nature.com сайтаар зочилсонд баярлалаа. Та CSS-ийн хязгаарлагдмал дэмжлэгтэй хөтчийн хувилбарыг ашиглаж байна. Хамгийн сайн туршлага олж авахын тулд бид танд илүү сүүлийн үеийн хөтөч ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраа). Энэ хооронд бид байнгын дэмжлэгийг хангахын тулд сайтыг загвар болон JavaScript-гүй харуулж байна.
Бид YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамикийн гайхалтай фотоволтайк нөлөөг 50-аас 300 К-ийн хооронд цэнхэр лазер гэрэлтүүлгээр үүсгэсэн тухай мэдээлсэн бөгөөд энэ нь YBCO-ийн хэт дамжуулалт болон YBCO-металл электродын интерфейстэй шууд холбоотой юм. YBCO хэт дамжуулагчаас эсэргүүцлийн төлөв рүү шилжих үед нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн Voc ба богино залгааны гүйдлийн Isc-ийн туйлшралын урвуулалт байдаг. Хэт дамжуулагч-хэвийн металлын интерфэйс дээр цахилгаан потенциал байгааг бид харуулж байгаа бөгөөд энэ нь фото өдөөгдсөн электрон нүхний хосыг тусгаарлах хүчийг өгдөг. Энэ интерфэйсийн потенциал нь YBCO хэт дамжуулагч байх үед YBCO-аас металл электрод руу чиглэж, YBCO хэт дамжуулагчгүй болох үед эсрэг чиглэлд шилждэг. YBCO нь хэт дамжуулагч бөгөөд 502 мВт/см2 лазерын эрчимтэй 50К-д түүний утгыг ~10–8 мВ гэж тооцсон үед потенциалын гарал үүсэл нь металл-супер дамжуулагчийн интерфейс дэх ойрын эффекттэй шууд холбоотой байж болно. Хэвийн төлөвт байгаа p төрлийн YBCO материалыг n төрлийн Ag-пастетэй хослуулснаар өндөр температурт YBCO керамикийн фотоволтайк үйл ажиллагааг хариуцдаг бараг pn уулзвар үүсгэдэг. Бидний олдворууд фотон-электрон төхөөрөмжүүдийн шинэ хэрэглээнд хүрэх замыг нээж, хэт дамжуулагч-металл интерфэйс дэх ойрын нөлөөг илүү гэрэлтүүлж магадгүй юм.
1990-ээд оны эхээр өндөр температурт хэт дамжуулагч дахь фото-индукцлагдсан хүчдэлийн талаар мэдээлсэн бөгөөд тэр цагаас хойш маш их судлагдсан боловч түүний мөн чанар, механизм тодорхойгүй хэвээр байна1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) нимгэн хальсыг 6,7,8, ялангуяа эрчим хүчний завсарыг тохируулах боломжтой тул фотоволтайк (PV) эсийн хэлбэрээр эрчимтэй судалж байна9,10,11,12,13. Гэсэн хэдий ч субстратын өндөр эсэргүүцэл нь төхөөрөмжийн хувиргах үр ашиг багатай байдаг бөгөөд YBCO8-ийн үндсэн PV шинж чанарыг далдалдаг. Энд бид YBa2Cu3O6.96 (YBCO) керамик доторх цэнхэр лазер (λ = 450 нм) гэрэлтүүлгийн нөлөөгөөр 50-аас 300 К (Tc ~ 90 К)-ийн хооронд үүссэн гайхалтай фотоволтайк эффектийг мэдээлэв. PV эффект нь YBCO-ийн хэт дамжуулалт болон YBCO-металл электродын интерфейсийн шинж чанараас шууд хамааралтай болохыг бид харуулж байна. YBCO хэт дамжуулагч фазаас эсэргүүцлийн төлөв рүү шилжих үед нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн Voc болон богино залгааны гүйдлийн Isc-ийн туйлшралын урвуу байдаг. Хэт дамжуулагч-хэвийн металлын интерфэйс дээр цахилгаан потенциал байдаг бөгөөд энэ нь фото өдөөгдсөн электрон нүхний хосыг тусгаарлах хүчийг өгдөг. Энэ интерфэйсийн потенциал нь YBCO хэт дамжуулагч байх үед YBCO-аас металл электрод руу чиглэж, дээж хэт дамжуулагчгүй болох үед эсрэг чиглэлд шилждэг. YBCO хэт дамжуулагч ба түүний утгыг 502 мВт лазерын эрчимтэй 50 К-д ~10−8 мВ гэж тооцсон үед потенциалын гарал үүсэл нь металл-супер дамжуулагчийн интерфейс дэх ойрын эффект14,15,16,17-тай холбоотой байж болно. /см2. P төрлийн YBCO материалыг хэвийн төлөвт n төрлийн материалтай Ag-пасте хослуулснаар өндөр температурт YBCO керамикийн PV үйл ажиллагааг хариуцдаг бараг pn уулзвар үүсдэг. Бидний ажиглалтууд нь өндөр температурт хэт дамжуулагч YBCO керамик дахь PV эффектийн гарал үүслийг илүү тодруулж, үүнийг хурдан идэвхгүй гэрлийн мэдрэгч гэх мэт оптоэлектроник төхөөрөмжид ашиглах замыг нээж өгсөн.
Зураг 1a–c нь YBCO керамик дээжийн IV шинж чанарыг 50 К-д харуулж байна. Гэрлийн гэрэлтүүлэггүйгээр дээж дээрх хүчдэл нь гүйдлийн өөрчлөлтийн үед тэг хэвээр байдгийг хэт дамжуулагч материалаас харж болно. Лазерын цацрагийг катод руу чиглүүлэх үед илэрхий фотоволтайк нөлөө гарч ирдэг (Зураг 1а): I тэнхлэгтэй параллель IV муруй нь лазерын эрч хүчийг нэмэгдүүлэхийн хамт доошоо хөдөлдөг. Ямар ч гүйдэлгүй ч гэсэн сөрөг фото өдөөгдсөн хүчдэл байгаа нь тодорхой байна (ихэвчлэн нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн Voc гэж нэрлэдэг). IV муруйны тэг налуу нь дээж нь лазерын гэрэлтүүлгийн дор хэт дамжуулагч хэвээр байгааг харуулж байна.
(a–c) ба 300 К (e–g). V(I)-ийн утгыг вакуум дахь гүйдлийг -10 мА-аас +10 мА хүртэл шүүрдэх замаар олж авсан. Туршилтын өгөгдлийн зөвхөн нэг хэсгийг тодорхой болгохын тулд танилцуулсан болно. a, Катод (i) дээр байрлуулсан лазер цэгээр хэмжсэн YBCO-ийн гүйдлийн хүчдэлийн шинж чанар. Бүх IV муруйнууд нь хэвтээ шулуун шугамууд бөгөөд дээж нь лазерын цацрагаар хэт дамжуулагч хэвээр байгааг харуулж байна. Лазерын эрч хүч нэмэгдэхийн хэрээр муруй доош хөдөлж, тэг гүйдэлтэй ч гэсэн хоёр хүчдэлийн утаснуудын хооронд сөрөг потенциал (Voc) байгааг харуулж байна. Лазерыг дээжийн төв рүү эфир 50 К (b) эсвэл 300 К (f) дээр чиглүүлэх үед IV муруй өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Анодыг гэрэлтүүлэх үед хэвтээ шугам дээшээ хөдөлдөг (c). 50 К-д металл-хэт дамжуулагчийн уулзварын бүдүүвч загварыг d-д үзүүлэв. Катод болон анод руу чиглүүлсэн лазер туяагаар хэмжсэн 300 К-ийн хэвийн төлөвийн YBCO-ийн одоогийн хүчдэлийн шинж чанарыг e ба g-д тус тус үзүүлэв. 50 К-ийн үр дүнгээс ялгаатай нь шулуун шугамын тэг биш налуу нь YBCO хэвийн төлөвт байгааг харуулж байна; Voc-ийн утгууд нь эсрэг чиглэлд гэрлийн эрчмээс хамаарч өөр өөр байдаг нь цэнэгийн ялгах өөр механизмыг илтгэнэ. 300 К-ийн боломжит интерфэйсийн бүтцийг hj-д дүрсэлсэн байна Хар тугалга бүхий дээжийн бодит зураг.
Хэт дамжуулагч төлөвт байгаа хүчилтөрөгчөөр баялаг YBCO нь маш бага энергийн цоорхой (Жишээ нь) 9,10 учраас нарны гэрлийг бараг бүхэлд нь шингээж чаддаг бөгөөд ингэснээр электрон нүхний хос (e-h) үүсгэдэг. Фотоныг шингээх замаар нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн Voc үүсгэхийн тулд рекомбинаци үүсэхээс өмнө фото үүсгэсэн хосуудыг орон зайн хувьд салгах шаардлагатай18. 1i-р зурагт заасны дагуу катод ба анодтой харьцуулахад сөрөг Voc нь металл-супер дамжуулагчийн интерфейс дээр электронуудыг анод руу, катод руу нүх гаргадаг цахилгаан потенциал байгааг харуулж байна. Хэрэв тийм бол хэт дамжуулагчаас анод дахь металл электрод руу чиглэсэн потенциал байх ёстой. Үүний үр дүнд анодын ойролцоох дээжийн талбайг гэрэлтүүлсэн тохиолдолд эерэг Voc авах болно. Цаашилбал, лазерын цэгийг электродуудаас хол байгаа хэсгүүдэд чиглүүлэх үед гэрэл зургийн өдөөгдсөн хүчдэл байх ёсгүй. Энэ нь мэдээжийн хэрэг 1b,c-р зурагнаас харагдаж байна!
Гэрлийн толбо нь катодын электродоос дээжийн төв рүү (интерфэйсүүдээс 1.25 мм зайд) шилжих үед лазерын эрчмийг боломжит хамгийн дээд хэмжээнд хүртэл нэмэгдүүлэх үед IV муруй болон Voc-ийн өөрчлөлт ажиглагдахгүй (Зураг 1b). . Мэдээжийн хэрэг, энэ үр дүн нь гэрэл зургийн өдөөгдсөн зөөвөрлөгчдийн амьдралын хязгаарлагдмал хугацаа, дээжинд тусгаарлах хүч байхгүйтэй холбоотой байж болох юм. Дээжийг гэрэлтүүлэх бүрт электрон нүхний хос үүсгэж болох боловч лазерын толбо аль нэг электродоос алслагдсан хэсэгт унавал e-h хосуудын ихэнх нь устаж, фотоволтайк нөлөө ажиглагдахгүй. Лазерын цэгийг анодын электродууд руу шилжүүлэхэд I тэнхлэгтэй параллель IV муруй нь лазерын эрчимийг нэмэгдүүлэх замаар дээшээ хөдөлдөг (Зураг 1c). Үүнтэй төстэй цахилгаан орон нь анод дахь металл-супер дамжуулагчийн уулзварт байдаг. Гэсэн хэдий ч метал электрод нь энэ удаад туршилтын системийн эерэг утастай холбогддог. Лазераас үүссэн нүхнүүд нь анодын утас руу түлхэгдэж, эерэг Voc ажиглагдаж байна. Энд үзүүлсэн үр дүн нь супер дамжуулагчаас металл электрод руу чиглэсэн интерфэйсийн потенциал байгааг баттай нотолж байна.
300 К-ийн YBa2Cu3O6.96 керамик дахь фотоволтайк эффектийг 1e–g зурагт үзүүлэв. Гэрлийн гэрэлтүүлэггүй бол дээжийн IV муруй нь эхийг огтолж буй шулуун шугам юм. Энэ шулуун шугам нь катодын утаснуудад цацрагийн цацрагийн эрчмийг нэмэгдүүлснээр анхны шугамтай зэрэгцээ дээшээ хөдөлдөг (Зураг 1e). Фотоволтайк төхөөрөмжийг сонирхож буй хоёр хязгаарлагдмал тохиолдол байдаг. Богино залгааны нөхцөл нь V = 0 үед үүсдэг. Энэ тохиолдолд гүйдлийг богино залгааны гүйдэл (Isc) гэж нэрлэдэг. Хоёрдахь хязгаарлах тохиолдол нь R→∞ буюу гүйдэл тэг байх үед үүсдэг нээлттэй хэлхээний нөхцөл (Voc) юм. Зураг 1e нь Voc эерэг бөгөөд 50 К-д олж авсан үр дүнгээс ялгаатай нь гэрлийн эрч хүч нэмэгдэх тусам нэмэгддэг болохыг тодорхой харуулж байна; харин сөрөг ISC нь гэрлийн гэрэлтүүлэгтэй хамт томрох нь ажиглагдаж байгаа нь ердийн нарны эсийн ердийн үйлдэл юм.
Үүний нэгэн адил лазер туяаг электродуудаас алслагдсан хэсгүүдэд чиглүүлэх үед V(I) муруй нь лазерын эрчмээс хамааралгүй бөгөөд фотоволтайк нөлөө байхгүй (Зураг 1f). 50 К-ийн хэмжилтийн нэгэн адил IV муруй нь анодын электродыг цацрагаар туяарах үед эсрэг чиглэлд шилждэг (Зураг 1g). Дээжийн янз бүрийн байрлалд лазераар цацруулсан 300 К-т энэ YBCO-Ag оо системд олж авсан эдгээр бүх үр дүн нь 50 К-т ажиглагдсан интерфэйсийн потенциалтай нийцэж байна.
Ихэнх электронууд нь Tc шилжилтийн температураас доогуур хэт дамжуулагч YBCO-д Купер хосоор конденсацдаг. Металл электрод байх үед бүх электронууд дан хэлбэрээр үлддэг. Металл-супер дамжуулагчийн интерфейсийн ойролцоо ганц электрон болон Купер хосуудын аль алиных нь нягтын градиент их байна. Металл материал дахь дийлэнх тээвэрлэгч сингуляр электронууд хэт дамжуулагч мужид тархах бол YBCO бүс дэх дийлэнх тээвэрлэгч Купер-хос металлын бүсэд тархах болно. Cooper хосууд илүү их цэнэгтэй, дан электронуудаас илүү том хөдөлгөөнтэй байх тусам YBCO-аас металлын бүсэд тархах үед эерэг цэнэгтэй атомууд үлдэж, улмаар сансрын цэнэгийн бүсэд цахилгаан орон үүснэ. Энэхүү цахилгаан талбайн чиглэлийг бүдүүвч диаграммд Зураг 1d-д үзүүлэв. Сансрын цэнэгийн бүсийн ойролцоо тохиолдсон фотоны гэрэлтүүлэг нь урвуу чиглэлтэй фото гүйдлийг үүсгэн салгаж, гадагшлуулах хосуудыг үүсгэж болно. Электронууд баригдсан цахилгаан талбараас гармагц тэд хос болж конденсацлагдан нөгөө электрод руу эсэргүүцэлгүйгээр урсдаг. Энэ тохиолдолд Voc нь урьдчилан тохируулсан туйлшралын эсрэг байх ба лазер туяа сөрөг электродын эргэн тойрон дахь хэсгийг зааж өгөх үед сөрөг утгыг харуулдаг. Voc-ийн утгын дагуу интерфэйс дээрх потенциалыг тооцоолж болно: хоёр хүчдэлийн утас хоорондын зай d ~5 × 10−3 м, металл хэт дамжуулагчийн интерфейсийн зузаан, di нь ижил дарааллаар байх ёстой. YBCO хэт дамжуулагчийн когерентийн урт (~1 нм)19,20 гэж Voc = 0.03 мВ, боломжит Vms утгыг авна. металл-хэт дамжуулагчийн интерфейсийг тэгшитгэлийг ашиглан 502 мВт/см2 лазерын эрчимтэй 50 К-д ~10−11 В гэж үнэлэв.
Фото зурагнаас үүдэлтэй хүчдэлийг фото дулааны эффектээр тайлбарлах боломжгүй гэдгийг энд онцлон тэмдэглэхийг хүсч байна. Хэт дамжуулагч YBCO-ийн Зеебекийн коэффициент Ss = 021 гэдгийг туршилтаар тогтоов. Зэс хар тугалганы утаснуудын Зебекийн коэффициент нь SCu = 0.34–1.15 мкВ/К3 мужид байна. Лазерын цэг дээрх зэс утасны температурыг бага хэмжээгээр 0.06 К-аар өсгөж, лазерын хамгийн их эрчим нь 50 К-д байх боломжтой. Энэ нь 6.9 × 10−8 В-ийн термоэлектрик потенциал үүсгэж болох бөгөөд энэ нь 3 дахин бага байна. Зураг 1 (a)-д олж авсан Voc. Термоэлектрик эффект нь туршилтын үр дүнг тайлбарлахад хэтэрхий бага байгаа нь тодорхой байна. Үнэн хэрэгтээ лазер туяанаас үүдэлтэй температурын өөрчлөлт нь нэг минут хүрэхгүй хугацаанд алга болж, дулааны нөлөөллийг үл тоомсорлож болно.
Өрөөний температурт YBCO-ийн энэхүү фотоволтайк нөлөө нь энд цэнэгийг ялгах өөр механизм оролцож байгааг харуулж байна. Хэвийн төлөвт байгаа хэт дамжуулагч YBCO нь цэнэглэгч22,23 нүхтэй p төрлийн материал бөгөөд металл Ag оо нь n төрлийн материалын шинж чанартай байдаг. Pn уулзвартай адил мөнгөн зуурмаг дахь электронуудын тархалт ба YBCO керамик дахь нүхнүүд нь интерфэйс дэх YBCO керамик руу чиглэсэн дотоод цахилгаан талбарыг үүсгэнэ (Зураг 1h). Чухамхүү энэ дотоод талбар нь салгах хүчийг өгч, тасалгааны температурт YBCO-Ag зуурмагийн системийн эерэг Voc ба сөрөг Isc-ийг 1e-р зурагт үзүүлэв. Өөрөөр, Ag-YBCO нь p төрлийн Schottky уулзвар үүсгэж болох бөгөөд энэ нь дээр дурдсан загвартай ижил туйлшралтай интерфэйсийн потенциалд хүргэдэг24.
YBCO-ийн хэт дамжуулагч шилжилтийн үеийн фотоволтайк шинж чанаруудын нарийвчилсан хувьслын үйл явцыг судлахын тулд 80 К-ийн дээжийн IV муруйг катодын электрод дээр гэрэлтүүлэх лазерын сонгосон эрчмээр хэмжсэн (Зураг 2). Лазерын цацраг туяагүйгээр дээж дээрх хүчдэл нь гүйдэлээс үл хамааран тэг хэвээр байгаа нь дээжийн хэт дамжуулагч төлөвийг 80 К-д харуулж байна (Зураг 2a). 50 К-д олж авсан өгөгдлийн нэгэн адил I тэнхлэгтэй параллель IV муруйнууд нь Pc чухал утгад хүрэх хүртэл лазерын эрчмийг нэмэгдүүлэх замаар доошоо хөдөлдөг. Энэхүү эгзэгтэй лазер эрчмээс (Pc) дээгүүр хэт дамжуулагч нь хэт дамжуулагч фазаас эсэргүүцэлтэй үе рүү шилжих шилжилтийг хийдэг; хэт дамжуулагч дахь эсэргүүцэл гарч ирснээр хүчдэл нь гүйдэлтэй нэмэгдэж эхэлдэг. Үүний үр дүнд IV муруй нь I-тэнхлэг ба V-тэнхлэгүүдтэй огтлолцож эхэлдэг бөгөөд эхлээд сөрөг Voc ба эерэг Isc-д хүргэдэг. Одоо дээж нь Voc болон Isc-ийн туйлшрал нь гэрлийн эрчмэд маш мэдрэмтгий байдаг онцгой төлөвт байгаа бололтой; Гэрлийн эрчмийг маш бага өсгөхөд Isc нь эерэгээс сөрөг рүү, Voc нь сөрөгээс эерэг утга руу шилжиж, гарал үүслийг дамжуулдаг (фотовольтийн шинж чанарын өндөр мэдрэмж, ялангуяа ISC-ийн утгыг гэрлийн гэрэлтүүлэгт илүү тодорхой харж болно. 2б). Лазерын хамгийн өндөр эрчимтэй үед IV муруйнууд хоорондоо параллель байхаар төлөвлөж байгаа нь YBCO дээжийн хэвийн төлөвийг илэрхийлдэг.
Лазер цэгийн төв нь катодын электродын эргэн тойронд байрладаг (1i-р зургийг үз). a, IV муруй YBCO өөр өөр лазер эрчимтэй цацраг. b (дээд), нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн лазерын эрчмийн хамаарал Voc ба богино залгааны гүйдэл Isc. Дээж хэт дамжуулагч төлөвт байх үед IV муруй нь I тэнхлэгтэй параллель байдаг тул гэрлийн бага эрчимтэй үед (<110 мВт/см2) Isc утгыг олж авах боломжгүй. b (доод), лазерын эрчмээс хамаарсан дифференциал эсэргүүцэл.
80 К-д Voc ба Isc-ийн лазерын эрчмийн хамаарлыг Зураг 2b (дээд)-д үзүүлэв. Фотовольтийн шинж чанарыг гэрлийн эрчмийн гурван бүсэд авч үзэж болно. Эхний муж нь 0 ба PC-ийн хооронд байх ба YBCO хэт дамжуулагч, Voc нь сөрөг бөгөөд гэрлийн эрч хүчээр буурч (үнэмлэхүй үнэ цэнэ өсөх) ба Pc дээр хамгийн багадаа хүрдэг. Хоёрдахь муж нь Pc-ээс өөр нэг чухал эрчим болох P0 хүртэл байдаг ба гэрлийн эрч хүч нэмэгдэхийн хэрээр Voc нэмэгдэж, ISC нь буурч, P0-д хоёулаа тэг хүрдэг. Гурав дахь бүс нь YBCO-ийн хэвийн төлөвт хүрэх хүртэл P0-ээс дээш байна. Хэдийгээр Voc болон Isc хоёулаа 2-р бүсийнхтэй адил гэрлийн эрчмээс хамаарч өөр өөр байдаг ч P0 эгзэгтэй эрчмээс дээгүүр эсрэг туйлтай байдаг. P0-ийн ач холбогдол нь фотоволтайк нөлөө байхгүй бөгөөд цэнэгийг салгах механизм нь энэ цэг дээр чанарын хувьд өөрчлөгддөг. YBCO дээж нь гэрлийн эрчмийн энэ мужид хэт дамжуулах чадваргүй болсон ч хэвийн төлөвтөө хараахан хүрээгүй байна.
Системийн фотоволтайк шинж чанар нь YBCO-ийн хэт дамжуулалт ба түүний хэт дамжуулагч шилжилттэй нягт холбоотой байдаг нь ойлгомжтой. YBCO-ийн дифференциал эсэргүүцэл, dV/dI-ийг лазерын эрчмийн функцээр Зураг 2b (доод талд) үзүүлэв. Өмнө дурьдсанчлан, Куперын хосын тархалтын улмаас интерфейс дэх цахилгаан потенциал нь хэт дамжуулагчаас метал руу шилжих цэг юм. 50 К-т ажиглагдсантай адил фотоволтайк эффект нь лазерын эрчмийг 0-ээс PC хүртэл нэмэгдүүлэхэд нэмэгддэг. Лазерын эрч хүч нь Pc-ээс бага зэрэг давсан утгад хүрэхэд IV муруй хазайж, дээжийн эсэргүүцэл гарч эхэлдэг боловч интерфейсийн потенциалын туйл өөрчлөгдөөгүй байна. Оптик өдөөлт нь хэт дамжуулалтад үзүүлэх нөлөөг харагдахуйц эсвэл ойрын IR бүсэд судалсан. Үндсэн үйл явц нь Куперын хосыг задалж, хэт дамжуулагчийг устгах явдал юм25,26, зарим тохиолдолд хэт дамжуулагчийн шилжилтийг сайжруулж болно27,28,29, хэт дамжуулагчийн шинэ үе шатууд хүртэл өдөөгдөж болно30. Компьютер дээр хэт дамжуулагч байхгүй байгаа нь гэрэл зургийн өдөөгдсөн хос тасрахтай холбоотой байж болно. P0 цэг дээр интерфэйс дээрх потенциал тэг болж, гэрлийн гэрэлтүүлгийн тодорхой эрчмийн дор интерфейсийн хоёр талын цэнэгийн нягт ижил түвшинд хүрч байгааг харуулж байна. Цаашид лазерын эрчмийг нэмэгдүүлснээр Куперийн хосууд устаж, YBCO аажмаар p төрлийн материал болж хувирдаг. Оронд нь электрон болон Cooper хос тархалтын, интерфэйс онцлог нь одоо интерфэйс дэх цахилгаан талбайн туйлшралын урвуу, улмаар эерэг Voc хүргэдэг электрон болон нүх тархалт тодорхойлогддог (Зураг.1d, h харьцуулах). Лазерын маш өндөр эрчимтэй үед YBCO-ийн дифференциал эсэргүүцэл нь хэвийн төлөвт харгалзах утгад ханасан ба Voc болон Isc хоёулаа лазерын эрчмээс хамаарч шугаман байдлаар өөрчлөгдөх хандлагатай байдаг (Зураг 2b). Энэхүү ажиглалт нь YBCO-ийн хэвийн төлөвт лазерын цацраг туяа нь түүний эсэргүүцэл ба хэт дамжуулагч-металл интерфейсийн онцлогийг өөрчлөхгүй бөгөөд зөвхөн электрон нүхний хосуудын концентрацийг нэмэгдүүлэх болно.
Температурын фотоволтайк шинж чанарт үзүүлэх нөлөөг судлахын тулд 502 мВт/см2 эрчмийн цэнхэр лазераар катодын метал хэт дамжуулагч системийг цацрагаар цацсан. 50-аас 300 К-ийн хоорондох сонгосон температурт олж авсан IV муруйг Зураг 3a-д үзүүлэв. Дараа нь эдгээр IV муруйгаас задгай хэлхээний хүчдэл Voc, богино залгааны гүйдэл Isc болон дифференциал эсэргүүцлийг олж авч болох ба 3б-р зурагт үзүүлэв. Гэрлийн гэрэлтүүлэггүй бол янз бүрийн температурт хэмжсэн бүх IV муруй нь хүлээгдэж буй дагуу гарал үүслийг дамждаг (Зураг 3a-ийн оруулга). Системийг харьцангуй хүчтэй лазер туяагаар (502 мВт/см2) гэрэлтүүлэх үед IV шинж чанар нь температур нэмэгдэхийн хэрээр эрс өөрчлөгддөг. Бага температурт IV муруй нь Voc-ийн сөрөг утгатай I-тэнхлэгтэй параллель шулуун шугамууд юм. Энэ муруй нь температур нэмэгдэхийн хэрээр дээшээ хөдөлж, эгзэгтэй температурт Tcp (зураг 3а (дээд)) аажмаар тэгээс өөр налуутай шугам болж хувирдаг. Бүх IV шинж чанарын муруйнууд гуравдугаар квадрантын нэг цэгийг тойрон эргэлддэг бололтой. Voc нь сөрөг утгаас эерэг болж өсдөг бол Isc нь эерэгээс сөрөг болж буурдаг. YBCO-ийн анхны хэт дамжуулагч шилжилтийн температурын Tc-ээс дээш IV муруй нь температураас арай өөрөөр өөрчлөгддөг (Зураг 3a-ийн доод хэсэг). Нэгдүгээрт, IV муруйн эргэлтийн төв нь эхний квадрат руу шилждэг. Хоёрдугаарт, температур нэмэгдэхийн хэрээр Voc буурч, ISC нэмэгдсээр байна (Зураг 3б-ийн дээд талд). Гуравдугаарт, IV муруйн налуу нь температурын дагуу шугаман нэмэгдэж, YBCO-ийн эсэргүүцлийн эерэг температурын коэффициентийг үүсгэдэг (Зураг 3b-ийн доод хэсэг).
502 мВт/см2 лазерын гэрэлтүүлгийн дор YBCO-Ag зуурмагийн системийн фотоволтайк шинж чанарын температурын хамаарал.
Лазер цэгийн төв нь катодын электродын эргэн тойронд байрладаг (1i-р зургийг үз). a, IV муруйг 50-аас 90 К (дээд) ба 100-аас 300 К (доод) хүртэл 5 К ба 20 К-ийн температурын өсөлттэй тус тус авсан. А оруулга нь харанхуйд хэд хэдэн температурт IV шинж чанарыг харуулдаг. Бүх муруйнууд гарал үүслийн цэгийг гаталж байна. b, нээлттэй хэлхээний хүчдэл Voc ба богино залгааны гүйдэл Isc (дээд) ба дифференциал эсэргүүцэл, dV/dI, YBCO (доод) температурын функцээр. Эсэргүүцлийн тэг хэт дамжуулагч шилжилтийн температур Tcp нь Tc0-тэй хэт ойрхон байгаа тул өгөгдөөгүй.
Гурван чухал температурыг 3б-р зурагнаас хүлээн зөвшөөрч болно: Tcp, түүнээс дээш YBCO хэт дамжуулагчгүй болдог; Tc0, энэ үед Voc болон Isc хоёулаа тэг болж, Tc нь лазерын цацраггүй YBCO-ийн анхны хэт дамжуулагч шилжилтийн температур юм. Tcp ~ 55 K-ээс доош бол лазераар цацруулсан YBCO нь Купер хосуудын харьцангуй өндөр концентрацитай хэт дамжуулагч төлөвт байна. Лазерын цацрагийн нөлөө нь фотоволтайк хүчдэл ба гүйдэл үүсгэхээс гадна Купер хосын концентрацийг бууруулснаар тэг эсэргүүцэлтэй хэт дамжуулагч шилжилтийн температурыг 89 К-аас ~55 К (Зураг 3б-ийн доод хэсэг) хүртэл бууруулахад оршино. Температурын өсөлт нь Куперын хосыг задалж, интерфэйс дэх потенциалыг бууруулдаг. Үүний үр дүнд лазерын гэрэлтүүлгийн ижил эрчмийг ашигласан ч Voc-ийн үнэмлэхүй утга багасах болно. Температурын өсөлтөд интерфэйсийн потенциал улам бүр багасч, Tc0-д тэг болно. Энэ онцгой цэгт фотоволтайк нөлөө байхгүй, учир нь фото өдөөгдсөн электрон нүхний хосыг салгах дотоод талбар байхгүй. Энэ эгзэгтэй температураас дээш потенциалын туйлшралын урвуу байдал үүснэ, учир нь Ag зуурмаг дахь чөлөөт цэнэгийн нягт нь YBCO-ийнхоос их байдаг бөгөөд энэ нь аажмаар p төрлийн материал руу шилждэг. Энд бид Voc болон Isc-ийн туйлшралын өөрчлөлт нь шилжилтийн шалтгаанаас үл хамааран тэг эсэргүүцэлтэй хэт дамжуулагч шилжилтийн дараа шууд тохиолддог гэдгийг онцлон тэмдэглэхийг хүсч байна. Энэхүү ажиглалт нь анх удаагаа хэт дамжуулагч ба металлын хэт дамжуулагчийн интерфэйсийн потенциалтай холбоотой фотоволтайк эффектийн хоорондын хамаарлыг тодорхой харуулж байна. Хэт дамжуулагч-хэвийн металл интерфэйс дээрх энэхүү боломжийн мөн чанар нь сүүлийн хэдэн арван жилийн турш судалгааны анхаарлын төвд байсаар ирсэн боловч хариултыг хүлээсэн олон асуулт байсаар байна. Фотоволтайк эффектийг хэмжих нь энэхүү чухал потенциалын нарийвчилсан мэдээллийг (түүний хүч чадал, туйлшрал гэх мэт) судлах үр дүнтэй арга болж, улмаар өндөр температурын хэт дамжуулагчийн ойрын эффектийг тодруулах болно.
Температурыг Tc0-ээс Tc хүртэл нэмэгдүүлэх нь Куперын хосуудын концентраци багасч, интерфэйсийн потенциалыг сайжруулж, улмаар Voc ихсэхэд хүргэдэг. Tc үед Cooper хосын концентраци тэг болж интерфэйс дэх бүтээн байгуулалтын потенциал хамгийн ихдээ хүрч, хамгийн их Voc ба хамгийн бага Isc-д хүрдэг. Энэ температурын хязгаарт Voc ба Isc (үнэмлэхүй утга) хурдацтай өсөх нь 502 мВт/см2 эрчимтэй лазерын цацрагийн нөлөөгөөр ΔT ~ 3 К-ээс ~34 К хүртэл өргөжиж буй хэт дамжуулагч шилжилттэй тохирч байна (Зураг 3b). Tc-ээс дээш хэвийн төлөвт нээлттэй хэлхээний хүчдэл Voc нь температурын дагуу буурдаг (Зураг 3б-ийн дээд хэсэг), pn уулзвар дээр суурилсан ердийн нарны эсийн Voc-ийн шугаман үйлдэлтэй төстэй31,32,33. Хэдийгээр лазерын эрчмээс ихээхэн хамаардаг температуртай (−dVoc/dT) Voc-ийн өөрчлөлтийн хурд нь ердийн нарны зайнаас хамаагүй бага боловч YBCO-Ag уулзварын Voc температурын коэффициент нь үүнтэй ижил дараалалтай байна. нарны эсүүдийн. Энгийн нарны зайны төхөөрөмжийн pn уулзварын нэвчилтийн гүйдэл нь температур нэмэгдэх тусам нэмэгдэж, температур нэмэгдэх тусам Voc буурахад хүргэдэг. Энэхүү Ag-супер дамжуулагчийн системд ажиглагдсан шугаман IV муруй нь нэгдүгээрт интерфэйсийн маш бага потенциалтай, хоёрдугаарт хоёр гетерогцолтын ар араасаа холболттой учир алдагдсан гүйдлийг тодорхойлоход хүндрэл учруулдаг. Гэсэн хэдий ч алдагдал гүйдлийн ижил температурын хамаарал нь бидний туршилтанд ажиглагдсан Voc-ийн төлөв байдлыг хариуцдаг байх магадлал өндөр байна. Тодорхойлолтын дагуу Isc нь Voc-ийг нөхөх сөрөг хүчдэл үүсгэхэд шаардагдах гүйдэл бөгөөд нийт хүчдэл тэг болно. Температур нэмэгдэхийн хэрээр Voc нь багасч, сөрөг хүчдэл үүсгэхэд бага гүйдэл шаардагдана. Цаашилбал, YBCO-ийн эсэргүүцэл нь Tc-ээс дээш температурт шугаман нэмэгддэг (Зураг 3b-ийн доод хэсэг), энэ нь мөн өндөр температурт Isc-ийн үнэмлэхүй утгыг багасгахад хувь нэмэр оруулдаг.
2,3-р зурагт өгөгдсөн үр дүнг катодын электродын эргэн тойронд лазераар цацах замаар олж авсан болохыг анхаарна уу. Анод дээр байрлуулсан лазер цэгээр хэмжилтийг мөн давтан хийсэн бөгөөд энэ тохиолдолд Voc болон Isc-ийн туйлшралыг өөрчлөхөөс бусад тохиолдолд ижил төстэй IV шинж чанар, фотоволтайк шинж чанарууд ажиглагдсан. Эдгээр бүх өгөгдөл нь хэт дамжуулагч-металл интерфейстэй нягт холбоотой фотоволтайк эффектийн механизмд хүргэдэг.
Дүгнэж хэлэхэд, лазерын цацрагийн хэт дамжуулагч YBCO-Ag оо системийн IV шинж чанарыг температур ба лазерын эрчмийн функцээр хэмжсэн. Гайхамшигтай фотоволтайк нөлөө нь 50-аас 300 К-ийн температурын хязгаарт ажиглагдсан. Фотоволтайк шинж чанар нь YBCO керамикийн хэт дамжуулалттай хүчтэй хамааралтай болохыг тогтоожээ. Voc болон Isc-ийн туйлшралын өөрчлөлт нь фото өдөөгдсөн хэт дамжуулагчаас хэт дамжуулагч бус шилжилтийн дараа шууд үүсдэг. Тогтмол лазерын эрчмээр хэмжсэн Voc ба Isc-ийн температурын хамаарал нь эгзэгтэй температурт тодорхой туйлшралыг эргүүлж байгааг харуулж байгаа бөгөөд түүнээс дээш дээж эсэргүүцэлтэй болдог. Дээжийн янз бүрийн хэсэгт лазерын цэгийг тогтоосноор бид интерфэйс дээр цахилгаан потенциал байгааг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь фото өдөөгдсөн электрон нүхний хосыг тусгаарлах хүчийг өгдөг. Энэ интерфэйсийн потенциал нь YBCO хэт дамжуулагч байх үед YBCO-аас металл электрод руу чиглэж, дээж хэт дамжуулагчгүй болох үед эсрэг чиглэлд шилждэг. Потенциалын гарал үүсэл нь YBCO хэт дамжуулагч байх үед металл-супер дамжуулагчийн интерфейсийн ойролцоо нөлөөлөлтэй байгалийн холбоотой байж болох ба 502 мВт/см2 лазерын эрчимтэй 50 К-д ~10−8 мВ байхаар тооцоолсон. P төрлийн материал YBCO нь хэвийн төлөвт n төрлийн материалтай Ag-пасте шүргэлцэх нь өндөр температурт YBCO керамикийн фотоволтайк үйл ажиллагааг хариуцдаг бараг pn уулзвар үүсгэдэг. Дээрх ажиглалтууд нь өндөр температурт хэт дамжуулагч YBCO керамик дахь PV эффектийг гэрэлтүүлж, хурдан идэвхгүй гэрлийн мэдрэгч, нэг фотон мэдрэгч зэрэг оптоэлектроник төхөөрөмжүүдийн шинэ хэрэглээнд замыг нээж өгсөн.
Фотоволтайк эффектийн туршилтыг 0.52 мм зузаан, 8.64 × 2.26 мм2 тэгш өнцөгт хэлбэртэй YBCO керамик дээж дээр хийж, 1.25 мм радиусын лазер цэгийн хэмжээ бүхий тасралтгүй долгионы цэнхэр лазер (λ = 450 нм) гэрэлтүүлсэн. Нимгэн хальс биш бөөнөөр нь дээжийг ашиглах нь субстратын нарийн төвөгтэй нөлөөлөлгүйгээр хэт дамжуулагчийн фотоволтайк шинж чанарыг судлах боломжийг бидэнд олгодог6,7. Түүнчлэн, задгай материал нь бэлтгэх энгийн арга, харьцангуй хямд өртөгтэй байх боломжтой. Зэс хар тугалганы утаснууд нь YBCO дээж дээр 1 мм орчим диаметртэй дөрвөн дугуй электрод үүсгэдэг мөнгөн зуурмагаар холбогдсон байна. Хоёр хүчдэлийн электродын хоорондох зай нь ойролцоогоор 5 мм байна. Дээжийн IV шинж чанарыг кварцын болор цонхтой чичиргээний сорьцын соронзон хэмжигч (VersaLab, Quantum Design) ашиглан хэмжсэн. IV муруйг олж авахын тулд дөрвөн утастай стандарт аргыг ашигласан. Электрод ба лазерын цэгийн харьцангуй байрлалыг Зураг 1i-д үзүүлэв.
Энэ өгүүллийг хэрхэн иш татах вэ: Yang, F. et al. Хэт дамжуулагч YBa2Cu3O6.96 керамик дахь фотоволтайк эффектийн гарал үүсэл. Шинжлэх ухаан. Төлөөлөгч 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7 дахь тэгш хэмийн хориотой лазераар өдөөгдсөн хүчдэл. Физик. Илч Б 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O дахь хэвийн бус фотоволтайк дохионы гарал үүсэл. Физик. Илч Б 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Хэт дамжуулагч Bi-Sr-Ca-Cu-O-ийн лазераас үүдэлтэй хүчдэлийн хэмжилт. Физик. Илч Б 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. YBa2Cu3O7-x тасалгааны температурт хальсан дахь түр зуурын лазерын өдөөгдсөн хүчдэл. J. Appl. Физик. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7 дахь хэвийн бус фотоволтайк хариу . Физик. Илч Б 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. исэлдлийн гетероструктурт YBa2Cu3O7−x-д фото үүсгэсэн нүх тээвэрлэгч тарилга. Appl. Физик. Летт. 85, 2950–2952 (2004).
Асакура, Д. нар. YBa2Cu3Oy нимгэн хальсыг гэрлийн гэрэлтүүлгийн дор хийсэн фото цацралтын судалгаа. Физик. Илч Летт. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3-ийн фотоволтайк нөлөө: Nb гетеро холболтын өөр өөр хүчилтөрөгчийн хэсэгчилсэн даралтаар бэхлэгдсэн. Матер. Летт. 130, 51–53 (2014).
Аминов, Б.А. нар. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x нэг талст дахь хоёр цоорхой бүтэц. J. Суперконд. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Өөр өөр цоорхой бүтэцтэй хэт дамжуулагч дахь Quasiparticle амралтын динамик: YBa2Cu3O7-δ-ийн онол ба туршилтууд. Физик. Илч Б 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb гетеро холболтын шулуутгах шинж чанарууд. Appl. Физик. Летт. 87, 222501 (2005).
Камарас, К., Портер, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-δ дахь өдөөлт шингээлт ба хэт дамжуулалт. Физик. Илч Летт. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3-ийн хагас дамжуулагч нэг талст дахь түр зуурын фотоиндукцын дамжуулалт: фотоиндукцсан металлын төлөв ба фотоиндукцсан хэт дамжуулалтыг хайх. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL хэт дамжуулагч ойрын эффектийн туннелийн загвар. Физик. Илчлэлт 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Хэт дамжуулагчийн ойрын нөлөөг месоскоп уртын масштабаар шалгасан. Физик. Илч Летт. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Төв тэгш хэмтэй бус хэт дамжуулагчтай ойрын нөлөө. Физик. Илч Б 86, 17514 (2012).
Qu, FM нар. Pb-Bi2Te3 эрлийз бүтцэд хүчтэй хэт дамжуулагч ойрын нөлөө. Шинжлэх ухаан. Төлөөлөгч 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Нарны цацрагийг цахилгаан эрчим хүч болгон хувиргах шинэ цахиурын pn уулзвар фотоэлел. J. Апп. Физик. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- эсвэл Ni-aded YBa2Cu3O6.9 дан талст дахь хэт дамжуулагч когерентийн уртад хольцын нөлөө. Физик. Илчлэлт В 60, 114–117 (1999).
Андо, Y. & Segawa, K. Допингийн өргөн хүрээний Untwinned YBa2Cu3Oy дан талстуудын соронзон эсэргүүцэл: когерентийн уртын хэвийн бус нүх-допингийн хамаарал. Физик. Илч Летт. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systemmatics in thermoelectric power in high-T, oxides. Физик. Илч Б 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. P төрлийн өндөр Tc хэт дамжуулагч дахь когерент оргил ба LO фонон горимын зөөгч нягтралаас хамааралтай импульсийн шилжилт. Физик. Илч Б 68, 184504 (2003).
Ножима, Т. Цахилгаан химийн техник ашиглан YBa2Cu3Oy нимгэн хальсан дахь нүхний бууралт ба электрон хуримтлал: n төрлийн металлын төлөв байдлын нотолгоо. Физик. Илчлэлт В 84, 020502 (2011).
Тунг, RT Schottky саадын өндрийн физик, хими. Appl. Физик. Летт. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Superconducting Film дахь динамик гадаад хосын эвдрэлийн нөлөө. Физик. Илч Летт. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Хэт дамжуулагчийн фото өдөөгдсөн сайжруулалт. Appl. Физик. Летт. 60, 2159–2161 (1992).
Кудинов, VI нар. YBa2Cu3O6+x хальс дахь байнгын фото дамжуулагчийг металл болон хэт дамжуулагч фаз руу фотодопингийн арга болгон. Физик. Илч Б 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Шугаман бус торны динамик нь YBa2Cu3O6.5 дахь хэт дамжуулалтыг сайжруулах үндэс. Байгаль 516, 71–74 (2014).
Фаусти, Д. Туузан дараалсан купрат дахь гэрлийн өдөөгдсөн хэт дамжуулалт. Шинжлэх ухаан 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA, нарны элементийн VOC-ийн температурын функциональ хамаарал нь түүний үр ашгийн шинэ арга барилтай холбоотой. Давсгүйжүүлэх 209, 91–96 (2007).
Вернон, SM & Андерсон, WA Шоттки саадтай цахиурын нарны эсүүд дэх температурын нөлөө. Appl. Физик. Летт. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Ашиглалтын нөхцөлд полимер-фуллерен нарны зайн фотоволтайк төхөөрөмжийн параметрүүдийн температурын хамаарал. J. Appl. Физик. 90, 5343–5350 (2002).
Энэхүү ажлыг Хятадын Үндэсний Байгалийн Шинжлэх Ухааны Сан (Тэтгэлэг No60571063), БНХАУ-ын Хэнань мужийн Суурь судалгааны төслүүд (Тэтгэлэг No122300410231) дэмжин ажилласан.
FY цаасны текстийг бичсэн бөгөөд MYH YBCO керамик дээжийг бэлтгэсэн. FY болон MYH нар туршилт хийж, үр дүнд нь дүн шинжилгээ хийсэн. FGC төслийг удирдаж, өгөгдлийн шинжлэх ухааны тайлбарыг хийсэн. Бүх зохиогчид гар бичмэлийг хянаж үзсэн.
Энэхүү бүтээл нь Creative Commons Attribution 4.0 олон улсын лицензийн дагуу лицензтэй. Зээлийн мөрөнд өөрөөр заагаагүй бол энэ нийтлэл дэх зураг эсвэл бусад гуравдагч этгээдийн материалыг нийтлэлийн Creative Commons лицензэд оруулсан болно; Хэрэв тухайн материал Creative Commons лицензийн хүрээнд ороогүй бол хэрэглэгчид тухайн материалыг хуулбарлахын тулд лиценз эзэмшигчээс зөвшөөрөл авах шаардлагатай. Энэ лицензийн хуулбарыг үзэхийн тулд http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ зочилно уу.
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Хэт дамжуулагч YBa2Cu3O6.96 керамик дахь фотоволтайк эффектийн гарал үүсэл. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Сэтгэгдэл илгээснээр та манай Нөхцөл, Олон нийтийн удирдамжийг дагаж мөрдөхийг зөвшөөрч байна. Хэрэв та доромжилсон эсвэл манай нөхцөл эсвэл удирдамжид нийцэхгүй зүйл олж мэдвэл зохисгүй гэж тэмдэглэнэ үү.
Шуудангийн цаг: 2020 оны 4-р сарын 22