tá an ord méide céanna ag comhéifeacht teochta Voc don acomhal YBCO-Ag agus atá ag na cealla gréine. Méadaíonn sruth sceite acomhal pn le haghaidh gléas cealla gréine gnáth de réir mar a mhéadaíonn an teocht, rud a fhágann go laghdaítear Voc de réir mar a mhéadaíonn an teocht. Mar gheall ar na cuartha líneacha IV a breathnaíodh don chóras Ag-fhorsheoltóra seo, ar dtús mar gheall ar an bpoitéinseal comhéadain an-bheag agus ar an dara dul síos an nasc droim ar ais idir an dá heitrea-acomhal, tá sé deacair an sruth sceite a chinneadh. Mar sin féin, is cosúil go bhfuil an-dócha gurb é an spleáchas teochta céanna ar an sruth sceite atá freagrach as an iompar Voc a breathnaíodh inár dturgnamh. De réir an tsainmhínithe, is é Isc an sruth atá ag teastáil chun voltas diúltach a tháirgeadh chun Voc a chúiteamh ionas go mbeidh an voltas iomlán nialas. De réir mar a mhéadaíonn an teocht, éiríonn Voc níos lú ionas go bhfuil níos lú srutha ag teastáil chun an voltas diúltach a tháirgeadh. Ina theannta sin, méadaíonn friotaíocht YBCO go líneach le teocht os cionn Tc (bun Fíor 3b), rud a chuireann freisin leis an luach absalóideach níos lú de Isc ag teochtaí arda.

Tabhair faoi deara go bhfaightear na torthaí a thugtar i bhFíor 2,3 trí radaíocht léasair a dhéanamh ar an limistéar timpeall ar leictreoidí catóide. Rinneadh tomhais arís agus arís eile freisin le spota léasair suite ag an anóid agus breathnaíodh tréithe IV agus airíonna fótavoltacha comhchosúla ach amháin gur aisiompaíodh polaraíocht Voc agus Isc sa chás seo. Mar thoradh ar na sonraí seo go léir, tá meicníocht ann don éifeacht fótavoltach, atá gaolmhar go dlúth leis an gcomhéadan forsheoltóra-miotail.

Mar achoimre, tomhaiseadh tréithe IV chóras greamaigh YBCO-Ag forsheoltacha ionradaithe le léasar mar fheidhmeanna teochta agus déine léasair. Breathnaíodh éifeacht fhótavoltach suntasach sa raon teochta ó 50 go 300 K. Fuarthas amach go bhfuil dlúthbhaint ag na hairíonna fótavoltacha le forsheoltacht cheirmeach YBCO. Tarlaíonn aisiompú polaraíochta Voc agus Isc díreach tar éis an aistrithe ó fhorsheoltacht fhóta-spreagtha go neamh-fhorsheoltacht. Taispeánann spleáchas teochta Voc agus Isc a tomhaiseadh ag déine léasair sheasta aisiompú polaraíochta soiléir ag teocht chriticiúil os a chionn a n-éiríonn an sampla frithsheasmhach. Trí an spota léasair a lonnú i gcuid dhifriúil den sampla, taispeánaimid go bhfuil poitéinseal leictreach trasna an chomhéadain, a sholáthraíonn an fórsa deighilte do na péirí leictreon-poll fóta-spreagtha. Treoraíonn an poitéinseal comhéadain seo ó YBCO go dtí an leictreoid miotail nuair a bhíonn YBCO forsheoltach agus aistríonn sé go dtí an treo eile nuair a éiríonn an sampla neamh-fhorsheoltach. D’fhéadfadh bunús an phoitéinsil a bheith bainteach go nádúrtha leis an éifeacht gaireachta ag an gcomhéadan miotail-fhorsheoltóra nuair a bhíonn YBCO forsheoltach agus meastar go bhfuil sé ~10−8 mV ag 50 K le déine léasair de 502 mW/cm2. Cruthaíonn teagmháil ábhair de chineál p YBCO i riocht gnáth le hábhar de chineál n Ag-greamaigh acomhal cuasi-pn atá freagrach as iompar fótavoltach criadóireacht YBCO ag teochtaí arda. Léiríonn na breathnóireachtaí thuas an éifeacht PV i gcriadóireacht YBCO forsheoltacha ardteochta agus réitíonn siad an bealach d’fheidhmchláir nua i bhfeistí optoelectronic amhail brathadóir solais éighníomhach tapa agus brathadóir fótóin aonair.

Rinneadh na turgnaimh éifeacht fhótavoltach ar shampla ceirmeach YBCO de thiús 0.52 mm agus cruth dronuilleogach 8.64 × 2.26 mm2 agus soilsithe ag léasar gorm tonn leanúnach (λ = 450 nm) le méid spota léasair de 1.25 mm ar gha. Trí shampla mórchóir seachas sampla scannáin tanaí a úsáid, is féidir linn airíonna fótavoltach an fhorsheoltóra a scrúdú gan déileáil le tionchar casta an tsubstráit6,7. Thairis sin, d'fhéadfadh an t-ábhar mórchóir a bheith fabhrach mar gheall ar a nós imeachta ullmhúcháin simplí agus a chostas réasúnta íseal. Tá na sreanga luaidhe copair comhtháthaithe ar an sampla YBCO le greamaigh airgid ag cruthú ceithre leictreoid chiorclacha thart ar 1 mm ar trastomhas. Tá an fad idir an dá leictreoid voltais thart ar 5 mm. Tomhaiseadh tréithe IV an tsampla ag baint úsáide as maighnéadiméadar an tsampla chreathaidh (VersaLab, Quantum Design) le fuinneog criostail grianchloiche. Baineadh úsáid as modh caighdeánach ceithre shreang chun na cuartha IV a fháil. Taispeántar suíomhanna coibhneasta na leictreoidí agus an spota léasair i bhFíor 1i.

Conas an t-alt seo a lua: Yang, F. et al. Bunús éifeacht fhótavoltach i gceirmeacha YBa2Cu3O6.96 forsheoltacha. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).

Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Voltais léasair-spreagtha atá toirmiscthe de réir siméadrachta i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).

Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Bunús an chomhartha fótavoltach neamhghnách i Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).

Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Tomhas voltais léasairspreagtha Bi-Sr-Ca-Cu-O forsheoltacha. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).

Tate, KL, et al. Voltais léasair-spreagtha neamhbhuana i scannáin YBa2Cu3O7-x ag teocht an tseomra. J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).

Kwok, HS & Zheng, JP Freagairt fhótavoltach neamhghnách i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).

Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Instealladh iompróra poill fótaiginithe chuig YBa2Cu3O7−x i heitreastruchtúr ocsaíde. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).

Asakura, D. et al. Staidéar fóta-astúcháin scannán tanaí YBa2Cu3Oy faoi shoilsiú solais. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).

Yang, F. et al. Éifeacht fhótavoltach an acomhal heitrea-ghreamaitheach YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb atá annealaithe i mbrú páirteach ocsaigine difriúil. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).

Aminov, BA et al. Struchtúr dhá bhearna i gcriostail aonair Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).

Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinimic scíthe cuasi-cháithníní i bhforsheoltóirí le struchtúir bhearna éagsúla: Teoiric agus turgnaimh ar YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).

Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Airíonna ceartúcháin an heitreachomhpháirt YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).

Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Ionsú eiscitonach agus forsheoltacht i YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).

Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Seoltacht fhóta-spreagtha neamhbhuan i gcriostail aonair leathsheoltacha de YBa2Cu3O6.3: cuardach ar staid mhiotalach fhóta-spreagtha agus ar fhorsheoltacht fhóta-spreagtha. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).

McMillan, WL Samhail tollánaithe den éifeacht gaireachta forsheoltóra. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).

Guéron, S. et al. Éifeacht gaireachta forsheoltóra arna fiosrú ar scála faid mheiseascópach. Phys. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).

Annunziata, G. & Manske, D. Éifeacht na cóngarachta le forsheoltóirí neamh-lárshiméadracha. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).

Qu, FM et al. Éifeacht láidir cóngarachta forsheoltóra i struchtúir hibrideacha Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).

Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fótóceall nua acomhal pn sileacain chun radaíocht na gréine a thiontú ina cumhacht leictreach. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).

Tomimoto, K. Éifeachtaí eisíontas ar fhad comhtháthaithe an fhorsheoltóra i gcriostail aonair YBa2Cu3O6.9 atá dópáilte le Zn nó Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).

Ando, ​​Y. & Segawa, K. Friotaíocht mhaighnéadach criostail aonair YBa2Cu3Oy neamhchúpla i raon leathan dópála: spleáchas dópála poll neamhghnách ar fhad an chomhtháthaithe. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).

Obertelli, SD & Cooper, JR Córasacht i gcumhacht theirmileictreach ocsaídí ard-T. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).

Sugai, S. et al. Aistriú móiminteam atá ag brath ar dhlús iompróra den bhuaic chomhtháite agus an modh fónóin LO i bhforsheoltóirí ard-Tc de chineál p. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).

Nojima, T. et al. Laghdú poill agus carnadh leictreon i scannáin tanaí YBa2Cu3Oy ag baint úsáide as teicníc leictriceimiceach: Fianaise ar staid mhiotalach cineál-n. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).

Tung, RT Fisic agus ceimic airde bhacainn Schottky. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).

Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Éifeachtaí Briseadh Péire Seachtrach Dinimiciúil i Scannáin Fhorsheoltacha. Phys. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).

Nieva, G. et al. Feabhsú fóta-spreagtha ar fhorsheoltacht. Appl. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).

Kudinov, VI et al. Fótóchleachtacht bhuan i scannáin YBa2Cu3O6+x mar mhodh fótódópála i dtreo céimeanna miotalacha agus forsheoltacha. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).

Mankowsky, R. et al. Dinimic laitíse neamhlíneach mar bhunús le haghaidh forsheoltacht fheabhsaithe i YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).

Fausti, D. et al. Forsheoltacht spreagtha ag solas i gcúpráit stríocach. Science 331, 189–191 (2011).

El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA An spleáchas feidhmeach teochta ar VOC do chill ghréine i ndáil lena héifeachtúlacht cur chuige nua. Díshalannú 209, 91–96 (2007).

Vernon, SM & Anderson, WA Éifeachtaí teochta i gcealla gréine sileacain bacainn Schottky. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).

Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Spleáchas teochta do pharaiméadair fheiste fótavoltach cealla gréine polaiméir-fulleréine faoi dhálaí oibriúcháin. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).

Tacaíodh leis an obair seo ag Fondúireacht Náisiúnta Eolaíochtaí Nádúrtha na Síne (Uimhir Deontais 60571063), agus Tionscadail Taighde Bunúsacha Chúige Henan, an tSín (Uimhir Deontais 122300410231).

Scríobh FY téacs an pháipéir agus d’ullmhaigh MYH an sampla ceirmeach YBCO. Rinne FY agus MYH an turgnamh agus rinne siad anailís ar na torthaí. Bhí FGC i gceannas ar an tionscadal agus ar léirmhíniú eolaíoch na sonraí. Rinne na húdair uile athbhreithniú ar an lámhscríbhinn.

Tá an saothar seo ceadúnaithe faoi Cheadúnas Idirnáisiúnta Attribution 4.0 Creative Commons. Tá na híomhánna nó ábhar tríú páirtí eile san alt seo san áireamh i gceadúnas Creative Commons an ailt, mura luaitear a mhalairt sa líne chreidmheasa; mura bhfuil an t-ábhar san áireamh faoin gceadúnas Creative Commons, beidh ar úsáideoirí cead a fháil ón sealbhóir ceadúnais chun an t-ábhar a atáirgeadh. Chun cóip den cheadúnas seo a fheiceáil, tabhair cuairt ar http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Yang, F., Han, M. & Chang, F. Bunús éifeacht fhótavoltach i gceirmeach YBa2Cu3O6.96 forsheoltach. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504

Trí thrácht a chur isteach aontaíonn tú cloí lenár dTéarmaí agus lenár dTreoirlínte Pobail. Má fhaigheann tú rud éigin maslach nó nach gcomhlíonann ár dtéarmaí nó ár dtreoirlínte, cuir in iúl é mar rud míchuí.