Ви благодариме што ја посетивте nature.com. Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS. За да го добиете најдоброто искуство, ви препорачуваме да користите поажурен прелистувач (или да го исклучите режимот за компатибилност во Internet Explorer). Во меѓувреме, за да обезбедиме континуирана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Пријавуваме извонреден фотоволтаичен ефект во YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамика помеѓу 50 и 300 K предизвикани од сино-ласерско осветлување, што е директно поврзано со суперспроводливоста на YBCO и интерфејсот YBCO-метална електрода. Постои промена на поларитетот за напонот на отворено коло Voc и струјата на куса врска Isc кога YBCO претрпува премин од суперспроводлива во отпорна состојба. Покажуваме дека постои електричен потенцијал низ интерфејсот суперпроводник-нормален метал, кој обезбедува сила на раздвојување за паровите електрон-дупки предизвикани од фотографија. Овој меѓусебен потенцијал се насочува од YBCO кон металната електрода кога YBCO е суперспроводлив и се префрла во спротивна насока кога YBCO станува несуперспроводлив. Потеклото на потенцијалот може лесно да се поврзе со ефектот на близина на интерфејсот метал-суперпроводник кога YBCO е суперспроводлив и неговата вредност се проценува на ~ 10-8 mV на 50 K со ласерски интензитет од 502 mW/cm2. Комбинацијата на материјал од p-тип YBCO во нормална состојба со материјал од n-тип Ag-паста формира квази-pn спој кој е одговорен за фотоволтаичното однесување на YBCO керамиката на високи температури. Нашите наоди може да го отворат патот до нови апликации на фотон-електронски уреди и да фрлат дополнително светло на ефектот на близина на интерфејсот суперпроводник-метал.
Фото-индуцираниот напон во суперпроводниците со висока температура е пријавен во раните 1990-ти и оттогаш е опширно истражуван, но сепак неговата природа и механизам остануваат нерешени1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) тенките филмови6,7,8, особено, интензивно се проучуваат во форма на фотоволтаични (PV) ќелии поради неговиот прилагодлив енергетски јаз9,10,11,12,13. Сепак, високата отпорност на подлогата секогаш води до ниска ефикасност на конверзија на уредот и ги маскира примарните PV својства на YBCO8. Овде известуваме за извонреден фотоволтаичен ефект предизвикан од сино-ласерско (λ = 450 nm) осветлување во YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамика помеѓу 50 и 300 K (Tc ~ 90 K). Покажуваме дека ефектот на PV е директно поврзан со суперспроводливоста на YBCO и природата на интерфејсот YBCO-метална електрода. Постои промена на поларитетот за напонот на отворено коло Voc и струјата на куса врска Isc кога YBCO претрпува премин од суперспроводлива фаза во отпорна состојба. Се предлага дека постои електричен потенцијал низ интерфејсот суперпроводник-нормален метал, кој обезбедува сила на раздвојување за паровите електрон-дупки предизвикани од фотографија. Овој меѓусебен потенцијал се насочува од YBCO кон металната електрода кога YBCO е суперспроводлив и се префрла во спротивна насока кога примерокот станува несуперспроводлив. Потеклото на потенцијалот може природно да се поврзе со ефектот на близина14,15,16,17 на интерфејсот метал-суперпроводник кога YBCO е суперспроводлив и неговата вредност се проценува на ~10−8 mV на 50 K со интензитет на ласер од 502 mW /cm2. Комбинацијата на материјал од p-тип YBCO во нормална состојба со материјал од n-тип Ag-паста формира, најверојатно, квази-pn спој кој е одговорен за PV однесувањето на YBCO керамиката на високи температури. Нашите набљудувања фрлаат дополнително светло на потеклото на PV ефектот во високотемпературната суперспроводлива YBCO керамика и го отвораат патот за нејзина примена во оптоелектронските уреди како што е брзиот пасивен детектор на светлина итн.
Слика 1a–c покажува дека IV карактеристиките на YBCO керамичкиот примерок на 50 K. Без светлосно осветлување, напонот низ примерокот останува на нула со промена на струјата, како што може да се очекува од суперспроводлив материјал. Очигледен фотоволтаичен ефект се појавува кога ласерскиот зрак е насочен кон катодата (сл. 1а): кривите IV паралелни на оската I се движат надолу со зголемување на интензитетот на ласерот. Очигледно е дека има негативен фото-индуциран напон дури и без струја (често се нарекува напон на отворено коло Voc). Нултиот наклон на кривата IV покажува дека примерокот сè уште е суперспроводлив под ласерско осветлување.
(a–c) и 300 K (e–g). Вредностите на V(I) беа добиени со бришење на струјата од -10 mA до +10 mA во вакуум. Само дел од експерименталните податоци се претставени заради јасност. а, Струјно-напонски карактеристики на YBCO измерени со ласерска точка позиционирана на катодата (i). Сите IV криви се хоризонтални прави линии што укажуваат на тоа дека примерокот е сè уште суперспроводлив со ласерско зрачење. Кривата се движи надолу со зголемување на интензитетот на ласерот, што покажува дека постои негативен потенцијал (Voc) помеѓу двата напонски водови дури и со нулта струја. IV кривите остануваат непроменети кога ласерот е насочен кон центарот на примерокот на етер 50 K (b) или 300 K (f). Хоризонталната линија се движи нагоре додека анодата е осветлена (в). Шематски модел на спој метал-суперпроводник на 50 K е прикажан во г. Струјно-напонските карактеристики на нормалната состојба YBCO на 300 K измерени со ласерски зрак насочен кон катодата и анодата се дадени во e и g соодветно. За разлика од резултатите на 50 K, ненула наклон на правите линии покажува дека YBCO е во нормална состојба; вредностите на Voc варираат со интензитетот на светлината во спротивна насока, што укажува на различен механизам за одвојување на полнежот. Можна структура на интерфејс на 300 K е прикажана во hj Вистинската слика на примерокот со кабли.
YBCO богат со кислород во суперспроводлива состојба може да апсорбира речиси целосен спектар на сончева светлина поради неговиот многу мал енергетски јаз (на пр.) 9,10, со што се создаваат парови електрон-дупки (e–h). За да се произведе напон на отворено коло Voc со апсорпција на фотони, потребно е просторно да се одделат фото-генерираните парови eh пред да се случи рекомбинација18. Негативниот Voc, во однос на катодата и анодата како што е наведено на Сл. 1i, сугерира дека постои електричен потенцијал низ интерфејсот метал-суперпроводник, кој ги поместува електроните до анодата и дупките до катодата. Ако е така, треба да има и потенцијал кој покажува од суперпроводникот кон металната електрода на анодата. Следствено, позитивен Voc би се добил ако областа на примерокот во близина на анодата е осветлена. Понатаму, не треба да има фото-индуцирани напони кога ласерската точка е насочена кон области далеку од електродите. Тоа секако е случај како што може да се види од сл. 1б, в!.
Кога светлосното место се движи од катодната електрода до центарот на примерокот (околу 1,25 mm оддалечено од интерфејсите), не може да се забележат варијации на кривите IV и нема Voc со зголемување на интензитетот на ласерот до максималната достапна вредност (сл. 1б) . Секако, овој резултат може да се припише на ограничениот век на траење на фото-индуцираните носители и недостатокот на сила на раздвојување во примерокот. Може да се создадат парови електронски дупки секогаш кога примерокот е осветлен, но повеќето од паровите e-h ќе бидат уништени и не се забележува фотоволтаичен ефект ако ласерската точка падне на области далеку од која било од електродите. Поместувајќи го ласерското место до анодните електроди, кривите IV паралелно со I-оската се движат нагоре со зголемување на интензитетот на ласерот (сл. 1в). Слично вградено електрично поле постои во спојот метал-суперпроводник на анодата. Меѓутоа, металната електрода овојпат се поврзува со позитивното оловно на системот за тестирање. Дупките произведени од ласерот се туркаат до анодниот вод и на тој начин се забележува позитивен Voc. Резултатите презентирани овде даваат силен доказ дека навистина постои меѓусебен потенцијал кој покажува од суперпроводникот кон металната електрода.
Фотоволтаичниот ефект во YBa2Cu3O6.96 керамика на 300 K е прикажан на сл. 1e–g. Без светлосно осветлување, IV кривата на примерокот е права линија што го преминува потеклото. Оваа права линија се движи нагоре паралелно со првобитната со зголемен ласерски интензитет што зрачи на катодните одводи (сл. 1д). Постојат два ограничувачки случаи на интерес за фотоволтаичен уред. Состојбата на куса врска се јавува кога V = 0. Струјата во овој случај се нарекува струја на краток спој (Isc). Вториот ограничувачки случај е состојбата на отворено коло (Voc) која се јавува кога R→∞ или струјата е нула. Слика 1e јасно покажува дека Voc е позитивен и се зголемува со зголемување на интензитетот на светлината, за разлика од резултатот добиен на 50 K; додека негативната Isc е забележана да се зголемува во големината со светлосно осветлување, типично однесување на нормалните соларни ќелии.
Слично на тоа, кога ласерскиот зрак е насочен кон области далеку од електродите, кривата V(I) е независна од интензитетот на ласерот и не се појавува фотоволтаичен ефект (сл. 1f). Слично на мерењето на 50 K, кривите IV се движат во спротивна насока додека анодната електрода се озрачува (сл. 1g). Сите овие резултати добиени за овој систем за паста YBCO-Ag на 300 K со ласер озрачен на различни позиции на примерокот се конзистентни со интерфејс потенцијал спротивен на оној забележан на 50 K.
Повеќето електрони се кондензираат во Куперови парови во суперспроводлив YBCO под неговата преодна температура Tc. Додека во металната електрода, сите електрони остануваат во еднина форма. Постои голем градиент на густина и за еднина електрони и за паровите Купер во близина на интерфејсот метал-суперпроводник. Единствени електрони со мнозински носители во металниот материјал ќе се дифузираат во областа на суперпроводниците, додека паровите на Купер со мнозинство носители во регионот YBCO ќе се дифузираат во металниот регион. Бидејќи паровите на Купер носат повеќе полнежи и имаат поголема мобилност од единечните електрони дифузираат од YBCO во металниот регион, позитивно наелектризираните атоми остануваат зад себе, што резултира со електрично поле во областа на вселенското полнење. Насоката на ова електрично поле е прикажана на шематски дијаграм Сл. 1г. Инцидентното фотонско осветлување во близина на областа на вселенското полнење може да создаде ех парови кои ќе се разделат и избришат, создавајќи фотоструја во насока на обратна пристрасност. Штом електроните ќе излезат од вграденото електрично поле, тие се кондензираат во парови и течат кон другата електрода без отпор. Во овој случај, Voc е спротивен на претходно поставениот поларитет и прикажува негативна вредност кога ласерскиот зрак покажува кон областа околу негативната електрода. Од вредноста на Voc, потенцијалот низ интерфејсот може да се процени: растојанието помеѓу двата напонски водови d е ~ 5 × 10−3 m, дебелината на интерфејсот метал-суперпроводник, di, треба да биде ист редослед на големина како должина на кохерентност на суперпроводникот YBCO (~1 nm) 19,20, земете ја вредноста на Voc = 0,03 mV, потенцијалниот Vms на интерфејсот метал-суперпроводник е оценет да биде ~10−11 V на 50 K со ласерски интензитет од 502 mW/cm2, користејќи ја равенката,
Овде сакаме да нагласиме дека фотоиндуцираниот напон не може да се објасни со фото-термички ефект. Експериментално е утврдено дека Seebeck коефициентот на суперпроводникот YBCO е Ss = 021. Зебековскиот коефициент за бакарни оловни жици е во опсег од SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Температурата на бакарната жица на ласерското место може да се зголеми за мала количина од 0,06 K со максимален ласерски интензитет достапен на 50 K. Ова може да произведе термоелектричен потенцијал од 6,9 × 10-8 V, што е за три реда магнитуда помала од Voc добиен на слика 1 (а). Очигледно е дека термоелектричниот ефект е премногу мал за да се објаснат експерименталните резултати. Всушност, температурната варијација поради ласерското зрачење ќе исчезне за помалку од една минута, така што придонесот од термичкиот ефект може безбедно да се игнорира.
Овој фотоволтаичен ефект на YBCO на собна температура открива дека овде е вклучен различен механизам за одвојување на полнежот. Суперспроводливиот YBCO во нормална состојба е материјал од p-тип со дупки како носител на полнеж22,23, додека металната Ag-паста има карактеристики на материјал од n-тип. Слично на pn спојниците, дифузијата на електроните во сребрената паста и дупките во YBCO керамиката ќе формира внатрешно електрично поле кое покажува кон YBCO керамиката на интерфејсот (сл. 1h). Токму ова внатрешно поле ја обезбедува силата на раздвојување и води до позитивен Voc и негативен Isc за системот за паста YBCO-Ag на собна температура, како што е прикажано на сл. 1д. Алтернативно, Ag-YBCO би можел да формира Шотки-спој од р-тип што исто така води до интерфејс потенцијал со ист поларитет како во моделот претставен погоре24.
За да се истражи деталниот процес на еволуција на фотоволтаичните својства за време на суперспроводливата транзиција на YBCO, IV криви на примерокот на 80 K беа измерени со избрани ласерски интензитети што осветлуваат на катодната електрода (сл. 2). Без ласерско зрачење, напонот низ примерокот се задржува на нула без оглед на струјата, што укажува на суперспроводливата состојба на примерокот на 80 K (сл. 2а). Слично на податоците добиени на 50 K, кривите IV паралелно со I-оската се движат надолу со зголемување на интензитетот на ласерот додека не се постигне критична вредност Pc. Над овој критичен ласерски интензитет (Pc), суперпроводникот претрпува премин од суперспроводлива фаза во фаза на отпор; напонот почнува да се зголемува со струја поради појавата на отпор во суперпроводникот. Како резултат на тоа, кривата IV почнува да се пресекува со I-оската и V-оската што доведува до негативен Voc и позитивен Isc на почетокот. Сега примерокот се чини дека е во посебна состојба во која поларитетот на Voc и Isc е исклучително чувствителен на интензитетот на светлината; со многу мало зголемување на интензитетот на светлината, Isc се претвора од позитивна во негативна и Voc од негативна во позитивна вредност, поминувајќи го потеклото (високата чувствителност на фотоволтаичните својства, особено вредноста на Isc, на светлосно осветлување може појасно да се види на Сл. 2б). При највисокиот достапен ласерски интензитет, кривите IV имаат намера да бидат паралелни една со друга, што означува нормална состојба на примерокот YBCO.
Центарот за ласерско место е поставен околу катодните електроди (види Сл. 1i). а, IV криви на YBCO озрачени со различен ласерски интензитет. b (горе), Зависност од ласерскиот интензитет на напонот на отворено коло Voc и струјата на куса врска Isc. Вредностите на Isc не можат да се добијат при слаб интензитет на светлина (< 110 mW/cm2), бидејќи кривите IV се паралелни со I-оската кога примерокот е во суперспроводлива состојба. b (долу), диференцијален отпор како функција на интензитетот на ласерот.
Зависноста од ласерскиот интензитет на Voc и Isc на 80 K е прикажана на Сл. 2б (горе). Фотоволтаичните својства може да се дискутираат во три региони на интензитет на светлина. Првиот регион е помеѓу 0 и Pc, во кој YBCO е суперспроводлив, Voc е негативен и се намалува (апсолутната вредност се зголемува) со интензитетот на светлината и достигнувајќи минимум на Pc. Вториот регион е од Pc до друг критичен интензитет P0, во кој Voc се зголемува додека Isc се намалува со зголемување на интензитетот на светлината и двата достигнуваат нула на P0. Третиот регион е над P0 додека не се достигне нормалната состојба на YBCO. Иако и Voc и Isc варираат со интензитетот на светлината на ист начин како во регионот 2, тие имаат спротивен поларитет над критичниот интензитет P0. Значењето на P0 лежи во тоа што нема фотоволтаичен ефект и механизмот за одвојување на полнежот квалитативно се менува во оваа конкретна точка. Примерокот YBCO станува несуперспроводлив во овој опсег на интензитет на светлина, но нормалната состојба допрва треба да се достигне.
Очигледно, фотоволтаичните карактеристики на системот се тесно поврзани со суперспроводливоста на YBCO и неговата суперспроводлива транзиција. Диференцијалниот отпор, dV/dI, на YBCO е прикажан на сл. 2б (долу) како функција од интензитетот на ласерот. Како што споменавме претходно, вградениот електричен потенцијал во интерфејсот поради Купер пар дифузни точки од суперпроводникот до металот. Слично на она што е забележано на 50 K, фотоволтаичниот ефект е зајакнат со зголемување на интензитетот на ласерот од 0 до PC. Кога интензитетот на ласерот ќе достигне вредност малку над Pc, кривата IV почнува да се навалува и отпорот на примерокот почнува да се појавува, но поларитетот на потенцијалот на интерфејсот сè уште не е променет. Ефектот на оптичкото возбудување врз суперспроводливоста е истражен во видливиот или близу IR регионот. Додека основниот процес е да се разбијат паровите Купер и да се уништи суперспроводливоста25,26, во некои случаи транзицијата на суперспроводливост може да се подобри27,28,29, дури може да се индуцираат нови фази на суперспроводливост30. Отсуството на суперспроводливост на компјутер може да се припише на кршењето на парот предизвикано од фотографија. Во точката P0, потенцијалот низ интерфејсот станува нула, што покажува дека густината на полнењето во двете страни на интерфејсот достигнува исто ниво под овој посебен интензитет на осветлување на светлината. Понатамошното зголемување на интензитетот на ласерот резултира со уништување на повеќе парови Купер и YBCO постепено се трансформира назад во материјал од типот p. Наместо дифузија на парови електрони и Купер, карактеристиката на интерфејсот сега се одредува со дифузија на електрони и дупки што доведува до промена на поларитетот на електричното поле во интерфејсот и последователно позитивно Voc (спореди Сл.1d,h). При многу висок ласерски интензитет, диференцијалниот отпор на YBCO се заситува до вредност што одговара на нормалната состојба и и Voc и Isc имаат тенденција да варираат линеарно со интензитетот на ласерот (сл. 2б). Ова набљудување открива дека ласерското зрачење во нормална состојба YBCO повеќе нема да ја промени неговата отпорност и карактеристиката на интерфејсот суперпроводник-метал, туку само ќе ја зголеми концентрацијата на паровите електрон-дупка.
За да се истражи ефектот на температурата врз фотоволтаичните својства, метално-суперпроводничкиот систем беше озрачен на катодата со син ласер со интензитет 502 mW/cm2. IV криви добиени на избрани температури помеѓу 50 и 300 K се дадени на сл. 3а. Напонот на отворено коло Voc, струјата на куса врска Isc и диференцијалниот отпор потоа може да се добијат од овие криви IV и се прикажани на сл. 3б. Без светлосно осветлување, сите криви IV измерени на различни температури го поминуваат потеклото како што се очекуваше (внесете на Сл. 3а). Карактеристиките на IV драстично се менуваат со зголемување на температурата кога системот е осветлен со релативно силен ласерски зрак (502 mW/cm2). При ниски температури IV кривите се прави линии паралелни на I-оската со негативни вредности на Voc. Оваа крива се движи нагоре со зголемување на температурата и постепено се претвора во линија со ненула наклон при критична температура Tcp (Сл. 3а (горе)). Се чини дека сите IV карактеристични криви ротираат околу точка во третиот квадрант. Voc се зголемува од негативна вредност на позитивна додека Isc се намалува од позитивна на негативна вредност. Над оригиналната суперспроводлива преодна температура Tc на YBCO, кривата IV се менува прилично поинаку со температурата (долу на Сл. 3а). Прво, центарот на ротација на кривите IV се поместува во првиот квадрант. Второ, Voc продолжува да се намалува, а Isc се зголемува со зголемување на температурата (горе на Сл. 3б). Трето, наклонот на кривите IV се зголемува линеарно со температурата што резултира со позитивен температурен коефициент на отпор за YBCO (долу на Сл. 3б).
Температурна зависност на фотоволтаичните карактеристики за системот за паста YBCO-Ag под ласерско осветлување од 502 mW/cm2.
Центарот за ласерско место е поставен околу катодните електроди (види Сл. 1i). а, IV криви добиени од 50 до 90 K (горе) и од 100 до 300 K (долу) со зголемување на температурата од 5 K и 20 K, соодветно. Вметнувањето a покажува IV карактеристики на неколку температури во темница. Сите кривини ја преминуваат почетната точка. б, напон на отворено коло Voc и струја на куса врска Isc (горе) и диференцијален отпор, dV/dI, на YBCO (долу) како функција од температурата. Температурата на преодна суперспроводлива нулта отпорност Tcp не е дадена бидејќи е премногу блиску до Tc0.
Три критични температури може да се препознаат од Сл. 3б: Tcp, над кои YBCO станува несуперспроводлив; Tc0, при што и Voc и Isc стануваат нула и Tc, оригиналната почетна преодна температура на суперспроводливост на YBCO без ласерско зрачење. Под Tcp ~ 55 K, YBCO озрачениот со ласер е во суперспроводлива состојба со релативно висока концентрација на парови Купер. Ефектот на ласерското зрачење е да ја намали преодната температура на суперспроводливоста на нулта отпорност од 89 K на ~ 55 K (долу на Сл. 3б) со намалување на концентрацијата на парот Купер покрај производството на фотоволтаичен напон и струја. Зголемувањето на температурата, исто така, ги разградува паровите Купер што доведува до помал потенцијал во интерфејсот. Следствено, апсолутната вредност на Voc ќе стане помала, иако се применува истиот интензитет на ласерско осветлување. Потенцијалот на интерфејсот ќе станува се помал и помал со дополнително зголемување на температурата и ќе достигне нула на Tc0. Во оваа посебна точка нема фотоволтаичен ефект бидејќи нема внатрешно поле за да се раздвојат паровите електрон-дупки предизвикани од фотографија. Над оваа критична температура се случува промена на поларитетот на потенцијалот бидејќи густината на слободното полнење во Ag пастата е поголема од онаа во YBCO која постепено се пренесува назад во материјал од типот p. Овде сакаме да нагласиме дека промената на поларитетот на Voc и Isc се случува веднаш по преминот на суперспроводливост на нулта отпорност, без оглед на причината за транзицијата. Оваа опсервација ја открива јасно, за прв пат, корелацијата помеѓу суперспроводливоста и фотоволтаичните ефекти поврзани со потенцијалот на интерфејсот метал-суперпроводник. Природата на овој потенцијал низ интерфејсот суперпроводник-нормален метал е фокус на истражување во последните неколку децении, но има многу прашања кои сè уште чекаат да бидат одговорени. Мерењето на фотоволтаичниот ефект може да се покаже како ефикасен метод за истражување на деталите (како што се неговата јачина и поларитет итн.) на овој важен потенцијал и оттаму да фрли светлина врз ефектот на близина на суперспроводливост на висока температура.
Понатамошното зголемување на температурата од Tc0 на Tc доведува до помала концентрација на парови Cooper и подобрување на потенцијалот на интерфејсот и, следствено, поголем Voc. При Tc, концентрацијата на парот Купер станува нула и потенцијалот за вграден во интерфејсот достигнува максимум, што резултира со максимални Voc и минимални Isc. Брзото зголемување на Voc и Isc (апсолутна вредност) во овој температурен опсег одговара на суперспроводливата транзиција која е проширена од ΔT ~ 3 K на ~ 34 K со ласерско зрачење со интензитет 502 mW/cm2 (сл. 3б). Во нормалните состојби над Tc, напонот на отворено коло Voc се намалува со температурата (горе на Сл. 3б), слично на линеарното однесување на Voc за нормални соларни ќелии базирани на pn спојници31,32,33. Иако стапката на промена на Voc со температура (-dVoc/dT), која силно зависи од интензитетот на ласерот, е многу помала од онаа на нормалните соларни ќелии, температурниот коефициент на Voc за YBCO-Ag спојот има ист ред на големина како оној на соларните ќелии. Струјата на истекување на pn-спој за нормален уред со соларни ќелии се зголемува со зголемување на температурата, што доведува до намалување на Voc како што се зголемува температурата. Линеарните криви IV забележани за овој Ag-суперпроводнички систем, прво поради многу малиот меѓусебен потенцијал и второ, меѓусебната врска на двете хетероспојки, го отежнува одредувањето на струјата на истекување. Сепак, се чини многу веројатно дека истата температурна зависност на струјата на истекување е одговорна за однесувањето на Voc забележано во нашиот експеримент. Според дефиницијата, Isc е струјата потребна за да се произведе негативен напон за да се компензира Voc така што вкупниот напон е нула. Како што се зголемува температурата, Voc станува помал, така што е потребна помала струја за да се произведе негативен напон. Понатаму, отпорот на YBCO се зголемува линеарно со температура над Tc (долу на Сл. 3б), што исто така придонесува за помалата апсолутна вредност на Isc при високи температури.
Забележете дека резултатите дадени на сликите 2,3 се добиени со ласерско зрачење на областа околу катодните електроди. Мерењата се исто така повторени со ласерска точка позиционирана на анодата и забележани се слични IV карактеристики и фотоволтаични својства, освен што поларитетот на Voc и Isc е обратен во овој случај. Сите овие податоци доведуваат до механизам за фотоволтаичниот ефект, кој е тесно поврзан со интерфејсот суперпроводник-метал.
Накратко, IV карактеристиките на системот за суперспроводлива паста YBCO-Ag озрачена со ласер се измерени како функции на температурата и интензитетот на ласерот. Извонреден фотоволтаичен ефект е забележан во температурниот опсег од 50 до 300 К. Откриено е дека фотоволтаичните својства се силно корелирани со суперспроводливоста на YBCO керамиката. Свртување на поларитетот на Voc и Isc се случува веднаш по преминот од суперспроводливост во несуперспроводливост предизвикан од фотографија. Температурната зависност на Voc и Isc, измерена со фиксен ласерски интензитет, покажува и изразито враќање на поларитетот на критична температура над која примерокот станува отпорен. Со лоцирање на ласерската точка на различен дел од примерокот, покажуваме дека постои електричен потенцијал низ интерфејсот, кој обезбедува сила на одвојување за паровите електрон-дупки предизвикани од фотографија. Овој меѓусебен потенцијал се насочува од YBCO кон металната електрода кога YBCO е суперспроводлив и се префрла во спротивна насока кога примерокот станува несуперспроводлив. Потеклото на потенцијалот може природно да биде поврзано со ефектот на близина на интерфејсот метал-суперпроводник кога YBCO е суперспроводлив и се проценува дека е ~ 10-8 mV на 50 K со интензитет на ласер од 502 mW/cm2. Контакт на материјал од p-тип YBCO во нормална состојба со материјал од n-тип Ag-паста формира квази-pn спој кој е одговорен за фотоволтаичното однесување на YBCO керамиката на високи температури. Горенаведените набљудувања фрлаат светлина на PV ефектот во високотемпературната суперспроводлива YBCO керамика и го отвораат патот до нови апликации во оптоелектронските уреди како што се брзиот пасивен детектор на светлина и детекторот на еден фотон.
Експериментите со фотоволтаичен ефект беа изведени на примерок од керамика YBCO со дебелина од 0,52 mm и правоаголна форма од 8,64 × 2,26 mm2 и осветлен со континуиран бран син-ласер (λ = 450 nm) со големина на ласерска точка од 1,25 mm во радиус. Користењето на рефус наместо примерок од тенок филм ни овозможува да ги проучуваме фотоволтаичните својства на суперпроводникот без да мора да се справиме со сложеното влијание на подлогата6,7. Покрај тоа, најголемиот дел од материјалот може да биде погоден за неговата едноставна процедура за подготовка и релативно ниската цена. Бакарните оловни жици се кохерирани на примерокот YBCO со сребрена паста формирајќи четири кружни електроди со дијаметар од околу 1 mm. Растојанието помеѓу двете напонски електроди е околу 5 mm. IV карактеристики на примерокот беа измерени со помош на магнетометар за примерок за вибрации (VersaLab, Quantum Design) со прозорец со кварцен кристал. Стандардна метода со четири жици беше применета за да се добијат кривите IV. Релативните позиции на електродите и ласерската точка се прикажани на сл. 1i.
Како да се цитира овој напис: Јанг, Ф. et al. Потекло на фотоволтаичниот ефект во суперспроводлива YBa2Cu3O6.96 керамика. Sci. Реп. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Ласерски индуцирани напони забранети од симетрија во YBa2Cu3O7. Физ. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Потекло на аномалниот фотоволтаичен сигнал во Y-Ba-Cu-O. Физ. Rev. B 43, 6270-6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Мерење на ласерски индуцирани напони на суперспроводливи Bi-Sr-Ca-Cu-O. Физ. Rev. B 46, 5773-5776 (1992).
Тејт, К.Л., и сор. Преодни ласерски индуцирани напони во филмови на собна температура од YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Физ. 67, 4375-4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Аномален фотоволтаичен одговор во YBa2Cu3O7. Физ. Rev. B 46, 3692-3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Фотогенерирано вбризгување на носител на дупка во YBa2Cu3O7−x во хетероструктура на оксид. Апликација Физ. Лет. 85, 2950-2952 (2004).
Асакура, Д. и сор. Студија на фотоемисии на тенки филмови YBa2Cu3Oy под светлосно осветлување. Физ. Свештеникот Лет. 93, 247006 (2004).
Јанг, Ф. и сор. Фотоволтаичен ефект на YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb хетеропојуван при различен парцијален притисок на кислород. Матер. Лет. 130, 51-53 (2014).
Аминов, БА и сор. Структура со две празнини во единечни кристали Yb(Y)Ba2Cu3O7-x. Џ. Суперконд. 7, 361-365 (1994).
Кабанов, В.В., Демсар, Ј., Подобник, Б. Физ. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Исправувачки својства на YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb хетероврзување. Апликација Физ. Лет. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Екситонска апсорпција и суперспроводливост во YBa2Cu3O7-δ. Физ. Свештеникот Лет. 59, 919-922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Транзиторна фотоиндуцирана спроводливост кај полупроводливи единечни кристали на YBa2Cu3O6.3: пребарување за фотоиндуцирана метална состојба и фотоиндуцирана суперспроводливост. Солидна држава заедница. 72, 345-349 (1989).
McMillan, WL Tunneling модел на суперспроводливиот ефект на близина. Физ. Rev. 175, 537-542 (1968).
Герон, С. и сор. Суперспроводен ефект на близина, испитан на мезоскопска скала за должина. Физ. Свештеникот Лет. 77, 3025-3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Ефект на близина со нецентросиметрични суперпроводници. Физ. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Силен суперспроводлив ефект на близина во Pb-Bi2Te3 хибридни структури. Sci. Реп. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Нов силиконски pn спојен фотоелемент за претворање на сончевото зрачење во електрична енергија. J. App. Физ. 25, 676-677 (1954).
Томимото, К. Ефекти на нечистотија врз должината на кохерентноста на суперспроводливоста во единечни кристали YBa2Cu3O6.9 допирани со Zn или Ni. Физ. Rev. B 60, 114-117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Магнетоотпорност на Untwinned YBa2Cu3Oy единечни кристали во широк опсег на допинг: аномална зависност од допинг на дупката на должината на кохерентноста. Физ. Свештеникот Лет. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Систематика во термоелектричната моќност на високо-Т, оксиди. Физ. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Сугаи, С. и сор. Поместување на импулсот зависно од густината на носачот на кохерентниот врв и режимот LO фонон кај суперпроводници од p-тип со висок Tc. Физ. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Редукција на дупки и акумулација на електрони во YBa2Cu3Oy тенки филмови со користење на електрохемиска техника: Доказ за метална состојба од n-тип. Физ. Rev. B 84, 020502 (2011).
Тунг, RT Физиката и хемијата на висината на бариерата Шотки. Апликација Физ. Лет. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Ефекти на динамичко разбивање на надворешни парови во суперспроводливи филмови. Физ. Свештеникот Лет. 33, 215-219 (1974).
Ниева, Г. и сор. Фотоиндуцирано подобрување на суперспроводливоста. Апликација Физ. Лет. 60, 2159-2161 (1992).
Кудинов, VI и др. Постојана фотоспроводливост во филмовите YBa2Cu3O6+x како метод за фотодопирање кон метални и суперспроводливи фази. Физ. Rev. B 14, 9017-9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Нелинеарна динамика на решетка како основа за зголемена суперспроводливост во YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71-74 (2014).
Фаусти, Д. и сор. Суперспроводливост индуцирана од светлина во купат со ленти. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Температурната функционална зависност на VOC за соларна ќелија во однос на нејзината ефикасност нов пристап. Десалинизација 209, 91-96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Температурни ефекти во силиконски соларни ќелии со бариера Шотки. Апликација Физ. Лет. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Температурна зависност за параметрите на фотоволтаичниот уред на соларните ќелии од полимер-фулерен под работни услови. J. Appl. Физ. 90, 5343-5350 (2002).
Оваа работа е поддржана од Националната природна научна фондација на Кина (Грант бр. 60571063), Фундаменталните истражувачки проекти на провинцијата Хенан, Кина (Грант бр. 122300410231).
FY го напиша текстот на трудот и MYH го подготви керамичкиот примерок YBCO. FY и MYH го извршија експериментот и ги анализираа резултатите. FGC го водеше проектот и научната интерпретација на податоците. Сите автори го прегледаа ракописот.
Ова дело е лиценцирано под меѓународна лиценца Creative Commons Attribution 4.0. Сликите или други материјали од трета страна во овој член се вклучени во лиценцата за Криејтив комонс на статијата, освен ако не е поинаку назначено во кредитната линија; доколку материјалот не е вклучен во лиценцата Криејтив комонс, корисниците ќе треба да добијат дозвола од носителот на лиценцата за репродукција на материјалот. За да видите копија од оваа лиценца, посетете ја http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Потекло на фотоволтаичниот ефект во суперспроводливата керамика YBa2Cu3O6.96. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Со испраќање коментар, се согласувате да се придржувате до нашите Услови и Упатства за заедницата. Ако најдете нешто навредливо или што не е во согласност со нашите услови или упатства, ве молиме означете го како несоодветно.
Време на објавување: Април-22-2020