Terima kasih telah mengunjungi alam.com. Anda menggunakan versi browser dengan dukungan terbatas untuk CSS. Untuk mendapatkan pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang lebih mutakhir (atau mematikan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Kami melaporkan efek fotovoltaik yang luar biasa pada keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K yang diinduksi oleh penerangan laser biru, yang secara langsung berkaitan dengan superkonduktivitas YBCO dan antarmuka elektroda logam-YBCO. Terdapat pembalikan polaritas untuk tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus hubung singkat Isc ketika YBCO mengalami transisi dari keadaan superkonduktor ke keadaan resistif. Kami menunjukkan bahwa terdapat potensi listrik melintasi antarmuka logam superkonduktor-normal, yang memberikan gaya pemisahan untuk pasangan lubang elektron yang diinduksi foto. Potensi antarmuka ini mengarah dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO menjadi superkonduktor dan beralih ke arah berlawanan ketika YBCO menjadi nonsuperkonduktor. Asal usul potensi mungkin mudah dikaitkan dengan efek kedekatan pada antarmuka logam-superkonduktor ketika YBCO menjadi superkonduktor dan nilainya diperkirakan ~10–8 mV pada 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2. Kombinasi material tipe-p YBCO pada keadaan normal dengan pasta Ag material tipe-n membentuk sambungan kuasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku fotovoltaik keramik YBCO pada suhu tinggi. Temuan kami dapat membuka jalan bagi aplikasi baru perangkat foton-elektronik dan menjelaskan lebih lanjut tentang efek kedekatan pada antarmuka superkonduktor-logam.
Tegangan yang diinduksi foto pada superkonduktor suhu tinggi telah dilaporkan pada awal tahun 1990an dan diselidiki secara luas sejak saat itu, namun sifat dan mekanismenya masih belum diketahui1,2,3,4,5. Film tipis YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, khususnya, dipelajari secara intensif dalam bentuk sel fotovoltaik (PV) karena kesenjangan energinya yang dapat disesuaikan9,10,11,12,13. Namun, resistensi substrat yang tinggi selalu menyebabkan rendahnya efisiensi konversi perangkat dan menutupi properti PV utama YBCO8. Di sini kami melaporkan efek fotovoltaik luar biasa yang disebabkan oleh pencahayaan laser biru (λ = 450 nm) pada keramik YBa2Cu3O6.96 (YBCO) antara 50 dan 300 K (Tc ~ 90 K). Kami menunjukkan bahwa efek PV berhubungan langsung dengan superkonduktivitas YBCO dan sifat antarmuka elektroda logam-YBCO. Terdapat pembalikan polaritas untuk tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus hubung singkat Isc ketika YBCO mengalami transisi dari fase superkonduktor ke keadaan resistif. Diusulkan bahwa terdapat potensi listrik melintasi antarmuka logam superkonduktor-normal, yang memberikan gaya pemisahan untuk pasangan lubang elektron yang diinduksi foto. Potensial antarmuka ini mengarah dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO bersifat superkonduktor dan beralih ke arah berlawanan ketika sampel menjadi nonsuperkonduktor. Asal usul potensi mungkin secara alami dikaitkan dengan efek kedekatan14,15,16,17 pada antarmuka logam-superkonduktor ketika YBCO menjadi superkonduktor dan nilainya diperkirakan ~10−8 mV pada 50 K dengan intensitas laser 502 mW /cm2. Kombinasi bahan tipe-p YBCO pada keadaan normal dengan bahan tipe-n Pasta Ag, kemungkinan besar, merupakan sambungan kuasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku PV keramik YBCO pada suhu tinggi. Pengamatan kami menjelaskan lebih lanjut asal mula efek PV pada keramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan bagi penerapannya pada perangkat optoelektronik seperti detektor cahaya pasif cepat, dll.
Gambar 1a – c menunjukkan bahwa karakteristik IV sampel keramik YBCO pada 50 K. Tanpa penerangan cahaya, tegangan pada sampel tetap nol dengan perubahan arus, seperti yang diharapkan dari bahan superkonduktor. Efek fotovoltaik yang jelas muncul ketika sinar laser diarahkan ke katoda (Gbr. 1a): kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke bawah dengan meningkatnya intensitas laser. Jelaslah bahwa terdapat tegangan negatif yang diinduksi foto bahkan tanpa arus apa pun (sering disebut tegangan rangkaian terbuka Voc). Kemiringan nol pada kurva IV menunjukkan bahwa sampel masih bersifat superkonduktor di bawah penerangan laser.
(a–c) dan 300 K (e–g). Nilai V(I) diperoleh dengan menyapu arus dari −10 mA menjadi +10 mA dalam ruang hampa. Hanya sebagian dari data eksperimen yang disajikan demi kejelasan. a, Karakteristik arus-tegangan YBCO diukur dengan titik laser yang ditempatkan di katoda (i). Semua kurva IV berupa garis lurus horizontal yang menunjukkan sampel masih superkonduktor dengan iradiasi laser. Kurva bergerak ke bawah dengan meningkatnya intensitas laser, menunjukkan bahwa terdapat potensial negatif (Voc) antara dua kabel tegangan bahkan dengan arus nol. Kurva IV tetap tidak berubah ketika laser diarahkan ke pusat sampel pada eter 50 K (b) atau 300 K (f). Garis horizontal bergerak ke atas saat anoda menyala (c). Model skema sambungan logam-superkonduktor pada 50 K ditunjukkan pada d. Karakteristik arus-tegangan YBCO keadaan normal pada 300 K diukur dengan sinar laser yang diarahkan ke katoda dan anoda masing-masing diberikan dalam e dan g. Berbeda dengan hasil pada 50 K, kemiringan garis lurus yang bukan nol menunjukkan bahwa YBCO dalam keadaan normal; nilai Voc bervariasi terhadap intensitas cahaya dalam arah yang berlawanan, menunjukkan mekanisme pemisahan muatan yang berbeda. Kemungkinan struktur antarmuka pada 300 K digambarkan dalam hj Gambaran sebenarnya dari sampel dengan sadapan.
YBCO yang kaya oksigen dalam keadaan superkonduktor dapat menyerap hampir seluruh spektrum sinar matahari karena celah energinya yang sangat kecil (Eg)9,10, sehingga menciptakan pasangan lubang elektron (e–h). Untuk menghasilkan tegangan rangkaian terbuka Voc melalui penyerapan foton, perlu dilakukan pemisahan pasangan eh yang dihasilkan foto secara spasial sebelum terjadi rekombinasi18. Voc negatif, relatif terhadap katoda dan anoda seperti ditunjukkan pada Gambar 1i, menunjukkan bahwa terdapat potensi listrik melintasi antarmuka logam-superkonduktor, yang menyapu elektron ke anoda dan lubang ke katoda. Jika hal ini terjadi, seharusnya juga terdapat titik potensial dari superkonduktor ke elektroda logam di anoda. Akibatnya, Voc positif akan diperoleh jika area sampel di dekat anoda disinari. Selain itu, tidak boleh ada tegangan yang diinduksi foto ketika titik laser diarahkan ke area yang jauh dari elektroda. Hal ini tentu saja terjadi seperti yang dapat dilihat dari Gambar 1b,c!.
Ketika titik cahaya berpindah dari elektroda katoda ke pusat sampel (terpisah sekitar 1,25 mm dari antarmuka), tidak ada variasi kurva IV dan tidak ada Voc yang dapat diamati dengan peningkatan intensitas laser ke nilai maksimum yang tersedia (Gbr. 1b) . Tentu saja, hasil ini dapat dianggap berasal dari terbatasnya masa hidup pembawa yang diinduksi foto dan kurangnya gaya pemisahan dalam sampel. Pasangan elektron-lubang dapat tercipta setiap kali sampel disinari, namun sebagian besar pasangan e–h akan dimusnahkan dan tidak ada efek fotovoltaik yang teramati jika titik laser jatuh pada area yang jauh dari elektroda mana pun. Memindahkan titik laser ke elektroda anoda, kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke atas dengan meningkatnya intensitas laser (Gbr. 1c). Medan listrik serupa juga terdapat pada sambungan logam-superkonduktor di anoda. Namun, elektroda logam kali ini terhubung ke kabel positif dari sistem pengujian. Lubang yang dihasilkan oleh laser didorong ke ujung anoda dan dengan demikian Voc positif diamati. Hasil yang disajikan di sini memberikan bukti kuat bahwa memang terdapat potensi antarmuka yang mengarah dari superkonduktor ke elektroda logam.
Efek fotovoltaik pada keramik YBa2Cu3O6.96 pada 300 K ditunjukkan pada Gambar 1e–g. Tanpa penerangan cahaya, kurva IV sampel berupa garis lurus yang melintasi titik asal. Garis lurus ini bergerak ke atas sejajar dengan garis aslinya dengan meningkatnya intensitas laser yang menyinari kabel katoda (Gbr. 1e). Ada dua hal yang membatasi kepentingan perangkat fotovoltaik. Kondisi hubung singkat terjadi bila V = 0. Arus dalam hal ini disebut dengan arus hubung singkat (Isc). Kasus pembatas kedua adalah kondisi rangkaian terbuka (Voc) yang terjadi ketika R→∞ atau arusnya nol. Gambar 1e dengan jelas menunjukkan bahwa Voc positif dan meningkat seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya, berbeda dengan hasil yang diperoleh pada 50 K; sedangkan Isc negatif diamati meningkat besarnya dengan penerangan cahaya, suatu perilaku khas sel surya normal.
Demikian pula, ketika sinar laser diarahkan ke area yang jauh dari elektroda, kurva V(I) tidak bergantung pada intensitas laser dan tidak ada efek fotovoltaik yang muncul (Gbr. 1f). Mirip dengan pengukuran pada 50 K, kurva IV bergerak ke arah yang berlawanan ketika elektroda anoda diiradiasi (Gbr. 1g). Semua hasil yang diperoleh untuk sistem pasta YBCO-Ag pada 300 K dengan iradiasi laser pada posisi sampel yang berbeda konsisten dengan potensial antarmuka yang berlawanan dengan yang diamati pada 50 K.
Sebagian besar elektron mengembun dalam pasangan Cooper dalam superkonduktor YBCO di bawah suhu transisinya Tc. Sedangkan pada elektroda logam, semua elektron tetap dalam bentuk tunggal. Terdapat gradien kepadatan yang besar untuk elektron tunggal dan pasangan Cooper di sekitar antarmuka logam-superkonduktor. Elektron tunggal pembawa mayoritas dalam bahan logam akan berdifusi ke wilayah superkonduktor, sedangkan pasangan Cooper pembawa mayoritas di wilayah YBCO akan berdifusi ke wilayah logam. Ketika pasangan Cooper membawa lebih banyak muatan dan memiliki mobilitas lebih besar daripada elektron tunggal yang berdifusi dari YBCO ke wilayah logam, atom bermuatan positif akan tertinggal, sehingga menghasilkan medan listrik di wilayah muatan ruang. Arah medan listrik ini ditunjukkan pada diagram skema Gambar 1d. Penerangan foton yang terjadi di dekat daerah muatan ruang dapat menciptakan pasangan eh yang akan dipisahkan dan disapu menghasilkan arus foto dalam arah bias terbalik. Segera setelah elektron keluar dari medan listrik yang ada di dalamnya, elektron tersebut terkondensasi menjadi berpasangan dan mengalir ke elektroda lain tanpa hambatan. Dalam hal ini, Voc berlawanan dengan polaritas yang telah ditentukan sebelumnya dan menampilkan nilai negatif ketika sinar laser mengarah ke area sekitar elektroda negatif. Dari nilai Voc, potensi melintasi antarmuka dapat diperkirakan: jarak antara dua kabel tegangan d adalah ~5 × 10−3 m, ketebalan antarmuka logam-superkonduktor, di, harus sama besarnya sebagai panjang koherensi superkonduktor YBCO (~1 nm)19,20, ambil nilai Voc = 0,03 mV, potensial Vms pada antarmuka logam-superkonduktor dievaluasi menjadi ~10−11 V pada 50 K dengan intensitas laser sebesar 502 mW/cm2, menggunakan persamaan,
Kami ingin menekankan di sini bahwa tegangan yang diinduksi foto tidak dapat dijelaskan oleh efek termal foto. Telah ditetapkan secara eksperimental bahwa koefisien Seebeck superkonduktor YBCO adalah Ss = 021. Koefisien Seebeck untuk kabel timah tembaga berada dalam kisaran SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Suhu kawat tembaga di titik laser dapat dinaikkan sebesar 0,06 K dengan intensitas laser maksimum tersedia pada 50 K. Hal ini dapat menghasilkan potensi termoelektrik sebesar 6,9 × 10−8 V yang tiga kali lipat lebih kecil dari Voc yang diperoleh pada Gambar 1 (a). Jelaslah bahwa efek termoelektrik terlalu kecil untuk menjelaskan hasil eksperimen. Faktanya, variasi suhu akibat iradiasi laser akan hilang dalam waktu kurang dari satu menit sehingga kontribusi efek termal dapat diabaikan dengan aman.
Efek fotovoltaik YBCO pada suhu kamar mengungkapkan bahwa mekanisme pemisahan muatan berbeda terlibat di sini. YBCO superkonduktor dalam keadaan normal merupakan material tipe p yang memiliki lubang sebagai pembawa muatan22,23, sedangkan pasta Ag metalik memiliki karakteristik material tipe n. Mirip dengan sambungan pn, difusi elektron dalam pasta perak dan lubang pada keramik YBCO akan membentuk medan listrik internal yang menunjuk ke keramik YBCO pada antarmuka (Gbr. 1h). Medan internal inilah yang memberikan gaya pemisahan dan menghasilkan Voc positif dan Isc negatif untuk sistem pasta YBCO-Ag pada suhu kamar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1e. Alternatifnya, Ag-YBCO dapat membentuk sambungan Schottky tipe-p yang juga menghasilkan potensial antarmuka dengan polaritas yang sama seperti pada model yang disajikan di atas24.
Untuk menyelidiki proses evolusi terperinci dari sifat fotovoltaik selama transisi superkonduktor YBCO, kurva IV sampel pada 80 K diukur dengan intensitas laser terpilih yang menerangi elektroda katoda (Gbr. 2). Tanpa iradiasi laser, tegangan pada sampel tetap nol terlepas dari arusnya, yang menunjukkan keadaan superkonduktor sampel pada 80 K (Gbr. 2a). Mirip dengan data yang diperoleh pada 50 K, kurva IV yang sejajar dengan sumbu I bergerak ke bawah dengan meningkatnya intensitas laser hingga nilai kritis Pc tercapai. Di atas intensitas laser kritis (Pc) ini, superkonduktor mengalami transisi dari fase superkonduktor ke fase resistif; tegangan mulai meningkat seiring arus karena munculnya hambatan pada superkonduktor. Akibatnya, kurva IV mulai berpotongan dengan sumbu I dan sumbu V yang menghasilkan Voc negatif dan Isc positif pada awalnya. Sekarang sampel tampaknya berada dalam keadaan khusus di mana polaritas Voc dan Isc sangat sensitif terhadap intensitas cahaya; dengan peningkatan intensitas cahaya yang sangat kecil Isc diubah dari positif ke negatif dan Voc dari nilai negatif ke positif, melewati titik asal (sensitivitas tinggi sifat fotovoltaik, khususnya nilai Isc, terhadap penerangan cahaya dapat dilihat lebih jelas pada Gambar. 2b). Pada intensitas laser tertinggi yang tersedia, kurva IV akan sejajar satu sama lain, menandakan keadaan normal sampel YBCO.
Pusat titik laser diposisikan di sekitar elektroda katoda (lihat Gambar 1i). a, kurva IV YBCO diiradiasi dengan intensitas laser berbeda. b (atas), Ketergantungan intensitas laser pada tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus hubung singkat Isc. Nilai Isc tidak dapat diperoleh pada intensitas cahaya rendah (< 110 mW/cm2) karena kurva IV sejajar dengan sumbu I ketika sampel dalam keadaan superkonduktor. b (bawah), resistansi diferensial sebagai fungsi intensitas laser.
Ketergantungan intensitas laser Voc dan Isc pada 80 K ditunjukkan pada Gambar 2b (atas). Sifat fotovoltaik dapat dibahas dalam tiga wilayah intensitas cahaya. Daerah pertama antara 0 dan Pc, dimana YBCO bersifat superkonduktor, Voc negatif dan menurun (nilai absolut meningkat) dengan intensitas cahaya dan mencapai minimum pada Pc. Daerah kedua adalah dari Pc ke intensitas kritis lainnya P0, dimana Voc meningkat sedangkan Isc menurun dengan meningkatnya intensitas cahaya dan keduanya mencapai nol pada P0. Wilayah ketiga berada di atas P0 hingga keadaan normal YBCO tercapai. Meskipun Voc dan Isc bervariasi terhadap intensitas cahaya sama seperti di wilayah 2, keduanya mempunyai polaritas berlawanan di atas intensitas kritis P0. Pentingnya P0 terletak pada tidak adanya efek fotovoltaik dan mekanisme pemisahan muatan berubah secara kualitatif pada titik tertentu. Sampel YBCO menjadi non-superkonduktor dalam kisaran intensitas cahaya ini tetapi keadaan normalnya belum tercapai.
Jelasnya, karakteristik fotovoltaik dari sistem ini berkaitan erat dengan superkonduktivitas YBCO dan transisi superkonduktornya. Resistansi diferensial, dV/dI, dari YBCO ditunjukkan pada Gambar. 2b (bawah) sebagai fungsi dari intensitas laser. Seperti disebutkan sebelumnya, potensi listrik yang tertanam di antarmuka disebabkan oleh titik difusi pasangan Cooper dari superkonduktor ke logam. Mirip dengan yang diamati pada 50 K, efek fotovoltaik ditingkatkan dengan meningkatnya intensitas laser dari 0 ke Pc. Ketika intensitas laser mencapai nilai sedikit di atas Pc, kurva IV mulai miring dan resistansi sampel mulai muncul, namun polaritas potensial antarmuka belum berubah. Pengaruh eksitasi optik pada superkonduktivitas telah diselidiki di wilayah tampak atau dekat IR. Meskipun proses dasarnya adalah memecah pasangan Cooper dan menghancurkan superkonduktivitas25,26, dalam beberapa kasus transisi superkonduktivitas dapat ditingkatkan27,28,29, fase superkonduktivitas baru bahkan dapat diinduksi30. Tidak adanya superkonduktivitas di Pc dapat dianggap berasal dari pemutusan pasangan yang disebabkan oleh foto. Pada titik P0, potensi melintasi antarmuka menjadi nol, menunjukkan kepadatan muatan di kedua sisi antarmuka mencapai tingkat yang sama di bawah intensitas penerangan cahaya tertentu. Peningkatan lebih lanjut dalam intensitas laser menghasilkan lebih banyak pasangan Cooper yang dihancurkan dan YBCO secara bertahap diubah kembali menjadi material tipe-p. Alih-alih difusi pasangan elektron dan Cooper, fitur antarmuka sekarang ditentukan oleh difusi elektron dan lubang yang mengarah pada pembalikan polaritas medan listrik di antarmuka dan akibatnya Voc positif (bandingkan Gambar 1d,h). Pada intensitas laser yang sangat tinggi, resistansi diferensial YBCO jenuh ke nilai yang sesuai dengan keadaan normal dan Voc dan Isc cenderung bervariasi secara linier dengan intensitas laser (Gbr. 2b). Pengamatan ini mengungkapkan bahwa iradiasi laser pada keadaan normal YBCO tidak lagi mengubah resistivitas dan fitur antarmuka superkonduktor-logam tetapi hanya meningkatkan konsentrasi pasangan lubang elektron.
Untuk mengetahui pengaruh suhu terhadap sifat fotovoltaik, sistem superkonduktor logam diiradiasi di katoda dengan laser biru dengan intensitas 502 mW/cm2. Kurva IV yang diperoleh pada suhu tertentu antara 50 dan 300 K diberikan pada Gambar 3a. Tegangan rangkaian terbuka Voc, arus hubung singkat Isc dan resistansi diferensial kemudian dapat diperoleh dari kurva IV ini dan ditunjukkan pada Gambar 3b. Tanpa penerangan cahaya, semua kurva IV yang diukur pada suhu berbeda melewati titik asal seperti yang diharapkan (sisipan Gambar 3a). Karakteristik IV berubah secara drastis dengan meningkatnya suhu ketika sistem disinari oleh sinar laser yang relatif kuat (502 mW/cm2). Pada suhu rendah kurva IV berupa garis lurus sejajar sumbu I dengan nilai Voc negatif. Kurva ini bergerak ke atas seiring dengan meningkatnya suhu dan berangsur-angsur berubah menjadi garis dengan kemiringan bukan nol pada suhu kritis Tcp (Gbr. 3a (atas)). Tampaknya semua kurva karakteristik IV berputar di sekitar titik di kuadran ketiga. Voc bertambah dari nilai negatif ke positif sedangkan Isc berkurang dari nilai positif ke negatif. Di atas suhu transisi superkonduktor asli Tc dari YBCO, kurva IV berubah agak berbeda dengan suhu (bagian bawah Gambar 3a). Pertama, pusat rotasi kurva IV berpindah ke kuadran pertama. Kedua, Voc terus menurun dan Isc meningkat seiring dengan meningkatnya suhu (bagian atas Gambar 3b). Ketiga, kemiringan kurva IV meningkat secara linier dengan suhu sehingga menghasilkan koefisien resistansi suhu positif untuk YBCO (bagian bawah Gambar 3b).
Ketergantungan suhu karakteristik fotovoltaik untuk sistem pasta YBCO-Ag di bawah penerangan laser 502 mW/cm2.
Pusat titik laser diposisikan di sekitar elektroda katoda (lihat Gambar 1i). a, kurva IV diperoleh dari 50 hingga 90 K (atas) dan dari 100 hingga 300 K (bawah) dengan kenaikan suhu masing-masing 5 K dan 20 K. Sisipan a menunjukkan karakteristik IV pada beberapa suhu dalam gelap. Semua kurva melintasi titik asal. b, tegangan rangkaian terbuka Voc dan arus hubung singkat Isc (atas) dan resistansi diferensial, dV/dI, dari YBCO (bawah) sebagai fungsi suhu. Suhu transisi superkonduktor resistansi nol Tcp tidak diberikan karena terlalu dekat dengan Tc0.
Tiga suhu kritis dapat dikenali dari Gambar 3b: Tcp, di atasnya YBCO menjadi non-superkonduktor; Tc0, di mana Voc dan Isc menjadi nol dan Tc, suhu transisi superkonduktor awal YBCO tanpa iradiasi laser. Di bawah Tcp ~ 55 K, YBCO yang diiradiasi laser berada dalam keadaan superkonduktor dengan konsentrasi pasangan Cooper yang relatif tinggi. Efek iradiasi laser adalah mengurangi suhu transisi superkonduktor resistansi nol dari 89 K menjadi ~55 K (bagian bawah Gambar 3b) dengan mengurangi konsentrasi pasangan Cooper selain menghasilkan tegangan dan arus fotovoltaik. Peningkatan suhu juga memecah pasangan Cooper yang menyebabkan potensi antarmuka yang lebih rendah. Akibatnya, nilai absolut Voc akan menjadi lebih kecil, meskipun intensitas penerangan laser yang diterapkan sama. Potensi antarmuka akan menjadi semakin kecil dengan semakin meningkatnya suhu dan mencapai nol pada Tc0. Tidak ada efek fotovoltaik pada titik khusus ini karena tidak ada medan internal untuk memisahkan pasangan lubang elektron yang diinduksi foto. Pembalikan polaritas potensial terjadi di atas suhu kritis ini karena kerapatan muatan bebas dalam pasta Ag lebih besar dibandingkan dengan YBCO yang secara bertahap ditransfer kembali ke bahan tipe-p. Di sini kami ingin menekankan bahwa pembalikan polaritas Voc dan Isc terjadi segera setelah transisi superkonduktor resistansi nol, apa pun penyebab transisinya. Pengamatan ini mengungkapkan dengan jelas, untuk pertama kalinya, korelasi antara superkonduktivitas dan efek fotovoltaik yang terkait dengan potensi antarmuka logam-superkonduktor. Sifat potensi antarmuka logam superkonduktor-normal ini telah menjadi fokus penelitian selama beberapa dekade terakhir, namun masih banyak pertanyaan yang menunggu untuk dijawab. Pengukuran efek fotovoltaik mungkin terbukti menjadi metode yang efektif untuk mengeksplorasi rincian (seperti kekuatan dan polaritasnya, dll.) dari potensi penting ini dan karenanya menjelaskan efek kedekatan superkonduktor suhu tinggi.
Peningkatan suhu lebih lanjut dari Tc0 ke Tc menyebabkan konsentrasi pasangan Cooper lebih kecil dan peningkatan potensial antarmuka dan akibatnya Voc lebih besar. Pada Tc konsentrasi pasangan Cooper menjadi nol dan potensial bawaan pada antarmuka mencapai maksimum, menghasilkan Voc maksimum dan Isc minimum. Peningkatan pesat Voc dan Isc (nilai absolut) dalam kisaran suhu ini sesuai dengan transisi superkonduktor yang diperluas dari ΔT ~ 3 K menjadi ~34 K dengan iradiasi laser dengan intensitas 502 mW/cm2 (Gbr. 3b). Dalam keadaan normal di atas Tc, tegangan rangkaian terbuka Voc menurun seiring dengan suhu (bagian atas Gambar 3b), mirip dengan perilaku linier Voc untuk sel surya normal berdasarkan sambungan pn31,32,33. Meskipun laju perubahan Voc dengan suhu (−dVoc/dT), yang sangat bergantung pada intensitas laser, jauh lebih kecil dibandingkan sel surya normal, koefisien suhu Voc untuk persimpangan YBCO-Ag memiliki urutan besaran yang sama dengan itu. dari sel surya. Arus bocor sambungan pn untuk perangkat sel surya normal meningkat seiring dengan peningkatan suhu, menyebabkan penurunan Voc seiring dengan peningkatan suhu. Kurva IV linier yang diamati untuk sistem superkonduktor Ag ini, pertama karena potensi antarmuka yang sangat kecil dan kedua karena sambungan dua heterojungsi yang saling membelakangi, membuatnya sulit untuk menentukan arus bocor. Namun demikian, sangat mungkin bahwa ketergantungan arus bocor pada suhu yang sama bertanggung jawab atas perilaku Voc yang diamati dalam percobaan kami. Menurut definisinya, Isc adalah arus yang diperlukan untuk menghasilkan tegangan negatif untuk mengkompensasi Voc sehingga tegangan totalnya nol. Ketika suhu meningkat, Voc menjadi lebih kecil sehingga arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan negatif juga semakin sedikit. Selain itu, resistansi YBCO meningkat secara linier dengan suhu di atas Tc (bagian bawah Gambar 3b), yang juga berkontribusi terhadap nilai absolut Isc yang lebih kecil pada suhu tinggi.
Perhatikan bahwa hasil yang diberikan pada Gambar 2,3 diperoleh dengan penyinaran laser pada area sekitar elektroda katoda. Pengukuran juga telah diulangi dengan titik laser yang diposisikan pada anoda dan karakteristik IV serta sifat fotovoltaik serupa telah diamati kecuali bahwa polaritas Voc dan Isc telah dibalik dalam kasus ini. Semua data ini mengarah pada mekanisme efek fotovoltaik, yang terkait erat dengan antarmuka superkonduktor-logam.
Singkatnya, karakteristik IV sistem pasta YBCO-Ag superkonduktor iradiasi laser telah diukur sebagai fungsi suhu dan intensitas laser. Efek fotovoltaik yang luar biasa telah diamati pada kisaran suhu 50 hingga 300 K. Ditemukan bahwa sifat fotovoltaik berkorelasi kuat dengan superkonduktivitas keramik YBCO. Pembalikan polaritas Voc dan Isc terjadi segera setelah transisi superkonduktor ke non-superkonduktor yang diinduksi foto. Ketergantungan suhu Voc dan Isc yang diukur pada intensitas laser tetap juga menunjukkan pembalikan polaritas yang berbeda pada suhu kritis di mana sampel menjadi resistif. Dengan menempatkan titik laser ke bagian sampel yang berbeda, kami menunjukkan bahwa terdapat potensi listrik di seluruh antarmuka, yang memberikan gaya pemisahan untuk pasangan lubang elektron yang diinduksi foto. Potensial antarmuka ini mengarah dari YBCO ke elektroda logam ketika YBCO bersifat superkonduktor dan beralih ke arah berlawanan ketika sampel menjadi nonsuperkonduktor. Asal usul potensi mungkin secara alami dikaitkan dengan efek kedekatan pada antarmuka logam-superkonduktor ketika YBCO menjadi superkonduktor dan diperkirakan ~10−8 mV pada 50 K dengan intensitas laser 502 mW/cm2. Kontak material tipe-p YBCO pada keadaan normal dengan material tipe-n Pasta Ag membentuk sambungan kuasi-pn yang bertanggung jawab atas perilaku fotovoltaik keramik YBCO pada suhu tinggi. Pengamatan di atas menjelaskan efek PV pada keramik YBCO superkonduktor suhu tinggi dan membuka jalan bagi aplikasi baru dalam perangkat optoelektronik seperti detektor cahaya pasif cepat dan detektor foton tunggal.
Eksperimen efek fotovoltaik dilakukan pada sampel keramik YBCO dengan ketebalan 0,52 mm dan bentuk persegi panjang 8,64 × 2,26 mm2 dan disinari oleh laser biru gelombang kontinu (λ = 450 nm) dengan ukuran titik laser radius 1,25 mm. Menggunakan sampel film massal daripada film tipis memungkinkan kita mempelajari sifat fotovoltaik superkonduktor tanpa harus berurusan dengan pengaruh kompleks dari substrat6,7. Selain itu, bahan curah dapat mendukung prosedur persiapan yang sederhana dan biaya yang relatif rendah. Kabel timah tembaga disatukan pada sampel YBCO dengan pasta perak membentuk empat elektroda melingkar dengan diameter sekitar 1 mm. Jarak antara dua elektroda tegangan sekitar 5 mm. Karakteristik IV sampel diukur menggunakan magnetometer sampel getaran (VersaLab, Quantum Design) dengan jendela kristal kuarsa. Metode empat kawat standar digunakan untuk mendapatkan kurva IV. Posisi relatif elektroda dan titik laser ditunjukkan pada Gambar 1i.
Cara mengutip artikel ini : Yang, F. et al. Asal usul efek fotovoltaik pada keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Sains. Ulangan 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Tegangan yang diinduksi laser terlarang simetri di YBa2Cu3O7. Fis. Pendeta B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asal usul sinyal fotovoltaik anomali di Y-Ba-Cu-O. Fis. Pendeta B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Pengukuran tegangan superkonduktor yang diinduksi laser Bi-Sr-Ca-Cu-O. Fis. Pendeta B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, dkk. Tegangan sementara yang diinduksi laser dalam film suhu kamar YBa2Cu3O7-x. J. Aplikasi. Fis. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Respon fotovoltaik anomali di YBa2Cu3O7. Fis. Pendeta B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Injeksi pembawa lubang fotogenerasi ke YBa2Cu3O7−x dalam heterostruktur oksida. Aplikasi. Fis. Biarkan. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D.dkk. Studi fotoemisi film tipis YBa2Cu3Oy di bawah pencahayaan cahaya. Fis. Pendeta Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F.dkk. Efek fotovoltaik YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction dianil pada tekanan parsial oksigen yang berbeda. Materi. Biarkan. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA dkk. Struktur dua celah dalam kristal tunggal Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. J. Superkond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Dinamika relaksasi kuasipartikel dalam superkonduktor dengan struktur celah berbeda: Teori dan eksperimen pada YBa2Cu3O7-δ. Fis. Pendeta B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Memperbaiki sifat heterojungsi YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb. Aplikasi. Fis. Biarkan. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Penyerapan eksitonik dan superkonduktivitas di YBa2Cu3O7-δ. Fis. Pendeta Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Konduktivitas fotoinduksi sementara dalam kristal tunggal semikonduktor YBa2Cu3O6.3: mencari keadaan logam yang diinduksi foto dan superkonduktivitas yang diinduksi foto. Komunitas Solid State. 72, 345–349 (1989).
McMillan, model Tunneling WL dari efek kedekatan superkonduktor. Fis. Wahyu 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. dkk. Efek kedekatan superkonduktor diperiksa pada skala panjang mesoskopik. Fis. Pendeta Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Efek kedekatan dengan superkonduktor nonsentrosimetris. Fis. Pdt. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM dkk. Efek kedekatan superkonduktor yang kuat dalam struktur hibrida Pb-Bi2Te3. Sains. Ulangan 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Fotosel sambungan pn silikon baru untuk mengubah radiasi matahari menjadi tenaga listrik. J.Aplikasi. Fis. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Efek pengotor pada panjang koherensi superkonduktor dalam kristal tunggal YBa2Cu3O6.9 yang didoping Zn atau Ni. Fis. Pendeta B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistensi kristal tunggal YBa2Cu3Oy yang tidak kembar dalam berbagai doping: ketergantungan doping lubang yang anomali pada panjang koherensi. Fis. Pendeta Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Sistematika dalam tenaga termoelektrik oksida T tinggi. Fis. Pendeta B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S.dkk. Pergeseran momentum yang bergantung pada kepadatan pembawa dari puncak koheren dan mode fonon LO dalam superkonduktor Tc tinggi tipe-p. Fis. Pdt. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. dkk. Reduksi lubang dan akumulasi elektron pada film tipis YBa2Cu3Oy menggunakan teknik elektrokimia: Bukti keadaan logam tipe-n. Fis. Pdt. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fisika dan kimia ketinggian penghalang Schottky. Aplikasi. Fis. Biarkan. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Efek Pemutusan Pasangan Eksternal Dinamis dalam Film Superkonduktor. Fis. Pendeta Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. dkk. Peningkatan superkonduktivitas yang diinduksi foto. Aplikasi. Fis. Biarkan. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI dkk. Fotokonduktivitas persisten dalam film YBa2Cu3O6+x sebagai metode fotodoping menuju fase logam dan superkonduktor. Fis. Pendeta B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. dkk. Dinamika kisi nonlinier sebagai dasar untuk peningkatan superkonduktivitas di YBa2Cu3O6.5. Alam 516, 71–74 (2014).
Fausti, D.dkk. Superkonduktivitas yang diinduksi cahaya dalam cuprate bergaris. Sains 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Ketergantungan fungsional suhu VOC untuk sel surya dalam kaitannya dengan efisiensi pendekatan baru. Desalinasi 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Efek suhu dalam sel surya silikon penghalang Schottky. Aplikasi. Fis. Biarkan. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Ketergantungan suhu untuk parameter perangkat fotovoltaik sel surya polimer-fullerene dalam kondisi operasi. J. Aplikasi. Fis. 90, 5343–5350 (2002).
Pekerjaan ini didukung oleh National Natural Science Foundation of China (Hibah No. 60571063), Proyek Penelitian Fundamental di Provinsi Henan, Tiongkok (Hibah No. 122300410231).
FY menulis teks makalah dan MYH menyiapkan sampel keramik YBCO. FY dan MYH melakukan percobaan dan menganalisis hasilnya. FGC memimpin proyek dan interpretasi ilmiah atas data tersebut. Semua penulis meninjau naskah.
Karya ini dilisensikan di bawah Lisensi Internasional Creative Commons Attribution 4.0. Gambar atau materi pihak ketiga lainnya dalam artikel ini termasuk dalam lisensi Creative Commons artikel tersebut, kecuali dinyatakan lain dalam batas kredit; jika materi tersebut tidak termasuk dalam lisensi Creative Commons, pengguna harus mendapatkan izin dari pemegang lisensi untuk mereproduksi materi tersebut. Untuk melihat salinan lisensi ini, kunjungi http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asal usul efek fotovoltaik dalam keramik superkonduktor YBa2Cu3O6.96. Rep Sains 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Dengan mengirimkan komentar, Anda setuju untuk mematuhi Ketentuan dan Pedoman Komunitas kami. Jika Anda menemukan sesuatu yang menyinggung atau tidak sesuai dengan persyaratan atau pedoman kami, harap tandai sebagai tidak pantas.
Waktu posting: 22 April-2020