Grazas por visitar nature.com. Estás a usar unha versión do navegador con compatibilidade limitada para CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador máis actualizado (ou desactive o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Mentres tanto, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos nin JavaScript.
Informamos dun notable efecto fotovoltaico en cerámica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K inducido pola iluminación con láser azul, que está directamente relacionado coa supercondutividade do YBCO e a interface do electrodo metálico YBCO. Hai unha inversión de polaridade para a tensión de circuíto aberto Voc e a corrente de curtocircuíto Isc cando YBCO experimenta unha transición de estado superconductor a resistivo. Demostramos que existe un potencial eléctrico a través da interface superconductor-metal normal, que proporciona a forza de separación para os pares de electróns-buracos fotoinducidos. Este potencial de interface dirixe desde YBCO ao electrodo metálico cando YBCO é supercondutor e cambia á dirección oposta cando YBCO se fai non supercondutor. A orixe do potencial pode asociarse facilmente co efecto de proximidade na interface metal-superconductor cando YBCO é supercondutor e o seu valor estímase en ~10–8 mV a 50 K cunha intensidade de láser de 502 mW/cm2. A combinación dun material de tipo p YBCO en estado normal cun material de tipo n Ag-pasta forma unha unión cuasi pn que é responsable do comportamento fotovoltaico da cerámica YBCO a altas temperaturas. Os nosos descubrimentos poden abrir o camiño a novas aplicacións de dispositivos fotón-electrónicos e arroxar máis luz sobre o efecto de proximidade na interface superconductor-metal.
A tensión fotoinducida nos supercondutores de alta temperatura foi informada a principios da década de 1990 e desde entón investigouse amplamente, aínda que a súa natureza e mecanismo permanecen inestables1,2,3,4,5. As películas finas YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, en particular, estúdanse intensamente en forma de célula fotovoltaica (PV) debido á súa brecha de enerxía axustable9,10,11,12,13. Non obstante, a alta resistencia do substrato sempre leva a unha baixa eficiencia de conversión do dispositivo e enmascara as propiedades fotovoltaicas primarias de YBCO8. Aquí informamos dun notable efecto fotovoltaico inducido pola iluminación con láser azul (λ = 450 nm) en cerámica YBa2Cu3O6.96 (YBCO) entre 50 e 300 K (Tc ~ 90 K). Demostramos que o efecto fotovoltaico está directamente relacionado coa supercondutividade do YBCO e a natureza da interface do electrodo metálico YBCO. Hai unha inversión de polaridade para a tensión de circuíto aberto Voc e a corrente de curtocircuíto Isc cando YBCO experimenta unha transición da fase superconductora a un estado resistivo. Proponse que existe un potencial eléctrico a través da interface superconductor-metal normal, que proporciona a forza de separación para os pares de electróns-buracos fotoinducidos. Este potencial de interface dirixe desde YBCO ao electrodo metálico cando YBCO é supercondutor e cambia á dirección oposta cando a mostra non é supercondutora. A orixe do potencial pode estar asociada naturalmente co efecto de proximidade14,15,16,17 na interface metal-superconductor cando YBCO é supercondutor e o seu valor estímase en ~10−8 mV a 50 K cunha intensidade de láser de 502 mW. /cm2. A combinación dun material de tipo p YBCO en estado normal cun material de tipo n Ag-pasta forma, moi probablemente, unha unión cuasi pn que é responsable do comportamento PV da cerámica YBCO a altas temperaturas. As nosas observacións arroxan máis luz sobre a orixe do efecto fotovoltaico nas cerámicas supercondutoras YBCO de alta temperatura e abren o camiño para a súa aplicación en dispositivos optoelectrónicos como detectores de luz pasivo rápido, etc.
A figura 1a–c mostra que as características IV da mostra de cerámica YBCO a 50 K. Sen iluminación lixeira, a tensión na mostra permanece en cero coa corrente cambiante, como se pode esperar dun material superconductor. O efecto fotovoltaico obvio aparece cando o raio láser se dirixe ao cátodo (Fig. 1a): as curvas IV paralelas ao eixe I móvense cara abaixo co aumento da intensidade do láser. É evidente que hai unha tensión fotoinducida negativa mesmo sen corrente (moitas veces chamada tensión de circuíto aberto Voc). A pendente cero da curva IV indica que a mostra aínda está supercondutora baixo iluminación láser.
(a–c) e 300 K (e–g). Os valores de V(I) obtivéronse varrindo a corrente de -10 mA a +10 mA no baleiro. Só se presentan parte dos datos experimentais por motivos de claridade. a, Características de corrente-tensión de YBCO medidas cun punto láser situado no cátodo (i). Todas as curvas IV son liñas rectas horizontais que indican que a mostra aínda está supercondutora con irradiación con láser. A curva descende ao aumentar a intensidade do láser, o que indica que existe un potencial negativo (Voc) entre os dous cables de tensión mesmo con corrente nula. As curvas IV permanecen inalteradas cando o láser se dirixe ao centro da mostra en éter 50 K (b) ou 300 K (f). A liña horizontal móvese cara arriba mentres se ilumina o ánodo (c). En d móstrase un modelo esquemático da unión metal-superconductor a 50 K. As características de corrente-tensión do YBCO en estado normal a 300 K medidas con raio láser apuntado no cátodo e no ánodo indícanse en e e g respectivamente. En contraste cos resultados a 50 K, a pendente non nula das rectas indica que YBCO está en estado normal; os valores de Voc varían coa intensidade da luz nunha dirección oposta, o que indica un mecanismo de separación de carga diferente. Unha posible estrutura de interface a 300 K está representada en hj A imaxe real da mostra con derivacións.
O YBCO rico en osíxeno en estado supercondutor pode absorber case todo o espectro da luz solar debido á súa fenda enerxética moi pequena (Eg)9,10, creando así pares electróns-buratos (e–h). Para producir unha tensión de circuíto aberto Voc por absorción de fotóns, é necesario separar espacialmente os pares eh xerados por foto antes de que se produza a recombinación18. O Voc negativo, relativo ao cátodo e ánodo, como se indica na figura 1i, suxire que existe un potencial eléctrico a través da interface metal-superconductor, que arrastra os electróns ao ánodo e os buratos ao cátodo. Se este é o caso, tamén debería haber un potencial que apunta desde o supercondutor ata o electrodo metálico no ánodo. En consecuencia, obteríase un Voc positivo se a área da mostra preto do ánodo está iluminada. Ademais, non debería haber voltaxes fotoinducidas cando o punto láser está apuntando a áreas afastadas dos electrodos. Certamente é o caso como se pode ver na figura 1b,c!.
Cando o punto de luz se move dende o electrodo do cátodo ata o centro da mostra (a uns 1,25 mm de distancia das interfaces), non se pode observar ningunha variación das curvas IV e sen Voc ao aumentar a intensidade do láser ata o valor máximo dispoñible (Fig. 1b). . Por suposto, este resultado pódese atribuír á limitada vida útil dos portadores fotoinducidos e á falta de forza de separación na mostra. Pódense crear pares electrón-buraco sempre que se ilumine a mostra, pero a maioría dos pares e–h aniquilaranse e non se observa ningún efecto fotovoltaico se a mancha láser cae en áreas afastadas de calquera dos electrodos. Movendo o punto láser aos electrodos do ánodo, as curvas IV paralelas ao eixe I móvense cara arriba co aumento da intensidade do láser (Fig. 1c). Un campo eléctrico incorporado similar existe na unión metal-supercondutor no ánodo. Non obstante, esta vez o electrodo metálico conéctase ao cable positivo do sistema de proba. Os orificios producidos polo láser son empuxados ata o cable do ánodo e así obsérvase un Voc positivo. Os resultados aquí presentados proporcionan unha forte evidencia de que realmente existe un potencial de interface que apunta desde o supercondutor ata o electrodo metálico.
O efecto fotovoltaico en cerámica YBa2Cu3O6.96 a 300 K móstrase na figura 1e-g. Sen iluminación luminosa, a curva IV da mostra é unha liña recta que cruza a orixe. Esta liña recta móvese cara arriba paralela á orixinal coa intensidade crecente do láser irradiando nos cables do cátodo (Fig. 1e). Hai dous casos limitantes de interese para un dispositivo fotovoltaico. A condición de curtocircuíto ocorre cando V = 0. A corrente neste caso denomínase corrente de curtocircuíto (Isc). O segundo caso límite é a condición de circuíto aberto (Voc) que ocorre cando R→∞ ou a corrente é cero. A figura 1e mostra claramente que Voc é positivo e aumenta ao aumentar a intensidade da luz, en contraste co resultado obtido a 50 K; mentres que se observa que un Isc negativo aumenta de magnitude coa iluminación luminosa, un comportamento típico das células solares normais.
Do mesmo xeito, cando o feixe láser apunta a zonas afastadas dos electrodos, a curva V (I) é independente da intensidade do láser e non aparece ningún efecto fotovoltaico (Fig. 1f). Similar á medida a 50 K, as curvas IV móvense na dirección oposta cando se irradia o electrodo do ánodo (Fig. 1g). Todos estes resultados obtidos para este sistema de pasta YBCO-Ag a 300 K con irradiación con láser en diferentes posicións da mostra son consistentes cun potencial de interface oposto ao observado a 50 K.
A maioría dos electróns condénsanse en pares de Cooper en YBCO supercondutor por debaixo da súa temperatura de transición Tc. Mentres no eléctrodo metálico, todos os electróns permanecen en forma singular. Hai un gran gradiente de densidade tanto para os electróns singulares como para os pares de Cooper nas proximidades da interface metal-superconductor. Os electróns singulares de portadores maioritarios no material metálico difundiranse na rexión superconductora, mentres que os pares de Cooper de portadores maioritarios na rexión YBCO difundiranse na rexión do metal. A medida que os pares de Cooper levan máis cargas e teñen unha mobilidade maior que os electróns singulares difunden desde YBCO á rexión metálica, os átomos cargados positivamente quedan atrás, o que dá lugar a un campo eléctrico na rexión de carga espacial. A dirección deste campo eléctrico móstrase no diagrama esquemático da figura 1d. A iluminación de fotóns incidente preto da rexión de carga espacial pode crear pares de eh que se separarán e eliminarán producindo unha fotocorrente na dirección de polarización inversa. Tan pronto como os electróns saen do campo eléctrico incorporado, condénsanse en pares e flúen ao outro eléctrodo sen resistencia. Neste caso, o Voc é oposto á polaridade preestablecida e mostra un valor negativo cando o raio láser apunta á área ao redor do electrodo negativo. A partir do valor de Voc, pódese estimar o potencial a través da interface: a distancia entre os dous cables de tensión d é ~5 × 10−3 m, o grosor da interface metal-superconductor, di, debería ser da mesma orde de magnitude. como a lonxitude de coherencia do superconductor YBCO (~1 nm)19,20, tome o valor de Voc = 0,03 mV, o potencial Vms na interface metal-supercondutor avalíase como ser ~10−11 V a 50 K cunha intensidade de láser de 502 mW/cm2, utilizando a ecuación,
Queremos subliñar aquí que a tensión fotoinducida non se pode explicar polo efecto fototérmico. Estableceuse experimentalmente que o coeficiente de Seebeck do superconductor YBCO é Ss = 021. O coeficiente de Seebeck para cables de cobre está no intervalo de SCu = 0,34–1,15 μV/K3. A temperatura do fío de cobre no punto do láser pódese elevar nunha pequena cantidade de 0,06 K cunha intensidade máxima do láser dispoñible a 50 K. Isto podería producir un potencial termoeléctrico de 6,9 × 10−8 V que é tres ordes de magnitude menor que o Voc obtido na figura 1 (a). É evidente que o efecto termoeléctrico é demasiado pequeno para explicar os resultados experimentais. De feito, a variación de temperatura debida á irradiación con láser desaparecería en menos dun minuto, polo que se pode ignorar con seguridade a contribución do efecto térmico.
Este efecto fotovoltaico de YBCO a temperatura ambiente revela que aquí está implicado un mecanismo de separación de carga diferente. O YBCO supercondutor en estado normal é un material de tipo p con buratos como portador de carga22,23, mentres que a pasta de Ag metálica ten características dun material de tipo n. Do mesmo xeito que as unións pn, a difusión de electróns na pasta de prata e os buratos na cerámica YBCO formará un campo eléctrico interno que apunta á cerámica YBCO na interface (Fig. 1h). É este campo interno o que proporciona a forza de separación e leva a un Voc positivo e un Isc negativo para o sistema de pasta YBCO-Ag a temperatura ambiente, como se mostra na figura 1e. Alternativamente, Ag-YBCO podería formar unha unión Schottky de tipo p que tamén leva a un potencial de interface coa mesma polaridade que no modelo presentado anteriormente24.
Para investigar o proceso de evolución detallada das propiedades fotovoltaicas durante a transición supercondutora de YBCO, medironse as curvas IV da mostra a 80 K con intensidades de láser seleccionadas iluminando no electrodo do cátodo (Fig. 2). Sen irradiación con láser, a tensión a través da mostra mantense en cero independentemente da corrente, o que indica o estado supercondutor da mostra a 80 K (Fig. 2a). Semellante aos datos obtidos a 50 K, as curvas IV paralelas ao eixe I móvense cara abaixo co aumento da intensidade do láser ata alcanzar un valor crítico Pc. Por riba desta intensidade crítica de láser (Pc), o supercondutor sofre unha transición dunha fase supercondutora a unha fase resistiva; a tensión comeza a aumentar coa corrente debido á aparición de resistencia no supercondutor. Como resultado, a curva IV comeza a cruzarse co eixe I e V, levando a un Voc negativo e un Isc positivo ao principio. Agora a mostra parece estar nun estado especial no que a polaridade de Voc e Isc é extremadamente sensible á intensidade da luz; cun aumento moi pequeno da intensidade da luz, Isc convértese de positivo a negativo e Voc de valor negativo a positivo, pasando a orixe (a alta sensibilidade das propiedades fotovoltaicas, particularmente o valor de Isc, á iluminación luminosa pódese ver con máis claridade na Fig. 2b). Á maior intensidade do láser dispoñible, as curvas IV pretenden ser paralelas entre si, o que significa o estado normal da mostra YBCO.
O centro do punto láser sitúase ao redor dos electrodos do cátodo (ver figura 1i). a, IV curvas de YBCO irradiadas con diferentes intensidades de láser. b (arriba), Dependencia da intensidade do láser da tensión de circuíto aberto Voc e da corrente de curtocircuíto Isc. Os valores de Isc non se poden obter a baixa intensidade luminosa (< 110 mW/cm2) porque as curvas IV son paralelas ao eixe I cando a mostra está en estado supercondutor. b (abajo), resistencia diferencial en función da intensidade do láser.
A dependencia da intensidade do láser de Voc e Isc a 80 K móstrase na figura 2b (arriba). As propiedades fotovoltaicas pódense discutir en tres rexións de intensidade luminosa. A primeira rexión está entre 0 e Pc, na que YBCO é supercondutor, Voc é negativo e diminúe (o valor absoluto aumenta) coa intensidade luminosa e alcanzando un mínimo en Pc. A segunda rexión é de Pc a outra intensidade crítica P0, na que Voc aumenta mentres que Isc diminúe ao aumentar a intensidade luminosa e ambas chegan a cero en P0. A terceira rexión está por riba de P0 ata que se alcanza o estado normal de YBCO. Aínda que tanto Voc como Isc varían coa intensidade da luz do mesmo xeito que na rexión 2, teñen polaridade oposta por riba da intensidade crítica P0. A importancia de P0 reside en que non hai efecto fotovoltaico e o mecanismo de separación de carga cambia cualitativamente neste punto en particular. A mostra de YBCO vólvese non supercondutora neste rango de intensidade luminosa, pero o estado normal aínda está por alcanzar.
Claramente, as características fotovoltaicas do sistema están estreitamente relacionadas coa supercondutividade de YBCO e a súa transición superconductora. A resistencia diferencial, dV/dI, de YBCO móstrase na figura 2b (abaixo) en función da intensidade do láser. Como se mencionou anteriormente, o potencial eléctrico incorporado na interface debido aos puntos de difusión de pares de Cooper desde o superconductor ata o metal. Semellante ao observado a 50 K, o efecto fotovoltaico realízase co aumento da intensidade do láser de 0 a Pc. Cando a intensidade do láser alcanza un valor lixeiramente superior a Pc, a curva IV comeza a inclinarse e comeza a aparecer a resistencia da mostra, pero a polaridade do potencial da interface aínda non se modifica. O efecto da excitación óptica sobre a supercondutividade investigouse na rexión visible ou próxima ao IR. Aínda que o proceso básico consiste en romper os pares de Cooper e destruír a supercondutividade25,26, nalgúns casos pódese mellorar a transición da supercondutividade27,28,29, incluso se poden inducir novas fases de supercondutividade30. A ausencia de supercondutividade en Pc pódese atribuír á rotura do par fotoinducida. No punto P0, o potencial a través da interface pasa a ser cero, o que indica que a densidade de carga en ambos os dous lados da interface alcanza o mesmo nivel baixo esta intensidade particular de iluminación luminosa. O aumento da intensidade do láser provoca que se destruyan máis pares de Cooper e que o YBCO se transforme gradualmente de novo nun material de tipo p. En lugar da difusión de electróns e pares de Cooper, a característica da interface está agora determinada pola difusión de electróns e buratos, o que leva a unha inversión de polaridade do campo eléctrico na interface e, en consecuencia, a un Voc positivo (compare Fig.1d,h). A intensidade do láser moi alta, a resistencia diferencial do YBCO satura ata un valor correspondente ao estado normal e tanto Voc como Isc tenden a variar linealmente coa intensidade do láser (Fig. 2b). Esta observación revela que a irradiación con láser no YBCO en estado normal xa non cambiará a súa resistividade nin a característica da interface supercondutor-metal senón que só aumentará a concentración dos pares electrón-burato.
Para investigar o efecto da temperatura sobre as propiedades fotovoltaicas, o sistema metal-superconductor foi irradiado no cátodo cun láser azul de intensidade 502 mW/cm2. As curvas IV obtidas a temperaturas seleccionadas entre 50 e 300 K aparecen na figura 3a. A tensión de circuíto aberto Voc, a corrente de curtocircuíto Isc e a resistencia diferencial pódense obter a partir destas curvas IV e móstranse na figura 3b. Sen iluminación luminosa, todas as curvas IV medidas a diferentes temperaturas pasan pola orixe como se esperaba (recargo da figura 3a). As características IV cambian drasticamente co aumento da temperatura cando o sistema está iluminado por un feixe láser relativamente forte (502 mW/cm2). A baixas temperaturas, as curvas IV son liñas rectas paralelas ao eixe I con valores negativos de Voc. Esta curva móvese cara arriba co aumento da temperatura e convértese gradualmente nunha liña cunha pendente distinta de cero a unha temperatura crítica Tcp (Fig. 3a (arriba)). Parece que todas as curvas características IV xiran arredor dun punto do terceiro cuadrante. Voc aumenta dun valor negativo a un positivo mentres que Isc diminúe dun valor positivo a un negativo. Por riba da temperatura de transición superconductora orixinal Tc de YBCO, a curva IV cambia de forma bastante diferente coa temperatura (parte inferior da figura 3a). En primeiro lugar, o centro de rotación das curvas IV móvese ao primeiro cuadrante. En segundo lugar, Voc segue diminuíndo e Isc aumenta co aumento da temperatura (parte superior da figura 3b). En terceiro lugar, a pendente das curvas IV aumenta linealmente coa temperatura, o que resulta nun coeficiente de temperatura positivo de resistencia para YBCO (parte inferior da figura 3b).
Dependencia da temperatura das características fotovoltaicas para o sistema de pasta YBCO-Ag baixo iluminación láser de 502 mW/cm2.
O centro do punto láser sitúase ao redor dos electrodos do cátodo (ver figura 1i). a, IV curvas obtidas de 50 a 90 K (arriba) e de 100 a 300 K (abaixo) cun incremento de temperatura de 5 K e 20 K, respectivamente. O recuadro a mostra as características IV a varias temperaturas na escuridade. Todas as curvas cruzan o punto de orixe. b, a tensión de circuíto aberto Voc e a corrente de curtocircuíto Isc (arriba) e a resistencia diferencial, dV/dI, de YBCO (abaixo) en función da temperatura. Non se indica a temperatura de transición superconductora de resistencia cero Tcp porque está demasiado preto de Tc0.
A partir da figura 3b pódense recoñecer tres temperaturas críticas: Tcp, por riba das cales YBCO pasa a ser non superconductor; Tc0, na que tanto Voc como Isc se converten en cero e Tc, a temperatura de transición superconductora de inicio orixinal de YBCO sen irradiación con láser. Por debaixo de Tcp ~ 55 K, o YBCO irradiado con láser está en estado supercondutor cunha concentración relativamente alta de pares de Cooper. O efecto da irradiación con láser é reducir a temperatura de transición superconductora de resistencia cero de 89 K a ~ 55 K (parte inferior da figura 3b) reducindo a concentración do par de Cooper ademais de producir tensión e corrente fotovoltaica. O aumento da temperatura tamén rompe os pares de Cooper, o que provoca un menor potencial na interface. En consecuencia, o valor absoluto de Voc será menor, aínda que se aplique a mesma intensidade de iluminación láser. O potencial da interface será cada vez máis pequeno co aumento da temperatura e chega a cero en Tc0. Non hai ningún efecto fotovoltaico neste punto especial porque non hai campo interno para separar os pares de electróns-buracos fotoinducidos. Unha inversión de polaridade do potencial prodúcese por riba desta temperatura crítica xa que a densidade de carga libre na pasta de Ag é maior que a do YBCO que se transfire gradualmente a un material de tipo p. Aquí queremos enfatizar que a inversión de polaridade de Voc e Isc ocorre inmediatamente despois da transición superconductora de resistencia cero, independentemente da causa da transición. Esta observación revela claramente, por primeira vez, a correlación entre a supercondutividade e os efectos fotovoltaicos asociados ao potencial da interface metal-superconductor. A natureza deste potencial a través da interface supercondutor-metal normal foi un foco de investigación durante as últimas décadas, pero aínda hai moitas preguntas á espera de ser respondidas. A medición do efecto fotovoltaico pode resultar un método eficaz para explorar os detalles (como a súa forza e polaridade, etc.) deste importante potencial e, polo tanto, arroxar luz sobre o efecto de proximidade supercondutor de alta temperatura.
O aumento da temperatura de Tc0 a Tc conduce a unha menor concentración de pares de Cooper e a unha mellora no potencial da interface e, en consecuencia, a un maior Voc. En Tc, a concentración do par de Cooper pasa a ser cero e o potencial incorporado na interface alcanza un máximo, resultando en Voc máximo e Isc mínimo. O rápido aumento de Voc e Isc (valor absoluto) neste rango de temperatura correspóndese coa transición supercondutora que se amplía de ΔT ~ 3 K a ~ 34 K mediante irradiación con láser de intensidade 502 mW/cm2 (Fig. 3b). Nos estados normais por riba de Tc, a tensión de circuíto aberto Voc diminúe coa temperatura (parte superior da Fig. 3b), similar ao comportamento lineal de Voc para as células solares normais baseadas nas unións pn31,32,33. Aínda que a taxa de cambio de Voc coa temperatura (−dVoc/dT), que depende fortemente da intensidade do láser, é moito menor que a das células solares normais, o coeficiente de temperatura de Voc para a unión YBCO-Ag ten a mesma orde de magnitude que aquel. das células solares. A corrente de fuga dunha unión pn para un dispositivo de célula solar normal aumenta co aumento da temperatura, o que provoca unha diminución do Voc a medida que aumenta a temperatura. As curvas lineais IV observadas para este sistema de supercondutores Ag, debido en primeiro lugar ao moi pequeno potencial de interface e, en segundo lugar, á conexión back-to-back das dúas heteroxuncións, dificulta a determinación da corrente de fuga. Non obstante, parece moi probable que a mesma dependencia da temperatura da corrente de fuga sexa responsable do comportamento Voc observado no noso experimento. Segundo a definición, Isc é a corrente necesaria para producir unha tensión negativa para compensar Voc para que a tensión total sexa cero. A medida que aumenta a temperatura, o Voc faise máis pequeno, polo que se necesita menos corrente para producir a tensión negativa. Ademais, a resistencia do YBCO aumenta linealmente coa temperatura superior a Tc (parte inferior da figura 3b), o que tamén contribúe ao menor valor absoluto de Isc a altas temperaturas.
Teña en conta que os resultados dados nas figuras 2, 3 obtéñense mediante irradiación con láser na zona arredor dos electrodos do cátodo. Tamén se repetiron as medicións cun punto láser situado no ánodo e observáronse características IV e propiedades fotovoltaicas similares, agás que a polaridade de Voc e Isc se invertiu neste caso. Todos estes datos levan a un mecanismo para o efecto fotovoltaico, que está intimamente relacionado coa interface superconductor-metal.
En resumo, as características IV do sistema de pasta supercondutor YBCO-Ag irradiado con láser medironse en función da temperatura e da intensidade do láser. Observouse un efecto fotovoltaico notable no rango de temperaturas de 50 a 300 K. Descúbrese que as propiedades fotovoltaicas se correlacionan fortemente coa supercondutividade da cerámica YBCO. Unha inversión de polaridade de Voc e Isc ocorre inmediatamente despois da transición superconductora a non superconductora inducida pola foto. A dependencia da temperatura de Voc e Isc medida a intensidade fixa do láser mostra tamén unha clara inversión de polaridade a unha temperatura crítica por riba da cal a mostra se fai resistiva. Ao localizar o punto láser en diferentes partes da mostra, mostramos que existe un potencial eléctrico a través da interface, que proporciona a forza de separación para os pares de electróns-buracos fotoinducidos. Este potencial de interface dirixe desde YBCO ao electrodo metálico cando YBCO é supercondutor e cambia á dirección oposta cando a mostra non é supercondutora. A orixe do potencial pode asociarse naturalmente co efecto de proximidade na interface metal-superconductor cando YBCO é supercondutor e estímase que é de ~10−8 mV a 50 K cunha intensidade de láser de 502 mW/cm2. O contacto dun material de tipo p YBCO en estado normal cun material de tipo n Ag-pasta forma unha unión cuasi pn que é responsable do comportamento fotovoltaico da cerámica YBCO a altas temperaturas. As observacións anteriores arroxan luz sobre o efecto fotovoltaico na cerámica supercondutora YBCO de alta temperatura e abren o camiño a novas aplicacións en dispositivos optoelectrónicos como o detector de luz pasiva rápido e o detector de fotón único.
Os experimentos de efecto fotovoltaico realizáronse nunha mostra de cerámica YBCO de 0,52 mm de espesor e forma rectangular de 8,64 × 2,26 mm2 e iluminada por láser azul de onda continua (λ = 450 nm) cun tamaño de punto láser de 1,25 mm de radio. Usar mostras a granel en lugar de película delgada permítenos estudar as propiedades fotovoltaicas do supercondutor sen ter que xestionar a complexa influencia do substrato6,7. Ademais, o material a granel podería ser propicio para o seu procedemento de preparación sinxelo e un custo relativamente baixo. Os cables de cobre están coheridos na mostra YBCO con pasta de prata formando catro electrodos circulares de aproximadamente 1 mm de diámetro. A distancia entre os dous electrodos de tensión é duns 5 mm. As características IV da mostra foron medidas mediante o magnetómetro de mostra de vibración (VersaLab, Quantum Design) cunha xanela de cristal de cuarzo. Empregouse o método estándar de catro fíos para obter as curvas IV. As posicións relativas dos electrodos e do punto láser móstranse na figura 1i.
Como citar este artigo: Yang, F. et al. Orixe do efecto fotovoltaico en cerámica superconductora YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG e Testardi, LR Tensións inducidas por láser prohibidas por simetría en YBa2Cu3O7. Física Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Orixe do sinal fotovoltaico anómalo en Y-Ba-Cu-O. Física Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Medición de tensións inducidas por láser de Bi-Sr-Ca-Cu-O superconductores. Física Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Tensións transitorias inducidas por láser en películas a temperatura ambiente de YBa2Cu3O7-x. J. Apl. Física 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Resposta fotovoltaica anómala en YBa2Cu3O7. Física Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Inxección de portador de burato fotoxenerado a YBa2Cu3O7−x nunha heteroestrutura de óxido. Aplicación. Física Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Estudo de fotoemisión de películas finas YBa2Cu3Oy baixo iluminación luminosa. Física Rev. Let. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Efecto fotovoltaico da heteroxunción YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb recocida en diferentes presións parciales de osíxeno. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Estrutura de dúas fendas en monocristais Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinámica de relaxación de cuasipartículas en superconductores con diferentes estruturas de lagoas: teoría e experimentos sobre YBa2Cu3O7-δ. Física Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Propiedades rectificadoras da heteroxunción YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Aplicación. Física Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Absorción excitónica e supercondutividade en YBa2Cu3O7-δ . Física Rev. Let. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Condutividade fotoinducida transitoria en cristais simples semiconductores de YBa2Cu3O6.3: busca de estado metálico fotoinducido e de supercondutividade fotoinducida. Común de estado sólido. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Modelo de tunelización do efecto de proximidade superconductor. Física Apoc. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Efecto de proximidade superconductor probado nunha escala de lonxitude mesoscópica. Física Rev. Let. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efecto de proximidade con superconductores non centrosimétricos. Física Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Efecto de proximidade superconductor forte en estruturas híbridas Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Unha nova fotocélula de unión pn de silicio para converter a radiación solar en enerxía eléctrica. J. App. Física 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efectos da impureza na lonxitude da coherencia superconductora en cristais sinxelos YBa2Cu3O6.9 dopados con Zn ou Ni. Física Rev. B 60, 114-117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance of Untwined YBa2Cu3Oy single cristais nunha ampla gama de dopaxe: dependencia anómala do dopaxe do burato da lonxitude da coherencia. Física Rev. Let. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistemática na potencia termoeléctrica de óxidos de alta T. Física Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Cambio de impulso dependente da densidade da portadora do pico coherente e do modo fonónico LO en supercondutores de alta Tc tipo p. Fís. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Redución de buratos e acumulación de electróns en películas finas de YBa2Cu3Oy mediante unha técnica electroquímica: evidencia dun estado metálico de tipo n. Física Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT A física e a química da altura da barreira Schottky. Aplicación. Física Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efectos da ruptura dinámica de pares externos en películas superconductoras. Fís. Rev. Let. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Mellora da supercondutividade fotoinducida. Aplicación. Física Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Fotocondutividade persistente en películas YBa2Cu3O6+x como método de fotodopaxe cara a fases metálicas e supercondutoras. Física Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Dinámica de rede non lineal como base para a supercondutividade mellorada en YBa2Cu3O6.5. Natureza 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Supercondutividade inducida pola luz nun cuprato ordenado por franxas. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA A dependencia funcional da temperatura dos VOC para unha célula solar en relación coa súa eficiencia novo enfoque. Desalinización 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Efectos da temperatura nas células solares de silicio de barreira Schottky. Aplicación. Física Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Dependencia da temperatura para os parámetros do dispositivo fotovoltaico das células solares de polímero-fulereno en condicións de funcionamento. J. Apl. Física 90, 5343–5350 (2002).
Este traballo contou co apoio da Fundación Nacional de Ciencias Naturais de China (subvención no 60571063), os Proxectos de Investigación Fundamental da provincia de Henan, China (subvención no 122300410231).
FY escribiu o texto do traballo e MYH preparou a mostra de cerámica YBCO. FY e MYH realizaron o experimento e analizaron os resultados. FGC liderou o proxecto e a interpretación científica dos datos. Todos os autores revisaron o manuscrito.
Esta obra está baixo unha licenza internacional Creative Commons Recoñecemento 4.0. As imaxes ou outro material de terceiros deste artigo inclúense na licenza Creative Commons do artigo, a non ser que se indique o contrario na liña de crédito; se o material non está incluído baixo a licenza Creative Commons, os usuarios terán que obter permiso do titular da licenza para reproducir o material. Para ver unha copia desta licenza, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Orixe do efecto fotovoltaico en cerámica superconductora YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Ao enviar un comentario, aceptas cumprir os nosos Termos e Directrices da comunidade. Se atopas algo abusivo ou que non cumpre cos nosos termos ou directrices, marca-lo como inadecuado.
Hora de publicación: 22-Abr-2020