Bedankt voor uw bezoek aan nature.com. U gebruikt een browserversie met beperkte ondersteuning voor CSS. Voor de beste ervaring raden wij u aan een recentere browser te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om voortdurende ondersteuning te garanderen, geven we de site in de tussentijd weer zonder stijlen en JavaScript.
We rapporteren een opmerkelijk fotovoltaïsch effect in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K, geïnduceerd door blauwe laserverlichting, dat rechtstreeks verband houdt met de supergeleiding van YBCO en de YBCO-metaalelektrode-interface. Er is een omkering van de polariteit voor de nullastspanning Voc en de kortsluitstroom Isc wanneer YBCO een overgang ondergaat van supergeleidende naar resistieve toestand. We laten zien dat er een elektrische potentiaal bestaat over het grensvlak tussen supergeleider en normaal metaal, dat zorgt voor de scheidingskracht voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit interfacepotentiaal richt zich van YBCO naar de metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en schakelt naar de tegenovergestelde richting wanneer YBCO niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van de potentiaal kan gemakkelijk in verband worden gebracht met het nabijheidseffect op het grensvlak tussen metaal en supergeleider wanneer YBCO supergeleidend is en de waarde ervan wordt geschat op ~10–8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm2. Combinatie van een p-type materiaal YBCO in normale toestand met een n-type materiaal Ag-pasta vormt een quasi-pn-overgang die verantwoordelijk is voor het fotovoltaïsche gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. Onze bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor nieuwe toepassingen van foton-elektronische apparaten en verder licht werpen op het nabijheidseffect op het grensvlak tussen supergeleider en metaal.
Foto-geïnduceerde spanning in supergeleiders bij hoge temperaturen is begin jaren negentig gerapporteerd en sindsdien uitgebreid onderzocht, maar de aard en het mechanisme ervan blijven onzeker1,2,3,4,5. Vooral YBa2Cu3O7-δ (YBCO) dunne films6,7,8 worden intensief bestudeerd in de vorm van fotovoltaïsche (PV) cellen vanwege de instelbare energiekloof9,10,11,12,13. Een hoge weerstand van het substraat leidt echter altijd tot een lage conversie-efficiëntie van het apparaat en maskeert de primaire PV-eigenschappen van YBCO8. Hier rapporteren we een opmerkelijk fotovoltaïsch effect geïnduceerd door blauwe laser (λ = 450 nm) verlichting in YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramiek tussen 50 en 300 K (Tc ~ 90 K). We laten zien dat het PV-effect rechtstreeks verband houdt met de supergeleiding van YBCO en de aard van de YBCO-metaalelektrode-interface. Er is een omkering van de polariteit voor de nullastspanning Voc en de kortsluitstroom Isc wanneer YBCO een overgang ondergaat van een supergeleidende fase naar een resistieve toestand. Er wordt voorgesteld dat er een elektrische potentiaal bestaat over het grensvlak tussen supergeleider en normaal metaal, dat de scheidingskracht levert voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit interfacepotentiaal richt zich van YBCO naar de metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en schakelt naar de tegenovergestelde richting wanneer het monster niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van het potentieel kan op natuurlijke wijze geassocieerd zijn met het nabijheidseffect op het grensvlak van metaal en supergeleider wanneer YBCO supergeleidend is en de waarde ervan wordt geschat op ~10−8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW /cm2. Combinatie van een p-type materiaal YBCO in normale toestand met een n-type materiaal Ag-pasta vormt hoogstwaarschijnlijk een quasi-pn-overgang die verantwoordelijk is voor het PV-gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. Onze waarnemingen werpen verder licht op de oorsprong van het PV-effect in supergeleidende YBCO-keramiek bij hoge temperaturen en maken de weg vrij voor de toepassing ervan in opto-elektronische apparaten zoals snelle passieve lichtdetectoren enz.
Figuur 1a – c laat zien dat de IV-karakteristieken van het YBCO-keramische monster bij 50 K zijn. Zonder lichtverlichting blijft de spanning over het monster op nul bij veranderende stroom, zoals kan worden verwacht van een supergeleidend materiaal. Een duidelijk fotovoltaïsch effect treedt op wanneer de laserstraal op de kathode wordt gericht (figuur 1a): de IV-curven evenwijdig aan de I-as bewegen naar beneden met toenemende laserintensiteit. Het is duidelijk dat er zelfs zonder enige stroom een negatieve foto-geïnduceerde spanning bestaat (vaak nullastspanning Voc genoemd). De nulhelling van de IV-curve geeft aan dat het monster nog steeds supergeleidend is onder laserbelichting.
(a – c) en 300 K (e – g). Waarden van V(I) werden verkregen door de stroom in vacuüm van −10 mA naar +10 mA te brengen. Ter wille van de duidelijkheid wordt slechts een deel van de experimentele gegevens gepresenteerd. a, Stroom-spanningskarakteristieken van YBCO gemeten met laservlek gepositioneerd bij de kathode (i). Alle IV-curven zijn horizontale rechte lijnen, wat aangeeft dat het monster nog steeds supergeleidend is bij laserbestraling. De curve beweegt naar beneden met toenemende laserintensiteit, wat aangeeft dat er een negatieve potentiaal (Voc) bestaat tussen de twee spanningsleidingen, zelfs als er geen stroom is. De IV-curven blijven ongewijzigd wanneer de laser op het midden van het monster is gericht op ether 50 K (b) of 300 K (f). De horizontale lijn beweegt omhoog naarmate de anode wordt verlicht (c). Een schematisch model van de metaal-supergeleiderovergang bij 50 K wordt getoond in d. Stroom-spanningskarakteristieken van normale toestand YBCO bij 300 K gemeten met een laserstraal gericht op kathode en anode worden respectievelijk gegeven in e en g. In tegenstelling tot de resultaten bij 50 K geeft een niet-nul helling van de rechte lijnen aan dat YBCO zich in de normale toestand bevindt; de waarden van Voc variëren met de lichtintensiteit in een tegengestelde richting, wat wijst op een ander ladingsscheidingsmechanisme. Een mogelijke interfacestructuur bij 300 K wordt weergegeven in hj. De echte afbeelding van het monster met leads.
Zuurstofrijke YBCO in supergeleidende toestand kan bijna het volledige spectrum van zonlicht absorberen vanwege de zeer kleine energiekloof (Eg)9,10, waardoor elektron-gatparen ontstaan (e – h). Om een open circuitspanning Voc te produceren door absorptie van fotonen, is het noodzakelijk om foto-gegenereerde eh-paren ruimtelijk te scheiden voordat recombinatie plaatsvindt . De negatieve Voc, ten opzichte van de kathode en anode, zoals aangegeven in figuur 1i, suggereert dat er een elektrische potentiaal bestaat over het metaal-supergeleider-grensvlak, dat de elektronen naar de anode en gaten naar de kathode brengt. Als dit het geval is, zou er ook een potentiaal moeten zijn die van de supergeleider naar de metalen elektrode bij de anode wijst. Bijgevolg zou een positieve Voc worden verkregen als het monstergebied nabij de anode wordt verlicht. Bovendien mogen er geen foto-geïnduceerde spanningen zijn wanneer de laservlek op gebieden ver van de elektroden wordt gericht. Dit is zeker het geval, zoals blijkt uit figuur 1b,c!.
Wanneer de lichtvlek van de kathode-elektrode naar het midden van het monster beweegt (ongeveer 1,25 mm verwijderd van de grensvlakken), kan er geen variatie van IV-curven en geen Voc worden waargenomen bij toenemende laserintensiteit tot de maximaal beschikbare waarde (Fig. 1b) . Uiteraard kan dit resultaat worden toegeschreven aan de beperkte levensduur van foto-geïnduceerde dragers en het gebrek aan scheidingskracht in het monster. Elektronen-gatparen kunnen worden gecreëerd wanneer het monster wordt belicht, maar de meeste e-h-paren zullen worden vernietigd en er wordt geen fotovoltaïsch effect waargenomen als de laservlek op gebieden valt die ver weg zijn van een van de elektroden. Door de laservlek naar de anode-elektroden te verplaatsen, beweegt de IV-curve evenwijdig aan de I-as naar boven met toenemende laserintensiteit (Fig. 1c). Een soortgelijk ingebouwd elektrisch veld bestaat in de metaal-supergeleiderovergang bij de anode. De metalen elektrode wordt deze keer echter aangesloten op de positieve leiding van het testsysteem. De door de laser geproduceerde gaten worden naar de anodeleiding geduwd en zo wordt een positieve Voc waargenomen. De hier gepresenteerde resultaten leveren sterk bewijs dat er inderdaad een grensvlakpotentiaal bestaat dat van de supergeleider naar de metalen elektrode wijst.
Het fotovoltaïsche effect in YBa2Cu3O6.96-keramiek bij 300 K wordt getoond in figuur 1e – g. Zonder lichtverlichting is de IV-curve van het monster een rechte lijn die de oorsprong kruist. Deze rechte lijn beweegt parallel aan de oorspronkelijke lijn naar boven met toenemende laserintensiteit die op de kathodeleidingen wordt bestraald (Fig. 1e). Er zijn twee beperkende gevallen van belang voor een fotovoltaïsch apparaat. De kortsluitconditie treedt op wanneer V = 0. De stroom wordt in dit geval de kortsluitstroom (Isc) genoemd. Het tweede grensgeval is de open circuitconditie (Voc) die optreedt wanneer R → ∞ of de stroom nul is. Figuur 1e laat duidelijk zien dat Voc positief is en toeneemt met toenemende lichtintensiteit, in tegenstelling tot het resultaat verkregen bij 50 K; terwijl wordt waargenomen dat een negatieve Isc in omvang toeneemt bij lichtverlichting, een typisch gedrag van normale zonnecellen.
Op dezelfde manier, wanneer de laserstraal wordt gericht op gebieden ver weg van de elektroden, is de V(I)-curve onafhankelijk van de laserintensiteit en treedt er geen fotovoltaïsch effect op (Fig. 1f). Net als bij de meting bij 50 K bewegen de IV-curven in de tegenovergestelde richting wanneer de anode-elektrode wordt bestraald (Fig. 1g). Al deze resultaten verkregen voor dit YBCO-Ag-pastasysteem bij 300 K met laser bestraald op verschillende posities van het monster komen overeen met een grensvlakpotentieel dat tegengesteld is aan dat waargenomen bij 50 K.
De meeste elektronen condenseren in Cooper-paren in supergeleidende YBCO onder de overgangstemperatuur Tc. Terwijl ze zich in de metalen elektrode bevinden, blijven alle elektronen in enkelvoudige vorm. Er is een grote dichtheidsgradiënt voor zowel enkelvoudige elektronen als Cooper-paren in de buurt van het metaal-supergeleider-grensvlak. Enkelvoudige elektronen met meerderheidsdragers in metallisch materiaal zullen naar het supergeleidergebied diffunderen, terwijl Cooper-paren met meerderheidsdragers in het YBCO-gebied naar het metaalgebied zullen diffunderen. Terwijl Cooper-paren meer ladingen dragen en een grotere mobiliteit hebben dan enkelvoudige elektronen, van YBCO naar het metallische gebied diffunderen, blijven positief geladen atomen achter, wat resulteert in een elektrisch veld in het ruimteladingsgebied. De richting van dit elektrische veld wordt getoond in het schematische diagram figuur 1d. Invallende fotonenverlichting nabij het ruimteladingsgebied kan eh-paren creëren die worden gescheiden en weggevaagd, waardoor een fotostroom in de tegengestelde richting ontstaat. Zodra de elektronen het ingebouwde elektrische veld verlaten, worden ze in paren gecondenseerd en stromen ze zonder weerstand naar de andere elektrode. In dit geval is de Voc tegengesteld aan de vooraf ingestelde polariteit en geeft deze een negatieve waarde weer wanneer de laserstraal naar het gebied rond de negatieve elektrode wijst. Uit de waarde van Voc kan het potentieel over het grensvlak worden geschat: de afstand tussen de twee spanningsleidingen d is ~5 x 10−3 m, de dikte van het metaal-supergeleidergrensvlak di moet van dezelfde orde van grootte zijn als de coherentielengte van de YBCO-supergeleider (~ 1 nm) , neem dan de waarde van Voc = 0, 03 mV, de potentiële Vms op de metaal-supergeleiderinterface wordt geëvalueerd als ~ 10−11 V bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm2, met behulp van vergelijking:
We willen hier benadrukken dat de foto-geïnduceerde spanning niet kan worden verklaard door fotothermisch effect. Experimenteel is vastgesteld dat de Seebeck-coëfficiënt van supergeleider YBCO Ss = 021 is. De Seebeck-coëfficiënt voor koperen aansluitdraden ligt in het bereik van SCu = 0,34–1,15 μV/K3. De temperatuur van de koperdraad op de laserspot kan met een kleine hoeveelheid van 0,06 K worden verhoogd, waarbij de maximale laserintensiteit beschikbaar is bij 50 K. Dit zou een thermo-elektrisch potentieel van 6,9 x 10−8 V kunnen opleveren, wat drie ordesgrootte kleiner is dan de Voc verkregen in figuur 1 (a). Het is duidelijk dat het thermo-elektrisch effect te klein is om de experimentele resultaten te verklaren. In feite zou de temperatuurvariatie als gevolg van laserbestraling in minder dan één minuut verdwijnen, zodat de bijdrage van het thermische effect veilig kan worden genegeerd.
Dit fotovoltaïsche effect van YBCO bij kamertemperatuur laat zien dat hier een ander ladingsscheidingsmechanisme bij betrokken is. Supergeleidend YBCO is in normale toestand een p-type materiaal met gaten als ladingsdrager , terwijl metallische Ag-pasta kenmerken heeft van een n-type materiaal. Net als bij pn-overgangen zal de diffusie van elektronen in de zilverpasta en gaten in YBCO-keramiek een intern elektrisch veld vormen dat naar het YBCO-keramiek op het grensvlak wijst (Fig. 1h). Het is dit interne veld dat zorgt voor de scheidingskracht en leidt tot een positieve Voc en negatieve Isc voor het YBCO-Ag-pastasysteem bij kamertemperatuur, zoals weergegeven in figuur 1e. Als alternatief zou Ag-YBCO een p-type Schottky-overgang kunnen vormen die ook leidt tot een grensvlakpotentiaal met dezelfde polariteit als in het hierboven gepresenteerde model .
Om het gedetailleerde evolutieproces van de fotovoltaïsche eigenschappen tijdens de supergeleidende overgang van YBCO te onderzoeken, werden IV-curven van het monster bij 80 K gemeten met geselecteerde laserintensiteiten die oplichtten bij de kathode-elektrode (Fig. 2). Zonder laserbestraling blijft de spanning over het monster nul, ongeacht de stroom, wat de supergeleidende toestand van het monster bij 80 K aangeeft (Fig. 2a). Vergelijkbaar met de gegevens verkregen bij 50 K, bewegen IV-curven evenwijdig aan de I-as naar beneden met toenemende laserintensiteit totdat een kritische waarde Pc wordt bereikt. Boven deze kritische laserintensiteit (Pc) ondergaat de supergeleider een overgang van een supergeleidende fase naar een resistieve fase; de spanning begint te stijgen met de stroom als gevolg van het verschijnen van weerstand in de supergeleider. Als gevolg hiervan begint de IV-curve de I-as en de V-as te kruisen, wat in eerste instantie leidt tot een negatieve Voc en een positieve Isc. Nu lijkt het monster zich in een speciale staat te bevinden waarin de polariteit van Voc en Isc extreem gevoelig is voor de lichtintensiteit; met een zeer kleine toename van de lichtintensiteit wordt Isc omgezet van positief naar negatief en Voc van negatief naar positief, waarbij de oorsprong wordt gepasseerd (de hoge gevoeligheid van fotovoltaïsche eigenschappen, met name de waarde van Isc, voor lichtverlichting is duidelijker te zien in figuur 2). 2b). Bij de hoogste beschikbare laserintensiteit zijn de IV-curven bedoeld parallel aan elkaar te zijn, wat de normale toestand van het YBCO-monster aangeeft.
Het midden van de laservlek bevindt zich rond de kathode-elektroden (zie figuur 1i). a, IV-curven van YBCO bestraald met verschillende laserintensiteiten. b (boven), Laserintensiteitsafhankelijkheid van nullastspanning Voc en kortsluitstroom Isc. De Isc-waarden kunnen niet worden verkregen bij een lage lichtintensiteit (< 110 mW/cm2) omdat de IV-curven evenwijdig zijn aan de I-as wanneer het monster zich in supergeleidende toestand bevindt. b (onder), differentiële weerstand als functie van de laserintensiteit.
De laserintensiteitsafhankelijkheid van Voc en Isc bij 80 K wordt getoond in figuur 2b (boven). De fotovoltaïsche eigenschappen kunnen worden besproken in drie gebieden van lichtintensiteit. Het eerste gebied ligt tussen 0 en Pc, waarin YBCO supergeleidend is, Voc negatief is en afneemt (de absolute waarde neemt toe) met de lichtintensiteit en een minimum bereikt bij Pc. Het tweede gebied loopt van Pc naar een andere kritische intensiteit P0, waarin Voc toeneemt terwijl Isc afneemt met toenemende lichtintensiteit en beide nul bereiken op P0. Het derde gebied ligt boven P0 totdat de normale toestand van YBCO wordt bereikt. Hoewel zowel Voc als Isc op dezelfde manier variëren met de lichtintensiteit als in gebied 2, hebben ze een tegengestelde polariteit boven de kritische intensiteit P0. De betekenis van P0 ligt in het feit dat er geen fotovoltaïsch effect is en dat het ladingsscheidingsmechanisme op dit specifieke punt kwalitatief verandert. Het YBCO-monster wordt niet-supergeleidend in dit bereik van lichtintensiteit, maar de normale toestand moet nog worden bereikt.
Het is duidelijk dat de fotovoltaïsche kenmerken van het systeem nauw verband houden met de supergeleiding van YBCO en zijn supergeleidende overgang. De differentiële weerstand, dV / dI, van YBCO wordt getoond in figuur 2b (onder) als een functie van de laserintensiteit. Zoals eerder vermeld, is de ingebouwde elektrische potentiaal in de interface te wijten aan diffusiepunten van Cooper-paren van de supergeleider naar metaal. Net als bij 50 K wordt het fotovoltaïsche effect versterkt bij toenemende laserintensiteit van 0 tot Pc. Wanneer de laserintensiteit een waarde bereikt die iets boven Pc ligt, begint de IV-curve te kantelen en begint de weerstand van het monster te verschijnen, maar de polariteit van de grensvlakpotentiaal is nog niet veranderd. Het effect van optische excitatie op de supergeleiding is onderzocht in het zichtbare of nabij-IR-gebied. Hoewel het basisproces bestaat uit het opbreken van de Cooper-paren en het vernietigen van de supergeleiding25,26, kan in sommige gevallen de overgang naar de supergeleiding worden verbeterd27,28,29 en kunnen er zelfs nieuwe fasen van supergeleiding worden geïnduceerd30. De afwezigheid van supergeleiding bij Pc kan worden toegeschreven aan de foto-geïnduceerde paarbreuk. Op het punt PO wordt de potentiaal over het grensvlak nul, wat aangeeft dat de ladingsdichtheid aan beide zijden van het grensvlak hetzelfde niveau bereikt onder deze specifieke intensiteit van de lichtverlichting. Een verdere toename van de laserintensiteit heeft tot gevolg dat meer Cooper-paren worden vernietigd en dat YBCO geleidelijk wordt teruggetransformeerd naar een p-type materiaal. In plaats van diffusie van elektronen en Cooper-paren wordt het kenmerk van het grensvlak nu bepaald door elektronen- en gatendiffusie, wat leidt tot een omkering van de polariteit van het elektrische veld in het grensvlak en dientengevolge een positieve Voc (vergelijk figuur 1d, h). Bij een zeer hoge laserintensiteit verzadigt de differentiële weerstand van YBCO tot een waarde die overeenkomt met de normale toestand en zowel Voc als Isc hebben de neiging lineair te variëren met de laserintensiteit (Fig. 2b). Deze waarneming laat zien dat laserbestraling op YBCO in de normale toestand niet langer de soortelijke weerstand en het kenmerk van het supergeleider-metaalgrensvlak zal veranderen, maar alleen de concentratie van de elektron-gatparen zal verhogen.
Om het effect van de temperatuur op de fotovoltaïsche eigenschappen te onderzoeken, werd het metaal-supergeleidersysteem aan de kathode bestraald met een blauwe laser met een intensiteit van 502 mW/cm2. IV-curven verkregen bij geselecteerde temperaturen tussen 50 en 300 K worden gegeven in figuur 3a. Uit deze IV-curven kunnen vervolgens de nullastspanning Voc, de kortsluitstroom Isc en de differentiële weerstand worden verkregen en worden weergegeven in figuur 3b. Zonder lichtverlichting passeren alle IV-curven gemeten bij verschillende temperaturen de oorsprong zoals verwacht (inzet van figuur 3a). De IV-karakteristieken veranderen drastisch bij toenemende temperatuur wanneer het systeem wordt verlicht door een relatief sterke laserstraal (502 mW/cm2). Bij lage temperaturen zijn de IV-curven rechte lijnen evenwijdig aan de I-as met negatieve waarden van Voc. Deze curve beweegt naar boven met toenemende temperatuur en verandert geleidelijk in een lijn met een helling die niet nul is bij een kritische temperatuur Tcp (Fig. 3a (boven)). Het lijkt erop dat alle IV-karakteristieken rond een punt in het derde kwadrant draaien. Voc neemt toe van een negatieve waarde naar een positieve waarde, terwijl Isc afneemt van een positieve naar een negatieve waarde. Boven de oorspronkelijke supergeleidende overgangstemperatuur Tc van YBCO verandert de IV-curve nogal anders met de temperatuur (onderaan figuur 3a). Ten eerste verplaatst het rotatiecentrum van de IV-curven zich naar het eerste kwadrant. Ten tweede blijft Voc afnemen en neemt Isc toe met toenemende temperatuur (bovenaan figuur 3b). Ten derde neemt de helling van de IV-curven lineair toe met de temperatuur, resulterend in een positieve temperatuurweerstandscoëfficiënt voor YBCO (onderaan figuur 3b).
Temperatuurafhankelijkheid van fotovoltaïsche kenmerken voor YBCO-Ag-pastasysteem onder laserbelichting van 502 mW/cm2.
Het midden van de laservlek bevindt zich rond de kathode-elektroden (zie figuur 1i). a, IV-curven verkregen van 50 tot 90 K (boven) en van 100 tot 300 K (onder) met een temperatuurstijging van respectievelijk 5 K en 20 K. Inzet a toont IV-kenmerken bij verschillende temperaturen in het donker. Alle curven kruisen het oorsprongspunt. b, nullastspanning Voc en kortsluitstroom Isc (boven) en de differentiële weerstand, dV/dI, van YBCO (onder) als functie van de temperatuur. De supergeleidende overgangstemperatuur Tcp met nulweerstand wordt niet gegeven omdat deze te dicht bij Tc0 ligt.
Uit figuur 3b zijn drie kritische temperaturen te herkennen: Tcp, waarboven YBCO niet-supergeleidend wordt; Tc0, waarbij zowel Voc als Isc nul worden en Tc, de oorspronkelijke supergeleidende overgangstemperatuur van YBCO zonder laserbestraling. Beneden Tcp ~ 55 K bevindt de met laser bestraalde YBCO zich in supergeleidende toestand met een relatief hoge concentratie Cooper-paren. Het effect van laserbestraling is het verlagen van de supergeleidende overgangstemperatuur met nulweerstand van 89 K naar ~ 55 K (onderaan figuur 3b) door de concentratie van het Cooper-paar te verminderen naast het produceren van fotovoltaïsche spanning en stroom. Toenemende temperatuur breekt ook de Cooper-paren af, wat leidt tot een lager potentieel in het grensvlak. Bijgevolg zal de absolute waarde van Voc kleiner worden, hoewel dezelfde intensiteit van laserverlichting wordt toegepast. Het grensvlakpotentieel zal kleiner en kleiner worden naarmate de temperatuur verder stijgt en bereikt nul bij Tc0. Er is op dit speciale punt geen fotovoltaïsch effect omdat er geen intern veld is dat de foto-geïnduceerde elektron-gatparen van elkaar scheidt. Boven deze kritische temperatuur treedt een polariteitsomkering van de potentiaal op, aangezien de vrije ladingsdichtheid in Ag-pasta groter is dan die in YBCO, dat geleidelijk wordt teruggevoerd naar een p-type materiaal. Hier willen we benadrukken dat de polariteitsomkering van Voc en Isc onmiddellijk na de supergeleidende overgang met nulweerstand plaatsvindt, ongeacht de oorzaak van de overgang. Deze waarneming onthult voor het eerst duidelijk de correlatie tussen supergeleiding en de fotovoltaïsche effecten die verband houden met de metaal-supergeleider-grensvlakpotentiaal. De aard van dit potentieel op het grensvlak tussen supergeleider en normaal metaal is de afgelopen decennia een onderzoeksfocus geweest, maar er wachten nog veel vragen op een antwoord. Het meten van het fotovoltaïsche effect kan een effectieve methode blijken te zijn om de details (zoals de sterkte en polariteit enz.) van dit belangrijke potentieel te onderzoeken en zo licht te werpen op het supergeleidende nabijheidseffect bij hoge temperaturen.
Een verdere stijging van de temperatuur van Tc0 naar Tc leidt tot een kleinere concentratie Cooper-paren en een verbetering van het grensvlakpotentieel en dientengevolge een grotere Voc. Bij Tc wordt de concentratie van het Cooper-paar nul en bereikt het ingebouwde potentieel op het grensvlak een maximum, wat resulteert in maximale Voc en minimale Isc. De snelle toename van Voc en Isc (absolute waarde) in dit temperatuurbereik komt overeen met de supergeleidende overgang die wordt vergroot van ΔT ~ 3 K naar ~34 K door laserbestraling met een intensiteit van 502 mW / cm2 (Fig. 3b). In de normale toestanden boven Tc neemt de nullastspanning Voc af met de temperatuur (bovenkant van figuur 3b), vergelijkbaar met het lineaire gedrag van Voc voor normale zonnecellen op basis van pn-overgangen . Hoewel de veranderingssnelheid van Voc met de temperatuur (−dVoc/dT), die sterk afhangt van de laserintensiteit, veel kleiner is dan die van normale zonnecellen, heeft de temperatuurcoëfficiënt van Voc voor de YBCO-Ag-overgang dezelfde orde van grootte als die van van de zonnecellen. De lekstroom van een pn-overgang voor een normaal zonnecelapparaat neemt toe met toenemende temperatuur, wat leidt tot een afname van de Voc naarmate de temperatuur stijgt. De lineaire IV-curven die voor dit Ag-supergeleidersysteem worden waargenomen, maken het, ten eerste vanwege de zeer kleine interfacepotentiaal en ten tweede de back-to-back verbinding van de twee heterojuncties, moeilijk om de lekstroom te bepalen. Niettemin lijkt het zeer waarschijnlijk dat dezelfde temperatuurafhankelijkheid van de lekstroom verantwoordelijk is voor het Voc-gedrag dat in ons experiment is waargenomen. Volgens de definitie is Isc de stroom die nodig is om een negatieve spanning te produceren om Voc te compenseren, zodat de totale spanning nul is. Naarmate de temperatuur stijgt, wordt Voc kleiner, zodat er minder stroom nodig is om de negatieve spanning te produceren. Bovendien neemt de weerstand van YBCO lineair toe met de temperatuur boven Tc (onderaan figuur 3b), wat ook bijdraagt aan de kleinere absolute waarde van Isc bij hoge temperaturen.
Merk op dat de resultaten in figuren 2 en 3 worden verkregen door laserbestraling in het gebied rond kathode-elektroden. Metingen zijn ook herhaald met een laserspot gepositioneerd op de anode en vergelijkbare IV-karakteristieken en fotovoltaïsche eigenschappen zijn waargenomen, behalve dat de polariteit van Voc en Isc in dit geval is omgekeerd. Al deze gegevens leiden tot een mechanisme voor het fotovoltaïsche effect, dat nauw verwant is aan het grensvlak tussen supergeleider en metaal.
Samenvattend zijn de IV-karakteristieken van het met laser bestraalde supergeleidende YBCO-Ag-pastasysteem gemeten als functies van temperatuur en laserintensiteit. Er is een opmerkelijk fotovoltaïsch effect waargenomen in het temperatuurbereik van 50 tot 300 K. Er is gevonden dat de fotovoltaïsche eigenschappen sterk correleren met de supergeleiding van YBCO-keramiek. Een polariteitsomkering van Voc en Isc vindt plaats onmiddellijk na de foto-geïnduceerde supergeleidende naar niet-supergeleidende overgang. De temperatuurafhankelijkheid van Voc en Isc, gemeten bij een vaste laserintensiteit, vertoont ook een duidelijke polariteitsomkering bij een kritische temperatuur waarboven het monster resistief wordt. Door de laservlek op een ander deel van het monster te plaatsen, laten we zien dat er een elektrische potentiaal over het grensvlak bestaat, die de scheidingskracht levert voor de foto-geïnduceerde elektron-gatparen. Dit interfacepotentiaal richt zich van YBCO naar de metaalelektrode wanneer YBCO supergeleidend is en schakelt naar de tegenovergestelde richting wanneer het monster niet-supergeleidend wordt. De oorsprong van het potentieel kan op natuurlijke wijze verband houden met het nabijheidseffect op het metaal-supergeleider-grensvlak wanneer YBCO supergeleidend is en wordt geschat op ~10−8 mV bij 50 K met een laserintensiteit van 502 mW/cm2. Contact van een p-type materiaal YBCO in normale toestand met een n-type materiaal Ag-pasta vormt een quasi-pn-overgang die verantwoordelijk is voor het fotovoltaïsche gedrag van YBCO-keramiek bij hoge temperaturen. De bovenstaande waarnemingen werpen licht op het PV-effect in supergeleidende YBCO-keramiek op hoge temperatuur en maken de weg vrij voor nieuwe toepassingen in opto-elektronische apparaten zoals snelle passieve lichtdetectoren en enkele fotondetectoren.
De fotovoltaïsche effectexperimenten werden uitgevoerd op een YBCO-keramisch monster met een dikte van 0,52 mm en een rechthoekige vorm van 8,64 x 2,26 mm2 en verlicht door een continue golfblauwe laser (λ = 450 nm) met een laservlekgrootte van een straal van 1,25 mm. Door gebruik te maken van bulkmonsters in plaats van dunnefilmmonsters kunnen we de fotovoltaïsche eigenschappen van de supergeleider bestuderen zonder dat we te maken krijgen met de complexe invloed van het substraat6,7. Bovendien zou het bulkmateriaal bevorderlijk kunnen zijn vanwege de eenvoudige bereidingsprocedure en relatief lage kosten. De koperen aansluitdraden worden op het YBCO-monster samengevoegd met zilverpasta en vormen vier cirkelvormige elektroden met een diameter van ongeveer 1 mm. De afstand tussen de twee spanningselektroden bedraagt ongeveer 5 mm. IV-karakteristieken van het monster werden gemeten met behulp van de trillingsmonstermagnetometer (VersaLab, Quantum Design) met een kwartskristalvenster. Er werd een standaard vierdraadsmethode gebruikt om de IV-curven te verkrijgen. De relatieve posities van de elektroden en de laservlek worden getoond in figuur 1i.
Hoe dit artikel citeren: Yang, F. et al. Oorsprong van fotovoltaïsch effect in supergeleidende YBa2Cu3O6.96-keramiek. Wetenschap Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetrie-verboden laser-geïnduceerde spanningen in YBa2Cu3O7. Fys. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Oorsprong van het afwijkende fotovoltaïsche signaal in Y-Ba-Cu-O. Fys. B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Meting van lasergeïnduceerde spanningen van supergeleidende Bi-Sr-Ca-Cu-O. Fys. Rev. B 46, 5773-5776 (1992).
Tate, KL, et al. Transiënte lasergeïnduceerde spanningen in films op kamertemperatuur van YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Fys. 67, 4375-4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Afwijkende fotovoltaïsche respons in YBa2Cu3O7. Fys. Rev. B 46, 3692-3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogegenereerde gatendragerinjectie in YBa2Cu3O7−x in een oxide-heterostructuur. Appl. Fys. Let. 85, 2950-2952 (2004).
Asakura, D. et al. Foto-emissiestudie van dunne YBa2Cu3Oy-films onder lichte verlichting. Fys. Ds. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaïsch effect van YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunctie uitgegloeid in verschillende partiële zuurstofdrukken. Mater. Let. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Structuur met twee gaten in Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkele kristallen. J. Supercond. 7, 361-365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Quasideeltjes-relaxatiedynamica in supergeleiders met verschillende gap-structuren: theorie en experimenten op YBa2Cu3O7-δ. Fys. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Rectificerende eigenschappen van de YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunctie. Appl. Fys. Let. 87, 222501 (2005).
Kamaras, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Excitonische absorptie en supergeleiding in YBa2Cu3O7-δ. Fys. Ds. Lett. 59, 919-922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transiënte foto-geïnduceerde geleidbaarheid in halfgeleidende enkele kristallen van YBa2Cu3O6.3: zoeken naar foto-geïnduceerde metallische toestand en naar foto-geïnduceerde supergeleiding. Solid-state gemeenschap. 72, 345-349 (1989).
McMillan, WL Tunnelmodel van het supergeleidende nabijheidseffect. Fys. 175, 537-542 (1968).
Guéron, S. et al. Supergeleidend nabijheidseffect onderzocht op een mesoscopische lengteschaal. Fys. Ds. Lett. 77, 3025-3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Nabijheidseffect met niet-centrosymmetrische supergeleiders. Fys. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Sterk supergeleidend nabijheidseffect in Pb-Bi2Te3 hybride structuren. Wetenschap Rep.2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Een nieuwe silicium pn-junctiefotocel voor het omzetten van zonnestraling in elektrische energie. J. App. Fys. 25, 676-677 (1954).
Tomimoto, K. Onzuiverheidseffecten op de supergeleidende coherentielengte in Zn- of Ni-gedoteerde YBa2Cu3O6.9-eenkristallen. Fys. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoweerstand van niet-verbonden YBa2Cu3Oy-eenkristallen in een breed scala aan doping: abnormale gat-doteringsafhankelijkheid van de coherentielengte. Fys. Ds. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematiek in de thermo-elektrische kracht van hoge-T-oxiden. Fys. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Dragerdichtheidsafhankelijke momentumverschuiving van de coherente piek en de LO-fononmodus in p-type hoge Tc-supergeleiders. Fys. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Gatenreductie en elektronenaccumulatie in YBa2Cu3Oy dunne films met behulp van een elektrochemische techniek: bewijs voor een n-type metallische toestand. Fys. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT De natuurkunde en scheikunde van de hoogte van de Schottky-barrière. Appl. Fys. Let. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effecten van dynamische externe paarbreuk in supergeleidende films. Fys. Ds. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Foto-geïnduceerde verbetering van supergeleiding. Appl. Fys. Let. 60, 2159-2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Persistente fotogeleiding in YBa2Cu3O6+x-films als methode voor fotodotering naar metallische en supergeleidende fasen. Fys. B 14, 9017-9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Niet-lineaire roosterdynamiek als basis voor verbeterde supergeleiding in YBa2Cu3O6.5. Natuur 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Door licht geïnduceerde supergeleiding in een streepgeordend cupraat. Wetenschap 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA De temperatuur-functionele afhankelijkheid van VOC voor een zonnecel in relatie tot zijn nieuwe efficiëntiebenadering. Ontzilting 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatuureffecten in siliciumzonnecellen met Schottky-barrière. Appl. Fys. Let. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperatuurafhankelijkheid voor de fotovoltaïsche apparaatparameters van polymeer-fullereen zonnecellen onder bedrijfsomstandigheden. J. Appl. Fys. 90, 5343-5350 (2002).
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60571063), de Fundamentele Onderzoeksprojecten van de provincie Henan, China (Grant No. 122300410231).
FY schreef de tekst van het artikel en MYH bereidde het YBCO-keramische monster voor. FY en MYH voerden het experiment uit en analyseerden de resultaten. FGC leidde het project en de wetenschappelijke interpretatie van de gegevens. Alle auteurs hebben het manuscript beoordeeld.
Dit werk valt onder een Creative Commons Attribution 4.0 International-licentie. De afbeeldingen of ander materiaal van derden in dit artikel zijn opgenomen in de Creative Commons-licentie van het artikel, tenzij anders aangegeven in de creditregel; als het materiaal niet onder de Creative Commons-licentie valt, moeten gebruikers toestemming krijgen van de licentiehouder om het materiaal te reproduceren. Om een kopie van deze licentie te bekijken, gaat u naar http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Oorsprong van fotovoltaïsch effect in supergeleidende YBa2Cu3O6.96-keramiek. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Door een reactie in te dienen, gaat u ermee akkoord dat u zich aan onze voorwaarden en communityrichtlijnen houdt. Als u iets beledigend vindt of dat niet voldoet aan onze voorwaarden of richtlijnen, markeer dit dan als ongepast.
Posttijd: 22 april 2020