Takk for at du besøker nature.com. Du bruker en nettleserversjon med begrenset støtte for CSS. For å få den beste opplevelsen anbefaler vi at du bruker en mer oppdatert nettleser (eller slår av kompatibilitetsmodus i Internet Explorer). I mellomtiden, for å sikre fortsatt støtte, viser vi nettstedet uten stiler og JavaScript.
Vi rapporterer bemerkelsesverdig fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikk mellom 50 og 300 K indusert av blålaserbelysning, som er direkte relatert til superledningsevnen til YBCO og YBCO-metallisk elektrodegrensesnitt. Det er en polaritetsreversering for åpen kretsspenning Voc og kortslutningsstrøm Isc når YBCO gjennomgår en overgang fra superledende til resistiv tilstand. Vi viser at det eksisterer et elektrisk potensial over superleder-normal metall-grensesnitt, som gir separasjonskraften for de fotoinduserte elektron-hull-parene. Dette grensesnittpotensialet leder fra YBCO til metallelektroden når YBCO er superledende og bytter til motsatt retning når YBCO blir ikke-superledende. Opprinnelsen til potensialet kan lett assosieres med nærhetseffekten ved metall-superledergrensesnitt når YBCO er superledende og verdien er estimert til å være ~10–8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kombinasjon av et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner et kvasi-pn-kryss som er ansvarlig for den fotovoltaiske oppførselen til YBCO-keramikk ved høye temperaturer. Funnene våre kan bane vei for nye anvendelser av foton-elektroniske enheter og kaste ytterligere lys over nærhetseffekten ved superleder-metall-grensesnittet.
Fotoindusert spenning i høytemperatursuperledere har blitt rapportert på begynnelsen av 1990-tallet og grundig undersøkt siden den gang, men dens natur og mekanisme forblir uavklart1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-δ (YBCO) tynne filmer6,7,8, spesielt, blir intensivt studert i form av fotovoltaiske (PV) celler på grunn av dens justerbare energigap9,10,11,12,13. Høy motstand av underlaget fører imidlertid alltid til lav konverteringseffektivitet for enheten og maskerer de primære PV-egenskapene til YBCO8. Her rapporterer vi bemerkelsesverdig fotovoltaisk effekt indusert av blålaser (λ = 450 nm) belysning i YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikk mellom 50 og 300 K (Tc ~ 90 K). Vi viser at PV-effekten er direkte relatert til superledningsevnen til YBCO og naturen til YBCO-metallisk elektrodegrensesnitt. Det er en polaritetsreversering for åpen kretsspenning Voc og kortslutningsstrøm Isc når YBCO gjennomgår en overgang fra superledende fase til en resistiv tilstand. Det foreslås at det eksisterer et elektrisk potensial over superleder-normal metall-grensesnittet, som gir separasjonskraften for de fotoinduserte elektron-hull-parene. Dette grensesnittpotensialet leder fra YBCO til metallelektroden når YBCO er superledende og bytter til motsatt retning når prøven blir ikke-superledende. Opprinnelsen til potensialet kan være naturlig assosiert med nærhetseffekten14,15,16,17 ved metall-superledergrensesnitt når YBCO er superledende og verdien er estimert til ~10−8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW /cm2. Kombinasjon av et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner, mest sannsynlig, et kvasi-pn-kryss som er ansvarlig for PV-oppførselen til YBCO-keramikk ved høye temperaturer. Våre observasjoner kaster ytterligere lys over opprinnelsen til PV-effekt i høytemperatursuperledende YBCO-keramikk og baner vei for dens anvendelse i optoelektroniske enheter som rask passiv lysdetektor etc.
Figur 1a–c viser at IV-karakteristikkene til YBCO keramisk prøve ved 50 K. Uten lysbelysning forblir spenningen over prøven på null med skiftende strøm, som kan forventes fra et superledende materiale. En åpenbar fotovoltaisk effekt vises når laserstrålen rettes mot katoden (fig. 1a): IV-kurvene parallelt med I-aksen beveger seg nedover med økende laserintensitet. Det er tydelig at det er en negativ fotoindusert spenning selv uten strøm (ofte kalt åpen kretsspenning Voc). Nullhellingen til IV-kurven indikerer at prøven fortsatt er superledende under laserbelysning.
(a–c) og 300 K (e–g). Verdier av V(I) ble oppnådd ved å sveipe strømmen fra -10 mA til +10 mA i vakuum. Bare deler av eksperimentelle data er presentert for klarhetens skyld. a, Strømspenningsegenskaper til YBCO målt med laserpunkt plassert ved katoden (i). Alle IV-kurvene er horisontale rette linjer som indikerer at prøven fortsatt er superledende med laserbestråling. Kurven beveger seg nedover med økende laserintensitet, noe som indikerer at det eksisterer et negativt potensial (Voc) mellom de to spenningsledningene selv med null strøm. IV-kurvene forblir uendret når laseren er rettet mot midten av prøven ved eter 50 K (b) eller 300 K (f). Den horisontale linjen beveger seg oppover når anoden lyser opp (c). En skjematisk modell av metall-superlederforbindelse ved 50 K er vist i d. Strømspenningskarakteristikk for normaltilstand YBCO ved 300 K målt med laserstråle rettet mot katode og anode er gitt i henholdsvis e og g. I motsetning til resultatene ved 50 K, indikerer helling som ikke er null på de rette linjene at YBCO er i normal tilstand; verdiene til Voc varierer med lysintensiteten i motsatt retning, noe som indikerer en annen ladningsseparasjonsmekanisme. En mulig grensesnittstruktur ved 300 K er avbildet i hj Det virkelige bildet av prøven med avledninger.
Oksygenrik YBCO i superledende tilstand kan absorbere nesten hele spekteret av sollys på grunn av dets svært lille energigap (Eg)9,10, og derved skape elektron-hull-par (e–h). For å produsere en åpen kretsspenning Voc ved absorpsjon av fotoner, er det nødvendig å romlig separere fotogenererte eh-par før rekombinasjon skjer18. Den negative Voc, i forhold til katoden og anoden som indikert i fig. 1i, antyder at det eksisterer et elektrisk potensial over metall-superleder-grensesnittet, som sveiper elektronene til anoden og hull til katoden. Hvis dette er tilfelle, bør det også være et potensial som peker fra superleder til metallelektroden ved anoden. Følgelig vil en positiv Voc bli oppnådd hvis prøveområdet nær anoden er opplyst. Videre bør det ikke være fotoinduserte spenninger når laserpunktet peker mot områder langt fra elektrodene. Det er absolutt tilfellet som det fremgår av fig. 1b,c!.
Når lysflekken beveger seg fra katodeelektroden til midten av prøven (ca. 1,25 mm fra hverandre fra grensesnittene), kan ingen variasjon av IV-kurver og ingen Voc observeres med økende laserintensitet til den maksimale tilgjengelige verdien (fig. 1b). . Naturligvis kan dette resultatet tilskrives den begrensede levetiden til fotoinduserte bærere og mangelen på separasjonskraft i prøven. Elektron-hull-par kan opprettes når prøven er belyst, men de fleste av e–h-parene vil bli tilintetgjort og ingen fotovoltaisk effekt observeres hvis laserflekken faller på områder langt unna noen av elektrodene. Når laserpunktet flyttes til anodeelektrodene, beveger IV-kurvene parallelt med I-aksen seg oppover med økende laserintensitet (fig. 1c). Lignende innebygd elektrisk felt eksisterer i metall-superlederforbindelsen ved anoden. Imidlertid kobles den metalliske elektroden til den positive ledningen til testsystemet denne gangen. Hullene som produseres av laseren skyves til anodeledningen og dermed observeres en positiv Voc. Resultatene presentert her gir sterke bevis på at det faktisk eksisterer et grensesnittpotensial som peker fra superlederen til metallelektroden.
Fotovoltaisk effekt i YBa2Cu3O6.96 keramikk ved 300 K er vist i fig. 1e–g. Uten lysbelysning er IV-kurven til prøven en rett linje som krysser origo. Denne rette linjen beveger seg oppover parallelt med den opprinnelige med økende laserintensitet som bestråles ved katodeledningene (fig. 1e). Det er to begrensende tilfeller av interesse for en fotovoltaisk enhet. Kortslutningstilstanden oppstår når V = 0. Strømmen omtales i dette tilfellet som kortslutningsstrømmen (Isc). Det andre begrensningstilfellet er åpen kretstilstand (Voc) som oppstår når R→∞ eller strømmen er null. Figur 1e viser tydelig at Voc er positiv og øker med økende lysintensitet, i motsetning til resultatet oppnådd ved 50 K; mens en negativ Isc er observert å øke i styrke med lysbelysning, en typisk oppførsel for normale solceller.
Tilsvarende, når laserstrålen er rettet mot områder langt unna elektrodene, er V(I)-kurven uavhengig av laserintensiteten og det er ingen fotovoltaisk effekt (fig. 1f). I likhet med målingen ved 50 K, beveger IV-kurvene seg i motsatt retning når anodeelektroden bestråles (fig. 1g). Alle disse resultatene oppnådd for dette YBCO-Ag-pastasystemet ved 300 K med laser bestrålt ved forskjellige posisjoner av prøven, stemmer overens med et grensesnittpotensiale motsatt det som ble observert ved 50 K.
De fleste elektroner kondenserer i Cooper-par i superledende YBCO under overgangstemperaturen Tc. Mens de er i metallelektroden, forblir alle elektronene i entallsform. Det er en stor tetthetsgradient for både entallselektroner og Cooper-par i nærheten av metall-superledergrensesnittet. Majoritetsbærer-singulære elektroner i metallisk materiale vil diffundere inn i superlederområdet, mens majoritetsbærer-Cooper-par i YBCO-området vil diffundere inn i metallområdet. Ettersom Cooper-par som bærer flere ladninger og har større mobilitet enn enkeltelektroner diffunderer fra YBCO til metallområdet, blir positivt ladede atomer igjen, noe som resulterer i et elektrisk felt i romladningsområdet. Retningen til dette elektriske feltet er vist i det skjematiske diagrammet Fig. Id. Innfallende fotonbelysning nær romladningsregionen kan skape eh-par som vil bli separert og sveipet ut og produsere en fotostrøm i motsatt retning. Så snart elektronene kommer ut av det innebygde elektriske feltet, kondenseres de i par og strømmer til den andre elektroden uten motstand. I dette tilfellet er Voc motsatt av den forhåndsinnstilte polariteten og viser en negativ verdi når laserstrålen peker mot området rundt den negative elektroden. Fra verdien av Voc kan potensialet over grensesnittet estimeres: avstanden mellom de to spenningsledningene d er ~5 × 10−3 m, tykkelsen på metall-superledergrensesnittet, di, bør være i samme størrelsesorden som koherenslengden til YBCO-superleder (~1 nm)19,20, ta verdien av Voc = 0,03 mV, potensialet Vms ved metall-superleder-grensesnitt er evaluert til å være ~10−11 V ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2, ved å bruke ligning,
Vi vil her understreke at den fotoinduserte spenningen ikke kan forklares med fototermisk effekt. Det er eksperimentelt fastslått at Seebeck-koeffisienten til superleder YBCO er Ss = 021. Seebeck-koeffisienten for kobberledninger er i området SCu = 0,34–1,15 μV/K3. Temperaturen på kobbertråden ved laserpunktet kan økes med en liten mengde på 0,06 K med maksimal laserintensitet tilgjengelig ved 50 K. Dette kan produsere et termoelektrisk potensial på 6,9 × 10−8 V som er tre størrelsesordener mindre enn Voc oppnådd i fig. 1 (a). Det er tydelig at termoelektrisk effekt er for liten til å forklare de eksperimentelle resultatene. Faktisk ville temperaturvariasjonen på grunn av laserbestråling forsvinne på mindre enn ett minutt, slik at bidraget fra termisk effekt trygt kan ignoreres.
Denne fotovoltaiske effekten av YBCO ved romtemperatur avslører at en annen ladningsseparasjonsmekanisme er involvert her. Superledende YBCO i normaltilstand er et p-type materiale med hull som ladningsbærer22,23, mens metallisk Ag-pasta har egenskaper av et n-type materiale. I likhet med pn-kryss vil diffusjonen av elektroner i sølvpastaen og hull i YBCO-keramikk danne et internt elektrisk felt som peker mot YBCO-keramikken ved grensesnittet (fig. 1h). Det er dette indre feltet som gir separasjonskraften og fører til en positiv Voc og negativ Isc for YBCO-Ag-pastasystemet ved romtemperatur, som vist i fig. 1e. Alternativt kan Ag-YBCO danne et Schottky-kryss av p-type som også fører til et grensesnittpotensial med samme polaritet som i modellen presentert ovenfor24.
For å undersøke den detaljerte utviklingsprosessen av de fotovoltaiske egenskapene under superledende overgang av YBCO, ble IV-kurver av prøven ved 80 K målt med utvalgte laserintensiteter som belyste ved katodeelektroden (fig. 2). Uten laserbestråling holder spenningen over prøven på null uavhengig av strøm, noe som indikerer den superledende tilstanden til prøven ved 80 K (fig. 2a). I likhet med dataene oppnådd ved 50 K, beveger IV-kurver parallelt med I-aksen seg nedover med økende laserintensitet inntil en kritisk verdi Pc er nådd. Over denne kritiske laserintensiteten (Pc) gjennomgår superlederen en overgang fra en superledende fase til en resistiv fase; spenningen begynner å øke med strømmen på grunn av motstanden i superlederen. Som et resultat begynner IV-kurven å krysse I-aksen og V-aksen, noe som fører til en negativ Voc og en positiv Isc først. Nå ser prøven ut til å være i en spesiell tilstand der polariteten til Voc og Isc er ekstremt følsom for lysintensitet; med svært liten økning i lysintensiteten konverteres Isc fra positiv til negativ og Voc fra negativ til positiv verdi, og passerer opprinnelsen (den høye følsomheten til fotovoltaiske egenskaper, spesielt verdien av Isc, for lysbelysning kan sees tydeligere i fig. 2b). Ved den høyeste tilgjengelige laserintensiteten har IV-kurvene til hensikt å være parallelle med hverandre, noe som indikerer normaltilstanden til YBCO-prøven.
Laserpunktsenteret er plassert rundt katodeelektrodene (se fig. 1i). a, IV-kurver av YBCO bestrålt med forskjellige laserintensiteter. b (øverst), Laserintensitetsavhengighet av åpen kretsspenning Voc og kortslutningsstrøm Isc. Isc-verdiene kan ikke oppnås ved lav lysintensitet (< 110 mW/cm2) fordi IV-kurvene er parallelle med I-aksen når prøven er i superledende tilstand. b (nederst), differensiell motstand som funksjon av laserintensitet.
Laserintensitetsavhengigheten til Voc og Isc ved 80 K er vist i fig. 2b (øverst). De fotovoltaiske egenskapene kan diskuteres i tre områder med lysintensitet. Den første regionen er mellom 0 og Pc, der YBCO er superledende, Voc er negativ og avtar (absolutt verdi øker) med lysintensiteten og når et minimum ved Pc. Den andre regionen er fra Pc til en annen kritisk intensitet P0, der Voc øker mens Isc avtar med økende lysintensitet og begge når null ved P0. Den tredje regionen er over P0 til normal tilstand for YBCO er nådd. Selv om både Voc og Isc varierer med lysintensiteten på samme måte som i region 2, har de motsatt polaritet over den kritiske intensiteten P0. Betydningen av P0 ligger i at det ikke er noen fotovoltaisk effekt og ladningsseparasjonsmekanismen endres kvalitativt på dette bestemte punktet. YBCO-prøven blir ikke-superledende i dette området av lysintensitet, men den normale tilstanden er ennå ikke nådd.
Det er klart at de fotovoltaiske egenskapene til systemet er nært knyttet til superledningsevnen til YBCO og dens superledende overgang. Differensialmotstanden, dV/dI, til YBCO er vist i fig. 2b (nederst) som en funksjon av laserintensiteten. Som nevnt før, det innebygde elektriske potensialet i grensesnittet på grunn av Cooper paret diffusjonspunkter fra superlederen til metall. I likhet med det som ble observert ved 50 K, forsterkes fotovoltaisk effekt med økende laserintensitet fra 0 til Pc. Når laserintensiteten når en verdi litt over Pc, begynner IV-kurven å vippe og motstanden til prøven begynner å vises, men polariteten til grensesnittpotensialet er ikke endret ennå. Effekten av optisk eksitasjon på superledningsevnen har blitt undersøkt i det synlige eller nær-IR-området. Mens den grunnleggende prosessen er å bryte opp Cooper-parene og ødelegge superledningsevnen25,26, kan i noen tilfeller superledningsovergang forbedres27,28,29, nye faser av superledning kan til og med induseres30. Fraværet av superledning ved Pc kan tilskrives det fotoinduserte parbruddet. Ved punktet P0 blir potensialet over grensesnittet null, noe som indikerer at ladningstettheten på begge sider av grensesnittet når samme nivå under denne spesielle lysintensiteten. Ytterligere økning i laserintensitet resulterer i at flere Cooper-par blir ødelagt og YBCO blir gradvis transformert tilbake til et p-type materiale. I stedet for elektron- og Cooper-pardiffusjon, bestemmes nå grensesnittets trekk ved elektron- og hulldiffusjon som fører til en polaritetsreversering av det elektriske feltet i grensesnittet og følgelig en positiv Voc (sammenlign Fig.1d,h). Ved svært høy laserintensitet metter differensialmotstanden til YBCO til en verdi som tilsvarer normaltilstanden, og både Voc og Isc har en tendens til å variere lineært med laserintensiteten (fig. 2b). Denne observasjonen avslører at laserbestråling på normaltilstand YBCO ikke lenger vil endre dens resistivitet og egenskapen til superleder-metall-grensesnittet, men bare øke konsentrasjonen av elektron-hull-parene.
For å undersøke effekten av temperatur på de fotovoltaiske egenskapene, ble metall-superledersystemet bestrålt ved katoden med blå laser med intensitet 502 mW/cm2. IV-kurver oppnådd ved utvalgte temperaturer mellom 50 og 300 K er gitt i fig. 3a. Åpenkretsspenningen Voc, kortslutningsstrømmen Isc og differensialmotstanden kan da oppnås fra disse IV-kurvene og er vist i fig. 3b. Uten lysbelysning passerer alle IV-kurvene målt ved forskjellige temperaturer origo som forventet (innfelt i fig. 3a). IV-karakteristikkene endres drastisk med økende temperatur når systemet er opplyst av en relativt sterk laserstråle (502 mW/cm2). Ved lave temperaturer er IV-kurvene rette linjer parallelle med I-aksen med negative verdier av Voc. Denne kurven beveger seg oppover med økende temperatur og går gradvis over til en linje med en helning som ikke er null ved en kritisk temperatur Tcp (fig. 3a (øverst)). Det ser ut til at alle IV-karakteristiske kurver roterer rundt et punkt i tredje kvadrant. Voc øker fra en negativ verdi til en positiv mens Isc reduseres fra en positiv til en negativ verdi. Over den opprinnelige superledende overgangstemperaturen Tc til YBCO, endres IV-kurven ganske annerledes med temperaturen (nederst i fig. 3a). For det første flyttes rotasjonssenteret til IV-kurvene til første kvadrant. For det andre fortsetter Voc å synke og Isc øker med økende temperatur (øverst på fig. 3b). For det tredje øker helningen til IV-kurvene lineært med temperaturen, noe som resulterer i en positiv temperaturkoeffisient for motstand for YBCO (nederst i fig. 3b).
Temperaturavhengighet av fotovoltaiske egenskaper for YBCO-Ag-pastasystem under 502 mW/cm2 laserbelysning.
Laserpunktsenteret er plassert rundt katodeelektrodene (se fig. 1i). a, IV-kurver oppnådd fra 50 til 90 K (øverst) og fra 100 til 300 K (bunn) med en temperaturøkning på henholdsvis 5 K og 20 K. Innsatt a viser IV-karakteristikker ved flere temperaturer i mørke. Alle kurvene krysser opprinnelsespunktet. b, åpen kretsspenning Voc og kortslutningsstrøm Isc (øverst) og differensialmotstanden, dV/dI, til YBCO (nederst) som funksjon av temperatur. Null motstand superledende overgangstemperatur Tcp er ikke gitt fordi den er for nær Tc0.
Tre kritiske temperaturer kan gjenkjennes fra fig. 3b: Tcp, over hvilken YBCO blir ikke-superledende; Tc0, hvor både Voc og Isc blir null og Tc, den opprinnelige superledende overgangstemperaturen til YBCO uten laserbestråling. Under Tcp ~ 55 K er den laserbestrålte YBCO i superledende tilstand med relativt høy konsentrasjon av Cooper-par. Effekten av laserbestråling er å redusere null motstands superledende overgangstemperatur fra 89 K til ~55 K (nederst i fig. 3b) ved å redusere Cooper-parkonsentrasjonen i tillegg til å produsere fotovoltaisk spenning og strøm. Økende temperatur bryter også ned Cooper-parene, noe som fører til et lavere potensial i grensesnittet. Følgelig vil den absolutte verdien av Voc bli mindre, selv om samme intensitet av laserbelysning brukes. Grensesnittpotensialet vil bli mindre og mindre med ytterligere temperaturøkning og når null ved Tc0. Det er ingen fotovoltaisk effekt på dette spesielle punktet fordi det ikke er noe indre felt for å skille de fotoinduserte elektron-hull-parene. En polaritetsreversering av potensialet skjer over denne kritiske temperaturen ettersom den frie ladningstettheten i Ag-pasta er større enn den i YBCO som gradvis overføres tilbake til et p-type materiale. Her vil vi understreke at polaritetsreverseringen av Voc og Isc skjer umiddelbart etter null motstand superledende overgang, uavhengig av årsaken til overgangen. Denne observasjonen avslører klart, for første gang, korrelasjonen mellom superledning og de fotovoltaiske effektene assosiert med metall-superledergrensesnittpotensialet. Naturen til dette potensialet på tvers av superleder-normal metallgrensesnitt har vært et forskningsfokus de siste tiårene, men det er mange spørsmål som fortsatt venter på å bli besvart. Måling av den fotovoltaiske effekten kan vise seg å være en effektiv metode for å utforske detaljene (som styrken og polariteten osv.) til dette viktige potensialet og dermed kaste lys over den høytemperatursupraledende nærhetseffekten.
Ytterligere økning i temperatur fra Tc0 til Tc fører til en mindre konsentrasjon av Cooper-par og en forbedring i grensesnittpotensialet og følgelig større Voc. Ved Tc blir Cooper-parkonsentrasjonen null og det innebygde potensialet ved grensesnittet når et maksimum, noe som resulterer i maksimal Voc og minimum Isc. Den raske økningen av Voc og Isc (absolutt verdi) i dette temperaturområdet tilsvarer den superledende overgangen som utvides fra ΔT ~ 3 K til ~34 K ved laserbestråling med intensitet 502 mW/cm2 (fig. 3b). I normaltilstandene over Tc avtar åpen kretsspenningen Voc med temperaturen (øverst på fig. 3b), lik den lineære oppførselen til Voc for normale solceller basert på pn-kryss31,32,33. Selv om endringshastigheten til Voc med temperatur (−dVoc/dT), som avhenger sterkt av laserintensiteten, er mye mindre enn for vanlige solceller, har temperaturkoeffisienten til Voc for YBCO-Ag-krysset samme størrelsesorden som den av solcellene. Lekkasjestrømmen til et pn-kryss for en vanlig solcelleenhet øker med økende temperatur, noe som fører til en nedgang i Voc når temperaturen øker. De lineære IV-kurvene som er observert for dette Ag-superledersystemet, på grunn av for det første det svært lille grensesnittpotensialet og for det andre rygg-til-rygg-forbindelsen av de to heterokryssene, gjør det vanskelig å bestemme lekkasjestrømmen. Likevel er det svært sannsynlig at den samme temperaturavhengigheten av lekkasjestrøm er ansvarlig for Voc-oppførselen observert i vårt eksperiment. I følge definisjonen er Isc strømmen som trengs for å produsere en negativ spenning for å kompensere Voc slik at den totale spenningen er null. Når temperaturen øker, blir Voc mindre slik at det trengs mindre strøm for å produsere den negative spenningen. Videre øker motstanden til YBCO lineært med temperatur over Tc (nederst i fig. 3b), noe som også bidrar til den mindre absolutte verdien av Isc ved høye temperaturer.
Legg merke til at resultatene gitt i fig. 2,3 oppnås ved laserbestråling i området rundt katodeelektrodene. Målinger har også blitt gjentatt med laserpunkt plassert ved anode og lignende IV-karakteristikker og fotovoltaiske egenskaper er observert bortsett fra at polariteten til Voc og Isc har blitt reversert i dette tilfellet. Alle disse dataene fører til en mekanisme for den fotovoltaiske effekten, som er nært knyttet til superleder-metall-grensesnittet.
Oppsummert har IV-karakteristikkene til laserbestrålt superledende YBCO-Ag-pastasystem blitt målt som funksjoner av temperatur og laserintensitet. Bemerkelsesverdig fotovoltaisk effekt har blitt observert i temperaturområdet fra 50 til 300 K. Det er funnet at de fotovoltaiske egenskapene korrelerer sterkt med superledningsevnen til YBCO-keramikk. En polaritetsreversering av Voc og Isc skjer umiddelbart etter den fotoinduserte overgangen fra superledende til ikke-superledende. Temperaturavhengighet av Voc og Isc målt ved fast laserintensitet viser også en distinkt polaritetsreversering ved en kritisk temperatur over hvilken prøven blir resistiv. Ved å lokalisere laserpunktet til en annen del av prøven, viser vi at det eksisterer et elektrisk potensial over grensesnittet, som gir separasjonskraften for de fotoinduserte elektron-hull-parene. Dette grensesnittpotensialet leder fra YBCO til metallelektroden når YBCO er superledende og bytter til motsatt retning når prøven blir ikke-superledende. Opprinnelsen til potensialet kan være naturlig assosiert med nærhetseffekten ved metall-superledergrensesnitt når YBCO er superledende og er estimert til å være ~10−8 mV ved 50 K med en laserintensitet på 502 mW/cm2. Kontakt av et p-type materiale YBCO i normal tilstand med et n-type materiale Ag-pasta danner et kvasi-pn-kryss som er ansvarlig for den fotovoltaiske oppførselen til YBCO-keramikk ved høye temperaturer. Observasjonene ovenfor kaster lys over PV-effekten i høytemperatursuperledende YBCO-keramikk og baner vei for nye applikasjoner i optoelektroniske enheter som rask passiv lysdetektor og enkeltfotondetektor.
De fotovoltaiske effekteksperimentene ble utført på en YBCO keramisk prøve med 0,52 mm tykkelse og 8,64 × 2,26 mm2 rektangulær form og belyst av kontinuerlig bølge blålaser (λ = 450 nm) med laserpunktstørrelse på 1,25 mm i radius. Ved å bruke bulk i stedet for tynnfilmprøver, kan vi studere de fotovoltaiske egenskapene til superlederen uten å måtte forholde oss til den komplekse påvirkningen av underlaget6,7. Videre kan bulkmaterialet bidra til dets enkle forberedelsesprosedyre og relativt lave kostnader. Kobberledningstrådene er koherert på YBCO-prøven med sølvpasta som danner fire sirkulære elektroder med en diameter på omtrent 1 mm. Avstanden mellom de to spenningselektrodene er ca. 5 mm. IV-karakteristikker til prøven ble målt ved å bruke vibrasjonsprøvemagnetometeret (VersaLab, Quantum Design) med et kvartskrystallvindu. Standard firetrådsmetode ble brukt for å oppnå IV-kurvene. De relative posisjonene til elektrodene og laserpunktet er vist i fig. 1i.
Hvordan sitere denne artikkelen: Yang, F. et al. Opprinnelsen til fotovoltaisk effekt i superledende YBa2Cu3O6.96-keramikk. Sci. rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetri-forbudte laserinduserte spenninger i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Opprinnelsen til det unormale fotovoltaiske signalet i Y-Ba-Cu-O. Phys. Rev. B 43, 6270-6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Måling av laserinduserte spenninger av superledende Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, et al. Forbigående laserinduserte spenninger i romtemperaturfilmer av YBa2Cu3O7-x. J. Appl. Phys. 67, 4375-4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Anomal fotovoltaisk respons i YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Fotogenerert hullbærerinjeksjon til YBa2Cu3O7−x i en oksidheterostruktur. Appl. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Fotoemisjonsstudie av YBa2Cu3Oy tynne filmer under lysbelysning. Phys. Rev. Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Fotovoltaisk effekt av YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3:Nb heterojunction glødet i forskjellig oksygenpartialtrykk. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. To-gap struktur i Yb(Y)Ba2Cu3O7-x enkeltkrystaller. J. Supercond. 7, 361-365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Kvasipartikkelrelaksasjonsdynamikk i superledere med forskjellige gapstrukturer: Teori og eksperimenter på YBa2Cu3O7-δ . Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Rettende egenskaper til YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Appl. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Eksitonisk absorpsjon og superledning i YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. Lett. 59, 919-922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Transient fotoindusert ledningsevne i halvledende enkeltkrystaller av YBa2Cu3O6.3: søk etter fotoindusert metallisk tilstand og fotoindusert superledning. Solid State Commun. 72, 345-349 (1989).
McMillan, WL Tunnelmodell av den superledende nærhetseffekten. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Superledende nærhetseffekt sondert på en mesoskopisk lengdeskala. Phys. Rev. Lett. 77, 3025-3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Nærhetseffekt med ikke-sentrosymmetriske superledere. Phys. Rev. B 86, 17514 (2012).
Qu, FM et al. Sterk superledende nærhetseffekt i Pb-Bi2Te3 hybridstrukturer. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL En ny silisium pn junction fotocelle for å konvertere solstråling til elektrisk kraft. J. App. Phys. 25, 676-677 (1954).
Tomimoto, K. Urenhetseffekter på den superledende koherenslengden i Zn- eller Ni-dopet YBa2Cu3O6.9 enkeltkrystaller. Phys. Rev. B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistens av ikke-tvinnede YBa2Cu3Oy-enkeltkrystaller i et bredt spekter av doping: unormal hulldopingavhengighet av koherenslengden. Phys. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematikk i den termoelektriske kraften til høy-T, oksider. Phys. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Bærertetthetsavhengig momentumforskyvning av den koherente toppen og LO-fononmodusen i p-type høy-Tc-superledere. Phys. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Hullreduksjon og elektronakkumulering i YBa2Cu3Oy tynne filmer ved bruk av en elektrokjemisk teknikk: Bevis for en n-type metallisk tilstand. Phys. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fysikken og kjemien til Schottky-barrierehøyden. Appl. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Effekter av dynamisk eksternt parbrudd i superledende filmer. Phys. Rev. Lett. 33, 215-219 (1974).
Nieva, G. et al. Fotoindusert forbedring av superledning. Appl. Phys. Lett. 60, 2159-2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Vedvarende fotokonduktivitet i YBa2Cu3O6+x-filmer som en metode for fotodoping mot metalliske og superledende faser. Phys. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Ikke-lineær gitterdynamikk som grunnlag for forbedret superledning i YBa2Cu3O6.5. Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Lysindusert superledning i en stripeordnet cuprat. Science 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Temperaturens funksjonelle avhengighet av VOC for en solcelle i forhold til dens effektivitet nye tilnærming. Desalination 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Temperatureffekter i Schottky-barriere silisiumsolceller. Appl. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Temperaturavhengighet for fotovoltaiske enhetsparametere til polymer-fulleren solceller under driftsforhold. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Dette arbeidet har blitt støttet av National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60571063), Fundamental Research Projects of Henan Province, China (Grant No. 122300410231).
FY skrev teksten til papiret og MYH forberedte YBCO-keramikkprøven. FY og MYH utførte eksperimentet og analyserte resultatene. FGC ledet prosjektet og den vitenskapelige tolkningen av dataene. Alle forfattere gjennomgikk manuskriptet.
Dette verket er lisensiert under en Creative Commons Attribution 4.0 International License. Bildene eller annet tredjepartsmateriale i denne artikkelen er inkludert i artikkelens Creative Commons-lisens, med mindre annet er angitt i kredittgrensen; hvis materialet ikke er inkludert under Creative Commons-lisensen, må brukere innhente tillatelse fra lisensinnehaveren for å reprodusere materialet. For å se en kopi av denne lisensen, besøk http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Opprinnelsen til fotovoltaisk effekt i superledende YBa2Cu3O6.96-keramikk. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Ved å sende inn en kommentar godtar du å følge våre vilkår og retningslinjer for fellesskapet. Hvis du finner noe støtende eller som ikke er i samsvar med våre vilkår eller retningslinjer, vennligst flagg det som upassende.
Innleggstid: 22. april 2020