Hvala što ste posjetili nature.com. Koristite verziju preglednika s ograničenom podrškom za CSS. Kako biste dobili najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite noviji preglednik (ili isključite način kompatibilnosti u Internet Exploreru). U međuvremenu, kako bismo osigurali kontinuiranu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Izvještavamo o izvanrednom fotonaponskom učinku u YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramici između 50 i 300 K induciranom osvjetljenjem plavim laserom, koji je izravno povezan sa supravodljivošću YBCO i YBCO-metalne elektrode. Postoji promjena polariteta za napon otvorenog kruga Voc i struju kratkog spoja Isc kada YBCO prolazi iz supravodljivog u otporno stanje. Pokazujemo da postoji električni potencijal preko sučelja supravodič-normalan metal, koji osigurava silu razdvajanja za foto-inducirane parove elektron-rupa. Ovaj potencijal sučelja usmjerava od YBCO-a prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada YBCO postane nesupravodljiv. Podrijetlo potencijala može se lako povezati s efektom blizine na sučelju metal-supravodič kada je YBCO supravodljiv i njegova se vrijednost procjenjuje na ~10–8 mV pri 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kombinacija materijala p-tipa YBCO u normalnom stanju s materijalom n-tipa Ag-pasta tvori kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naša otkrića mogu utrti put novim primjenama fotonskih elektroničkih uređaja i dodatno rasvijetliti učinak blizine na sučelju supravodič-metal.
Foto-inducirani napon u visokotemperaturnim supravodičima zabilježen je početkom 1990-ih i od tada se opsežno istražuje, ali njegova priroda i mehanizam ostaju nerazjašnjeni1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tanki filmovi6,7,8 posebno se intenzivno proučavaju u obliku fotonaponske (PV) ćelije zbog podesivog energetskog razmaka9,10,11,12,13. Međutim, visoka otpornost podloge uvijek dovodi do niske učinkovitosti pretvorbe uređaja i maskira primarna PV svojstva YBCO8. Ovdje izvješćujemo o izvanrednom fotonaponskom učinku izazvanom osvjetljenjem plavim laserom (λ = 450 nm) u YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramici između 50 i 300 K (Tc ~ 90 K). Pokazali smo da je PV efekt izravno povezan sa supravodljivošću YBCO i prirodom sučelja YBCO-metalne elektrode. Postoji promjena polariteta za napon otvorenog kruga Voc i struju kratkog spoja Isc kada YBCO prolazi iz supravodljive faze u otporno stanje. Pretpostavlja se da postoji električni potencijal preko sučelja supravodič-normalan metal, koji osigurava silu razdvajanja za foto-inducirane parove elektron-rupa. Ovaj potencijal sučelja usmjerava od YBCO-a prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada uzorak postane nesupravodljiv. Podrijetlo potencijala može se prirodno povezati s efektom blizine14,15,16,17 na sučelju metal-supravodič kada je YBCO supravodljiv i njegova se vrijednost procjenjuje na ~10−8 mV pri 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW /cm2. Kombinacija materijala p-tipa YBCO u normalnom stanju s materijalom n-tipa Ag-paste tvori, najvjerojatnije, kvazi-pn spoj koji je odgovoran za PV ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Naša opažanja bacaju daljnje svjetlo na podrijetlo PV efekta u visokotemperaturnoj supravodljivoj YBCO keramici i otvaraju put za njegovu primjenu u optoelektroničkim uređajima kao što je brzi detektor pasivne svjetlosti itd.
Slika 1a–c pokazuje da su karakteristike IV YBCO keramičkog uzorka na 50 K. Bez svjetlosnog osvjetljenja, napon na uzorku ostaje na nuli s promjenom struje, kao što se može očekivati od supravodljivog materijala. Očit fotonaponski efekt pojavljuje se kada se laserska zraka usmjeri na katodu (slika 1a): IV krivulje paralelne s I-osi pomiču se prema dolje s povećanjem intenziteta lasera. Očito je da postoji negativan foto-inducirani napon čak i bez struje (često se naziva napon otvorenog kruga Voc). Nulti nagib IV krivulje pokazuje da je uzorak još uvijek supravodljiv pod laserskim osvjetljenjem.
(a–c) i 300 K (e–g). Vrijednosti V(I) dobivene su prevođenjem struje od −10 mA do +10 mA u vakuumu. Radi jasnoće prikazan je samo dio eksperimentalnih podataka. a, Strujno-naponske karakteristike YBCO mjerene s laserskom točkom postavljenom na katodu (i). Sve IV krivulje su vodoravne ravne linije koje pokazuju da je uzorak još uvijek supravodljiv s laserskim zračenjem. Krivulja se pomiče prema dolje s povećanjem intenziteta lasera, što ukazuje na postojanje negativnog potencijala (Voc) između dva naponska voda čak i uz nultu struju. IV krivulje ostaju nepromijenjene kada se laser usmjeri na središte uzorka na eter 50 K (b) ili 300 K (f). Vodoravna linija se pomiče prema gore kako je anoda osvijetljena (c). Shematski model spoja metal-supravodič pri 50 K prikazan je na d. Strujno-naponske karakteristike normalnog stanja YBCO pri 300 K izmjerene laserskom zrakom usmjerenom na katodu i anodu dane su u e odnosno g. Za razliku od rezultata na 50 K, nagib ravnih linija koji nije nula pokazuje da je YBCO u normalnom stanju; vrijednosti Voc variraju s intenzitetom svjetlosti u suprotnom smjeru, što ukazuje na drugačiji mehanizam odvajanja naboja. Moguća struktura međusklopa pri 300 K prikazana je u hj. Prava slika uzorka s vodovima.
YBCO bogat kisikom u supravodljivom stanju može apsorbirati gotovo cijeli spektar sunčeve svjetlosti zbog vrlo malog energetskog jaza (Npr.)9,10, stvarajući tako parove elektron-šupljina (e–h). Da bi se proizveo napon otvorenog kruga Voc apsorpcijom fotona, potrebno je prostorno razdvojiti foto-generirane eh parove prije nego što dođe do rekombinacije18. Negativni Voc, u odnosu na katodu i anodu kao što je prikazano na slici 1i, sugerira da postoji električni potencijal preko sučelja metal-supravodič, koji vodi elektrone na anodu i rupe na katodu. Ako je to slučaj, također bi trebao postojati potencijal usmjeren od supravodiča prema metalnoj elektrodi na anodi. Posljedično, pozitivan Voc bi se dobio ako se područje uzorka u blizini anode osvijetli. Nadalje, ne bi trebalo biti foto-induciranih napona kada je laserska točka usmjerena prema područjima udaljenim od elektroda. To je svakako slučaj kao što se može vidjeti na sl. 1b,c!.
Kada se svjetlosna točka pomakne od katodne elektrode do središta uzorka (oko 1,25 mm odvojeno od sučelja), ne može se primijetiti nikakva varijacija IV krivulja niti Voc s povećanjem intenziteta lasera do maksimalne dostupne vrijednosti (Sl. 1b) . Naravno, ovaj se rezultat može pripisati ograničenom vijeku trajanja foto-induciranih nosača i nedostatku sile razdvajanja u uzorku. Parovi elektron-šupljina mogu se stvoriti kad god se uzorak osvijetli, ali većina e–h parova će biti uništena i neće se primijetiti fotonaponski učinak ako laserska mrlja padne na područja daleko od bilo koje elektrode. Pomicanjem laserske točke prema anodnim elektrodama, IV krivulje paralelne s osi I pomiču se prema gore s povećanjem intenziteta lasera (Sl. 1c). Slično ugrađeno električno polje postoji u spoju metal-supravodič na anodi. Međutim, ovaj se put metalna elektroda spaja na pozitivni vod ispitnog sustava. Rupe koje proizvodi laser guraju se do anode i tako se opaža pozitivan Voc. Ovdje prikazani rezultati daju snažne dokaze da doista postoji potencijal sučelja koji pokazuje od supravodiča do metalne elektrode.
Fotonaponski učinak u keramici YBa2Cu3O6.96 pri 300 K prikazan je na sl. 1e–g. Bez svjetlosnog osvjetljenja, IV krivulja uzorka je ravna linija koja siječe ishodište. Ova se ravna linija pomiče prema gore paralelno s izvornom s povećanjem intenziteta lasera koji zrači na katodnim vodovima (slika 1e). Dva su granična slučaja od interesa za fotonaponski uređaj. Stanje kratkog spoja javlja se kada je V = 0. Struja se u ovom slučaju naziva struja kratkog spoja (Isc). Drugi ograničavajući slučaj je stanje otvorenog kruga (Voc) koje se događa kada je R→∞ ili struja nula. Slika 1e jasno pokazuje da je Voc pozitivan i raste s povećanjem intenziteta svjetlosti, za razliku od rezultata dobivenog pri 50 K; dok se opaža da negativni Isc povećava magnitudu sa svjetlosnim osvjetljenjem, što je tipično ponašanje normalnih solarnih ćelija.
Slično, kada je laserska zraka usmjerena na područja daleko od elektroda, V(I) krivulja je neovisna o intenzitetu lasera i nema fotonaponskog efekta (slika 1f). Slično mjerenju pri 50 K, IV krivulje se pomiču u suprotnom smjeru kako je anodna elektroda ozračena (slika 1g). Svi ovi rezultati dobiveni za ovaj sustav paste YBCO-Ag na 300 K s laserom ozračenim na različitim pozicijama uzorka su u skladu s potencijalom sučelja suprotnim onom opaženom na 50 K.
Većina elektrona kondenzira se u Cooperovim parovima u supravodljivom YBCO ispod njegove prijelazne temperature Tc. Dok su u metalnoj elektrodi, svi elektroni ostaju u jedinstvenom obliku. Postoji veliki gradijent gustoće i za singularne elektrone i za Cooperove parove u blizini sučelja metal-supravodič. Singularni elektroni s većinskim nosiocem u metalnom materijalu će difundirati u područje supravodiča, dok će Cooperovi parovi s većinskim nosiocima u YBCO području difundirati u područje metala. Kako Cooperovi parovi koji nose više naboja i imaju veću mobilnost od singularnih elektrona difundiraju iz YBCO u metalno područje, pozitivno nabijeni atomi ostaju iza, što rezultira električnim poljem u području prostornog naboja. Smjer ovog električnog polja prikazan je na shematskom dijagramu sl. 1d. Upadno fotonsko osvjetljenje u blizini područja prostornog naboja može stvoriti eh parove koji će biti razdvojeni i pometeni proizvodeći fotostruju u smjeru obrnute prednapone. Čim elektroni izađu iz ugrađenog električnog polja, kondenziraju se u parove i teku prema drugoj elektrodi bez otpora. U ovom slučaju, Voc je suprotan od unaprijed postavljenog polariteta i prikazuje negativnu vrijednost kada laserska zraka usmjeri područje oko negativne elektrode. Iz vrijednosti Voc može se procijeniti potencijal preko sučelja: udaljenost između dva naponska voda d je ~5 × 10−3 m, debljina sučelja metal-supravodič, di, trebala bi biti istog reda veličine kao duljinu koherencije YBCO supravodiča (~1 nm)19,20, uzmite vrijednost Voc = 0,03 mV, potencijal Vms na sučelje metal-supravodič procijenjeno je na ~10−11 V na 50 K s laserskim intenzitetom od 502 mW/cm2, pomoću jednadžbe,
Ovdje želimo naglasiti da se fotoinducirani napon ne može objasniti fototermalnim efektom. Eksperimentalno je utvrđeno da je Seebeckov koeficijent supravodiča YBCO Ss = 021. Seebeckov koeficijent za bakrene žice je u rasponu SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperatura bakrene žice na laserskoj točki može se povisiti za malu količinu od 0,06 K s maksimalnim intenzitetom lasera dostupnim na 50 K. To bi moglo proizvesti termoelektrični potencijal od 6,9 × 10−8 V koji je tri reda veličine manji od Voc dobiven na slici 1 (a). Očito je da je termoelektrični učinak premalen da bi objasnio eksperimentalne rezultate. Zapravo, temperaturne varijacije zbog laserskog zračenja nestale bi za manje od jedne minute tako da se doprinos toplinskog učinka može sa sigurnošću zanemariti.
Ovaj fotonaponski učinak YBCO na sobnoj temperaturi otkriva da je ovdje uključen drugačiji mehanizam odvajanja naboja. Supravodljivi YBCO u normalnom stanju je p-tip materijala s rupama kao nositeljem naboja22,23, dok metalna Ag-pasta ima karakteristike n-tipa materijala. Slično pn spojevima, difuzija elektrona u srebrnoj pasti i rupama u YBCO keramici formirat će unutarnje električno polje koje pokazuje na YBCO keramiku na sučelju (Sl. 1h). To je unutarnje polje koje osigurava silu odvajanja i dovodi do pozitivnog Voc i negativnog Isc za sustav paste YBCO-Ag na sobnoj temperaturi, kao što je prikazano na slici 1e. Alternativno, Ag-YBCO bi mogao formirati Schottkyjev spoj p-tipa koji također dovodi do potencijala sučelja s istim polaritetom kao u gore prikazanom modelu24.
Kako bi se istražio detaljan proces evolucije fotonaponskih svojstava tijekom supravodljivog prijelaza YBCO, IV krivulje uzorka pri 80 K izmjerene su s odabranim intenzitetom lasera koji je osvjetljavao katodnu elektrodu (slika 2). Bez laserskog zračenja, napon na uzorku ostaje na nuli bez obzira na struju, što ukazuje na supravodljivo stanje uzorka na 80 K (slika 2a). Slično podacima dobivenim pri 50 K, IV krivulje paralelne s osi I pomiču se prema dolje s povećanjem intenziteta lasera sve dok se ne postigne kritična vrijednost Pc. Iznad tog kritičnog intenziteta lasera (Pc), supravodič prolazi kroz prijelaz iz supravodljive faze u otpornu fazu; napon počinje rasti sa strujom zbog pojave otpora u supravodiču. Kao rezultat toga, IV krivulja se počinje presijecati s I-osi i V-osi što dovodi do negativnog Voc i pozitivnog Isc u početku. Sada se čini da je uzorak u posebnom stanju u kojem je polaritet Voc i Isc izuzetno osjetljiv na intenzitet svjetla; s vrlo malim povećanjem intenziteta svjetlosti Isc se pretvara iz pozitivne u negativnu, a Voc iz negativne u pozitivnu vrijednost, prolazeći ishodište (visoka osjetljivost fotonaponskih svojstava, posebno vrijednosti Isc, na svjetlosno osvjetljenje može se jasnije vidjeti na sl. 2b). Pri najvećem dostupnom intenzitetu lasera, IV krivulje trebaju biti paralelne jedna s drugom, označavajući normalno stanje YBCO uzorka.
Središte laserske točke postavljeno je oko katodnih elektroda (vidi sliku 1i). a, IV krivulje YBCO ozračene različitim intenzitetima lasera. b (gore), Ovisnost o intenzitetu lasera napona otvorenog kruga Voc i struje kratkog spoja Isc. Vrijednosti Isc ne mogu se dobiti pri niskom intenzitetu svjetla (< 110 mW/cm2) jer su IV krivulje paralelne s I-osi kada je uzorak u supravodljivom stanju. b (dolje), diferencijalni otpor kao funkcija intenziteta lasera.
Ovisnost o intenzitetu lasera Voc i Isc pri 80 K prikazana je na slici 2b (gore). O fotonaponskim svojstvima može se raspravljati u tri područja intenziteta svjetlosti. Prvo područje je između 0 i Pc, u kojem je YBCO supravodljiv, Voc je negativan i opada (apsolutna vrijednost raste) s intenzitetom svjetlosti i dostiže minimum na Pc. Drugo područje je od Pc do drugog kritičnog intenziteta P0, u kojem Voc raste dok Isc opada s povećanjem intenziteta svjetlosti i oba dosežu nulu na P0. Treća regija je iznad P0 dok se ne postigne normalno stanje YBCO. Iako i Voc i Isc variraju s intenzitetom svjetlosti na isti način kao u regiji 2, imaju suprotni polaritet iznad kritičnog intenziteta P0. Značaj P0 leži u tome što nema fotonaponskog efekta i mehanizam odvajanja naboja se kvalitativno mijenja u ovoj određenoj točki. Uzorak YBCO postaje nesupravodljiv u ovom rasponu intenziteta svjetlosti, ali normalno stanje tek treba postići.
Jasno je da su fotonaponske karakteristike sustava usko povezane sa supravodljivošću YBCO i njegovim supravodljivim prijelazom. Diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO prikazan je na slici 2b (dolje) kao funkcija intenziteta lasera. Kao što je prije spomenuto, ugrađeni električni potencijal u sučelju zbog difuzijskih točaka Cooperovog para od supravodiča do metala. Slično onom opaženom na 50 K, fotonaponski učinak se pojačava povećanjem intenziteta lasera od 0 do Pc. Kada intenzitet lasera dosegne vrijednost malo iznad Pc, IV krivulja se počinje naginjati i počinje se pojavljivati otpor uzorka, ali polaritet potencijala sučelja još nije promijenjen. Učinak optičke ekscitacije na supravodljivost istražen je u vidljivom ili bliskom IR području. Dok je osnovni proces razbijanje Cooperovih parova i uništavanje supravodljivosti25,26, u nekim slučajevima prijelaz supravodljivosti može se poboljšati27,28,29, čak se mogu inducirati nove faze supravodljivosti30. Odsutnost supravodljivosti na Pc može se pripisati foto-induciranom pucanju para. U točki P0, potencijal preko sučelja postaje nula, što ukazuje da gustoća naboja na obje strane sučelja doseže istu razinu pod ovim određenim intenzitetom svjetlosnog osvjetljenja. Daljnje povećanje intenziteta lasera rezultira uništavanjem više Cooperovih parova i YBCO se postupno pretvara natrag u materijal p-tipa. Umjesto difuzije elektrona i Cooperovog para, značajka sučelja sada je određena difuzijom elektrona i šupljina što dovodi do promjene polariteta električnog polja u sučelju i posljedično pozitivnom Voc (usporedi sliku 1d,h). Pri vrlo visokom intenzitetu lasera, diferencijalni otpor YBCO zasićuje se do vrijednosti koja odgovara normalnom stanju, a i Voc i Isc imaju tendenciju da variraju linearno s intenzitetom lasera (slika 2b). Ovo opažanje otkriva da lasersko zračenje na YBCO u normalnom stanju više neće mijenjati njegovu otpornost i značajku sučelja supravodič-metal, već će samo povećati koncentraciju parova elektron-rupa.
Kako bi se istražio utjecaj temperature na fotonaponska svojstva, sustav metal-supravodič ozračen je na katodi plavim laserom intenziteta 502 mW/cm2. IV krivulje dobivene na odabranim temperaturama između 50 i 300 K dane su na slici 3a. Napon otvorenog kruga Voc, struja kratkog spoja Isc i diferencijalni otpor mogu se zatim dobiti iz ovih IV krivulja i prikazani su na slici 3b. Bez svjetlosnog osvjetljenja, sve IV krivulje izmjerene na različitim temperaturama prolaze ishodište kao što se očekivalo (umetak na slici 3a). IV karakteristike se drastično mijenjaju s porastom temperature kada je sustav osvijetljen relativno jakom laserskom zrakom (502 mW/cm2). Na niskim temperaturama IV krivulje su ravne linije paralelne s I-osi s negativnim vrijednostima Voc. Ova se krivulja pomiče prema gore s povećanjem temperature i postupno se pretvara u liniju s nagibom različitim od nule pri kritičnoj temperaturi Tcp (slika 3a (gore)). Čini se da sve IV karakteristične krivulje rotiraju oko točke u trećem kvadrantu. Voc se povećava s negativne vrijednosti na pozitivnu, dok se Isc smanjuje s pozitivne na negativnu vrijednost. Iznad izvorne temperature supravodljivog prijelaza YBCO Tc, IV krivulja se prilično drugačije mijenja s temperaturom (dno slike 3a). Najprije se središte rotacije IV krivulja pomiče u prvi kvadrant. Drugo, Voc nastavlja opadati, a Isc raste s povećanjem temperature (vrh slike 3b). Treće, nagib IV krivulja raste linearno s temperaturom što rezultira pozitivnim temperaturnim koeficijentom otpora za YBCO (dno slike 3b).
Temperaturna ovisnost fotonaponskih karakteristika za sustav YBCO-Ag paste pod laserskim osvjetljenjem od 502 mW/cm2.
Središte laserske točke postavljeno je oko katodnih elektroda (vidi sliku 1i). a, IV krivulje dobivene od 50 do 90 K (gore) i od 100 do 300 K (dolje) s temperaturnim prirastom od 5 K, odnosno 20 K. Umetak a prikazuje IV karakteristike na nekoliko temperatura u mraku. Sve krivulje sijeku početnu točku. b, napon otvorenog kruga Voc i struja kratkog spoja Isc (gore) i diferencijalni otpor, dV/dI, YBCO (dolje) kao funkcija temperature. Temperatura supravodljivog prijelaza nultog otpora Tcp nije navedena jer je preblizu Tc0.
Na slici 3b mogu se prepoznati tri kritične temperature: Tcp, iznad koje YBCO postaje nesupravodljiv; Tc0, pri kojoj i Voc i Isc postaju nula i Tc, početna temperatura supravodljivog prijelaza YBCO bez laserskog zračenja. Ispod Tcp ~ 55 K, YBCO ozračen laserom je u supravodljivom stanju s relativno visokom koncentracijom Cooperovih parova. Učinak laserskog zračenja je smanjenje supravodljive temperature nultog otpora s 89 K na ~55 K (dno slike 3b) smanjenjem koncentracije Cooperovog para uz proizvodnju fotonaponskog napona i struje. Povećanje temperature također razgrađuje Cooperove parove što dovodi do nižeg potencijala u međusklopu. Posljedično, apsolutna vrijednost Voc će postati manja, iako se primjenjuje isti intenzitet laserskog osvjetljenja. Potencijal sučelja postat će sve manji i manji s daljnjim porastom temperature i doseći će nulu na Tc0. Na ovoj posebnoj točki nema fotonaponskog učinka jer nema unutarnjeg polja koje bi razdvajalo foto-inducirane parove elektron-šupljina. Preokret polariteta potencijala događa se iznad ove kritične temperature jer je gustoća slobodnog naboja u Ag pasti veća od one u YBCO koja se postupno prenosi natrag na materijal p-tipa. Ovdje želimo naglasiti da se promjena polariteta Voc i Isc događa odmah nakon supravodljivog prijelaza nultog otpora, bez obzira na uzrok prijelaza. Ovo opažanje jasno otkriva, po prvi put, korelaciju između supravodljivosti i fotonaponskih učinaka povezanih s potencijalom sučelja metal-supravodič. Priroda ovog potencijala preko sučelja supravodič-normalni metal bila je u fokusu istraživanja posljednjih nekoliko desetljeća, ali postoje mnoga pitanja koja još uvijek čekaju odgovore. Mjerenje fotonaponskog učinka moglo bi se pokazati kao učinkovita metoda za istraživanje pojedinosti (kao što su njegova snaga i polaritet itd.) ovog važnog potencijala i stoga rasvijetliti visokotemperaturni supravodljivi učinak blizine.
Daljnji porast temperature od Tc0 do Tc dovodi do manje koncentracije Cooperovih parova i povećanja potencijala međupovršine i posljedično većeg Voc. Pri Tc koncentracija Cooperovog para postaje nula, a ugrađeni potencijal na sučelju doseže maksimum, što rezultira maksimalnim Voc i minimalnim Isc. Brzi porast Voc i Isc (apsolutna vrijednost) u ovom temperaturnom rasponu odgovara supravodljivom prijelazu koji je proširen s ΔT ~ 3 K na ~34 K laserskim zračenjem intenziteta 502 mW/cm2 (Sl. 3b). U normalnim stanjima iznad Tc, napon otvorenog kruga Voc opada s temperaturom (vrh slike 3b), slično linearnom ponašanju Voc za normalne solarne ćelije temeljene na pn spojevima31,32,33. Iako je brzina promjene Voc s temperaturom (−dVoc/dT), koja jako ovisi o intenzitetu lasera, mnogo manja od one kod normalnih solarnih ćelija, temperaturni koeficijent Voc za YBCO-Ag spoj ima isti red veličine kao onaj solarnih ćelija. Struja curenja pn spoja za normalan uređaj solarnih ćelija raste s povećanjem temperature, što dovodi do smanjenja Voc kako temperatura raste. Linearne IV krivulje uočene za ovaj sustav Ag-supravodiča, zbog prvo vrlo malog potencijala međusklopa i drugo zbog povratne veze dvaju heterospojnica, otežavaju određivanje struje curenja. Unatoč tome, čini se vrlo vjerojatnim da je ista temperaturna ovisnost struje curenja odgovorna za Voc ponašanje promatrano u našem eksperimentu. Prema definiciji, Isc je struja potrebna za stvaranje negativnog napona za kompenzaciju Voc tako da ukupni napon bude nula. Kako temperatura raste, Voc postaje manji tako da je potrebno manje struje za stvaranje negativnog napona. Nadalje, otpor YBCO raste linearno s temperaturom iznad Tc (dno slike 3b), što također doprinosi manjoj apsolutnoj vrijednosti Isc na visokim temperaturama.
Primijetite da su rezultati dani na slikama 2,3 dobiveni laserskim zračenjem na području oko katodnih elektroda. Mjerenja su također ponovljena s laserskom točkom postavljenom na anodu i uočene su slične IV karakteristike i fotonaponska svojstva osim što je polaritet Voc i Isc u ovom slučaju obrnut. Svi ovi podaci dovode do mehanizma za fotonaponski efekt, koji je usko povezan sa sučeljem supravodič-metal.
Ukratko, IV karakteristike laserski ozračenog supravodljivog YBCO-Ag sustava paste izmjerene su kao funkcije temperature i intenziteta lasera. Izvanredan fotonaponski učinak primijećen je u rasponu temperatura od 50 do 300 K. Utvrđeno je da fotonaponska svojstva snažno koreliraju sa supravodljivošću YBCO keramike. Promjena polariteta Voc i Isc događa se odmah nakon foto-induciranog prijelaza iz supravodljivog u nesupravodljivo stanje. Ovisnost Voc i Isc o temperaturi mjerena pri fiksnom intenzitetu lasera također pokazuje jasnu promjenu polariteta na kritičnoj temperaturi iznad koje uzorak postaje otporan. Lociranjem laserske točke na različite dijelove uzorka, pokazujemo da postoji električni potencijal preko sučelja, koji osigurava silu razdvajanja za foto-inducirane parove elektron-rupa. Ovaj potencijal sučelja usmjerava od YBCO-a prema metalnoj elektrodi kada je YBCO supravodljiv i prebacuje se u suprotni smjer kada uzorak postane nesupravodljiv. Podrijetlo potencijala može se prirodno povezati s efektom blizine na sučelju metal-supravodič kada je YBCO supravodljiv i procjenjuje se na ~10−8 mV pri 50 K s intenzitetom lasera od 502 mW/cm2. Kontakt materijala p-tipa YBCO u normalnom stanju s materijalom n-tipa Ag-pasta formira kvazi-pn spoj koji je odgovoran za fotonaponsko ponašanje YBCO keramike na visokim temperaturama. Gornja zapažanja bacaju svjetlo na fotonaponski učinak u visokotemperaturnoj supravodljivoj YBCO keramici i utiru put novim primjenama u optoelektroničkim uređajima kao što su brzi detektor pasivne svjetlosti i detektor jednog fotona.
Eksperimenti s fotonaponskim učinkom izvedeni su na YBCO keramičkom uzorku debljine 0,52 mm i pravokutnog oblika 8,64 × 2,26 mm2 koji je osvijetljen plavim laserom s kontinuiranim valom (λ = 450 nm) s veličinom laserske mrlje od 1,25 mm u polumjeru. Korištenje skupnog uzorka umjesto tankog filma omogućuje nam proučavanje fotonaponskih svojstava supravodiča bez suočavanja sa složenim utjecajem supstrata6,7. Štoviše, rasuti materijal mogao bi biti pogodan zbog svoje jednostavne procedure pripreme i relativno niske cijene. Bakrene žice spojene su na YBCO uzorku sa srebrnom pastom tvoreći četiri kružne elektrode promjera oko 1 mm. Razmak između dvije naponske elektrode je oko 5 mm. IV karakteristike uzorka izmjerene su magnetometrom vibracijskog uzorka (VersaLab, Quantum Design) s kvarcnim kristalnim prozorom. Za dobivanje IV krivulja korištena je standardna metoda s četiri žice. Relativni položaji elektroda i laserske točke prikazani su na slici 1i.
Kako citirati ovaj članak: Yang, F. et al. Porijeklo fotonaponskog efekta u supravodljivoj keramici YBa2Cu3O6.96. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Laserski inducirani naponi zabranjeni simetrijom u YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564-11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Podrijetlo anomalnog fotonaponskog signala u Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270-6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Mjerenje laserski induciranih napona supravodljivog Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773-5776 (1992).
Tate, KL, et al. Prijelazni laserom inducirani naponi u filmovima YBa2Cu3O7-x sobne temperature. J. Appl. Phys. 67, 4375-4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomalni fotonaponski odgovor u YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692-3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenerirana injekcija nositelja rupa u YBa2Cu3O7−x u oksidnoj heterostrukturi. Appl. Phys. Lett. 85, 2950-2952 (2004).
Asakura, D. i sur. Studija fotoemisije YBa2Cu3Oy tankih filmova pod svjetlosnim osvjetljenjem. Phys. vlč. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. i sur. Fotonaponski učinak heterospojnice YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb žarene u različitim parcijalnim tlakovima kisika. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA i sur. Dvoprostorna struktura u monokristalima Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Superkond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. i Mihailović, D. Kvazičestična relaksacijska dinamika u supravodičima s različitim strukturama praznina: Teorija i eksperimenti na YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497-1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Ispravljačka svojstva YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterospojnice. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Ekscitonska apsorpcija i supravodljivost u YBa2Cu3O7-δ. Phys. vlč. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Prijelazna fotoinducirana vodljivost u poluvodičkim pojedinačnim kristalima YBa2Cu3O6.3: potraga za fotoinduciranim metalnim stanjem i fotoinduciranom supravodljivošću. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunelski model supravodljivog efekta blizine. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. i sur. Supravodljivi efekt blizine ispitan na mezoskopskoj skali duljine. Phys. vlč. Lett. 77, 3025-3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efekt blizine s necentrosimetričnim supravodičima. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM i sur. Jaki supravodljivi efekt blizine u hibridnim strukturama Pb-Bi2Te3. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Nova silikonska fotoćelija pn spoja za pretvaranje sunčevog zračenja u električnu energiju. J. App. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Učinci nečistoća na duljinu supravodljive koherencije u monokristalima YBa2Cu3O6.9 dopiranim Zn ili Ni. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistent of Untwinned YBa2Cu3Oy single crystals in a wide range of doping: anomalous hole-doping dependence of the coherence length. Phys. vlč. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sustavnost u termoelektričnoj moći visoko-T, oksida. Phys. Rev. B 46, 14928-14931, (1992).
Sugai, S. i sur. O gustoći nositelja ovisan pomak momenta koherentnog vrha i LO fononskog moda u visoko-Tc supravodičima p-tipa. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. i sur. Smanjenje šupljina i nakupljanje elektrona u YBa2Cu3Oy tankim filmovima korištenjem elektrokemijske tehnike: Dokazi za metalno stanje n-tipa. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizika i kemija visine Schottkyjeve barijere. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Učinci dinamičkog vanjskog kidanja para u supravodljivim filmovima. Phys. vlč. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. i sur. Fotoinducirano povećanje supravodljivosti. Appl. Phys. Lett. 60, 2159-2161 (1992).
Kudinov, VI i sur. Perzistentna fotovodljivost u YBa2Cu3O6+x filmovima kao metoda fotodopiranja metalnih i supravodljivih faza. Phys. Rev. B 14, 9017-9028 (1993).
Mankowsky, R. i sur. Nelinearna dinamika rešetke kao osnova za povećanu supravodljivost u YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. i sur. Svjetlom inducirana supravodljivost u prugasto uređenom kupratu. Znanost 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Novi pristup temperaturne funkcionalne ovisnosti VOC-a za solarnu ćeliju u odnosu na njezinu učinkovitost. Desalinizacija 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperaturni učinci u silicijskim solarnim ćelijama sa Schottkyjevom barijerom. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Ovisnost o temperaturi za parametre fotonaponskog uređaja polimer-fuleren solarnih ćelija u radnim uvjetima. J. Appl. Phys. 90, 5343-5350 (2002).
Ovaj rad je podržan od strane Kineske nacionalne zaklade za prirodne znanosti (dotacija br. 60571063), Fundamentalnih istraživačkih projekata provincije Henan, Kina (dotacija br. 122300410231).
FY je napisao tekst rada, a MYH je pripremio YBCO keramički uzorak. FY i MYH izveli su eksperiment i analizirali rezultate. FGC je vodio projekt i znanstvenu interpretaciju podataka. Svi autori recenzirali su rukopis.
Ovo je djelo licencirano pod međunarodnom licencom Creative Commons Attribution 4.0. Slike ili drugi materijali trećih strana u ovom članku uključeni su u licencu Creative Commons za članak, osim ako nije drugačije navedeno u kreditnoj liniji; ako materijal nije uključen pod licencom Creative Commons, korisnici će morati dobiti dopuštenje od vlasnika licence za reprodukciju materijala. Za pregled kopije ove licence posjetite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Porijeklo fotonaponskog efekta u supravodljivoj keramici YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Slanjem komentara pristajete na poštivanje naših Uvjeta i Smjernica zajednice. Ako pronađete nešto uvredljivo ili što nije u skladu s našim uvjetima ili smjernicama, označite to kao neprikladno.
Vrijeme objave: 22. travnja 2020