Asante kwa kutembelea nature.com. Unatumia toleo la kivinjari lisilo na usaidizi mdogo kwa CSS. Ili kupata matumizi bora zaidi, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa zaidi (au zima hali ya uoanifu katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tunaonyesha tovuti bila mitindo na JavaScript.
Tunaripoti athari ya ajabu ya photovoltaic katika kauri ya YBa2Cu3O6.96 (YBCO) kati ya 50 na 300 K iliyochochewa na mwanga wa laser ya bluu, ambayo inahusiana moja kwa moja na upitishaji wa juu wa YBCO na kiolesura cha elektrodi cha YBCO-metali. Kuna mabadiliko ya polarity kwa voltage ya wazi ya Voc na mzunguko mfupi wa sasa wa Isc wakati YBCO inapitia mabadiliko kutoka kwa upitishaji mkuu hadi hali ya kupinga. Tunaonyesha kuwa kuna uwezo wa umeme kwenye kiolesura cha chuma cha kondakta mkuu-ya kawaida, ambayo hutoa nguvu ya utengano kwa jozi za mashimo ya elektroni zinazotokana na picha. Uwezo huu wa kiolesura huelekeza kutoka kwa YBCO hadi kwa elektrodi ya chuma wakati YBCO inapitisha upitishaji wa juu zaidi na swichi kwenda upande mwingine wakati YBCO haifanyi kazi kwa upitishaji wa data. Asili ya uwezo inaweza kuhusishwa kwa urahisi na athari ya ukaribu katika kiolesura cha metal-superconductor wakati YBCO inapitisha upitishaji wa juu zaidi na thamani yake inakadiriwa kuwa ~10–8 mV kwa 50 K na kiwango cha leza cha 502 mW/cm2. Mchanganyiko wa nyenzo ya aina ya p YBCO katika hali ya kawaida na nyenzo ya aina ya n-Ag-paste huunda makutano ya quasi-pn ambayo inawajibika kwa tabia ya picha ya keramik ya YBCO kwenye joto la juu. Matokeo yetu yanaweza kufungua njia ya utumizi mpya wa vifaa vya kielektroniki vya fotoni na kutoa mwanga zaidi juu ya athari ya ukaribu katika kiolesura cha superconductor-metal.
Voltage inayotokana na picha katika viboreshaji joto vya juu imeripotiwa mapema miaka ya 1990 na kuchunguzwa kwa kina tangu wakati huo, lakini asili na utaratibu wake bado haujatulia1,2,3,4,5. Filamu nyembamba za YBa2Cu3O7-δ (YBCO)6,7,8, haswa, zinasomwa sana katika mfumo wa seli ya photovoltaic (PV) kutokana na pengo lake la nishati linaloweza kubadilishwa9,10,11,12,13. Hata hivyo, upinzani wa juu wa substrate daima husababisha ufanisi mdogo wa uongofu wa kifaa na masks mali ya msingi ya PV ya YBCO8. Hapa tunaripoti athari ya ajabu ya photovoltaic iliyochochewa na taa ya bluu-laser (λ = 450 nm) katika YBa2Cu3O6.96 (YBCO) kauri kati ya 50 na 300 K (Tc ~ 90 K). Tunaonyesha kuwa madoido ya PV yanahusiana moja kwa moja na upitishaji wa ubora wa juu wa YBCO na asili ya kiolesura cha elektrodi cha YBCO-metali. Kuna mabadiliko ya polarity kwa Voc ya mzunguko wa wazi wa voltage na mzunguko mfupi wa sasa wa Isc wakati YBCO inapitia mabadiliko kutoka kwa awamu ya upitishaji mkuu hadi hali ya kupinga. Inapendekezwa kuwa kuna uwezekano wa umeme kwenye kiolesura cha chuma cha juu-kawaida, ambacho hutoa nguvu ya utengano kwa jozi za mashimo ya elektroni zinazotokana na picha. Uwezo huu wa kiolesura huelekeza kutoka kwa YBCO hadi kwa elektrodi ya chuma wakati YBCO inapitisha upitishaji wa juu zaidi na swichi kwenda upande tofauti wakati sampuli haifanyi kazi zaidi. Asili ya uwezo inaweza kuhusishwa kwa kawaida na athari ya ukaribu14,15,16,17 katika kiolesura cha metal-superconductor wakati YBCO inaendesha upitishaji wa juu zaidi na thamani yake inakadiriwa kuwa ~10−8 mV kwa 50 K na kiwango cha leza cha 502 mW. /cm2. Mchanganyiko wa nyenzo ya aina ya p YBCO katika hali ya kawaida na nyenzo ya aina ya n Ag-bandika hutengeneza, kuna uwezekano mkubwa, makutano ya quasi-pn ambayo inawajibika kwa tabia ya PV ya kauri za YBCO kwenye joto la juu. Uchunguzi wetu unatoa mwanga zaidi juu ya asili ya athari ya PV katika upitishaji joto wa juu wa keramik za YBCO na kuweka njia kwa ajili ya matumizi yake katika vifaa vya optoelectronic kama vile kitambua mwangaza wa hali ya juu n.k.
Kielelezo 1a–c kinaonyesha kuwa sifa za IV za sampuli ya kauri ya YBCO katika 50 K. Bila mwangaza wa mwanga, voltage kwenye sampuli hubakia katika sufuri pamoja na kubadilisha sasa, jinsi inavyoweza kutarajiwa kutoka kwa nyenzo ya upitishaji umeme. Athari ya wazi ya photovoltaic inaonekana wakati boriti ya leza inapoelekezwa kwenye kathodi (Mchoro 1a): mikunjo ya IV inayolingana na mhimili wa I inasogea chini kwa kuongezeka kwa kasi ya leza. Ni dhahiri kwamba kuna voltage hasi inayotokana na picha hata bila ya sasa (mara nyingi huitwa wazi mzunguko wa voltage Voc). Mteremko wa sufuri wa curve ya IV unaonyesha kuwa sampuli bado inapitisha upitishaji mwanga chini ya leza.
(a–c) na 300 K (e–g). Thamani za V(I) zilipatikana kwa kufagia mkondo kutoka −10 mA hadi +10 mA katika utupu. Sehemu tu ya data ya majaribio imewasilishwa kwa ajili ya uwazi. a, Sifa za sasa za voltage ya YBCO iliyopimwa kwa sehemu ya leza iliyowekwa kwenye kathodi (i). Mikondo yote ya IV ni mistari iliyonyooka iliyo mlalo inayoonyesha sampuli bado inapitisha upitishaji umeme kwa kutumia miale ya leza. Mviringo husogea chini huku nguvu ya leza ikiongezeka, kuashiria kuwa kuna uwezekano hasi (Voc) kati ya mikondo miwili ya volteji hata ikiwa na sifuri ya mkondo. Mikondo ya IV husalia bila kubadilika wakati leza inapoelekezwa katikati ya sampuli katika etha 50 K (b) au 300 K (f). Mstari wa mlalo husogea juu huku anodi inapoangaziwa (c). Mfano wa kielelezo wa makutano ya chuma-superconductor katika 50 K umeonyeshwa katika d. Sifa za sasa za voltage ya hali ya kawaida ya YBCO katika 300 K iliyopimwa kwa boriti ya leza iliyoelekezwa kwenye kathodi na anodi hutolewa kwa e na g mtawalia. Tofauti na matokeo ya 50 K, mteremko usio na sifuri wa mistari ya moja kwa moja unaonyesha kuwa YBCO iko katika hali ya kawaida; thamani za Voc hutofautiana kwa mwangaza wa mwanga katika mwelekeo tofauti, ikionyesha utaratibu tofauti wa kutenganisha malipo. Muundo wa kiolesura unaowezekana katika 300 K umeonyeshwa katika hj Picha halisi ya sampuli iliyo na vielelezo.
YBCO yenye oksijeni nyingi katika hali ya upitishaji kupita kiasi inaweza kunyonya takriban wigo kamili wa mwanga wa jua kutokana na pengo lake dogo sana la nishati (Mf)9,10, na hivyo kuunda jozi za mashimo ya elektroni (e–h). Ili kutoa voltage ya mzunguko wazi Voc kwa kufyonzwa kwa fotoni, ni muhimu kutenganisha kwa anga jozi za eh zinazozalishwa na picha kabla ya ujumuishaji upya18. Voc hasi, inayohusiana na kathodi na anodi kama inavyoonyeshwa kwenye Mtini. 1i, inapendekeza kuwa kuna uwezekano wa umeme kwenye kiolesura cha chuma-superconductor, ambayo hufagia elektroni hadi kwenye anodi na matundu kwenye kathodi. Ikiwa ndivyo ilivyo, kunapaswa pia kuwa na mwelekeo unaowezekana kutoka kwa superconductor hadi elektrodi ya chuma kwenye anode. Kwa hivyo, Voc chanya itapatikana ikiwa eneo la sampuli karibu na anode litaangaziwa. Zaidi ya hayo, haipaswi kuwa na voltages zinazosababishwa na picha wakati eneo la leza linaelekezwa kwenye maeneo yaliyo mbali na elektrodi. Hakika ndivyo ilivyo kama inavyoweza kuonekana kutoka kwenye Mchoro 1b,c!.
Wakati eneo la mwanga linaposogea kutoka kwa elektrodi ya cathode hadi katikati ya sampuli (takriban 1.25 mm mbali na kiolesura), hakuna tofauti ya mikondo ya IV na hakuna Voc inayoweza kuzingatiwa kwa kuongeza kiwango cha leza hadi thamani ya juu zaidi inayopatikana (Mchoro 1b) . Kwa kawaida, matokeo haya yanaweza kuhusishwa na muda mdogo wa maisha ya wabebaji wanaotokana na picha na ukosefu wa nguvu ya utengano katika sampuli. Jozi za mashimo ya elektroni zinaweza kuundwa wakati wowote sampuli itakapoangazwa, lakini jozi nyingi za e–h zitaangamizwa na hakuna athari ya fotovoltaic inayozingatiwa ikiwa madoa ya leza yataanguka kwenye maeneo yaliyo mbali na elektrodi zozote. Kusogeza mahali pa leza hadi kwenye elektrodi za anode, mipindo ya IV sambamba na mhimili wa I husogea juu kwa kuongezeka kwa nguvu ya leza (Mchoro 1c). Sehemu sawa ya umeme iliyojengwa inapatikana katika makutano ya chuma-superconductor kwenye anode. Hata hivyo, electrode ya metali inaunganisha kwa uongozi mzuri wa mfumo wa mtihani wakati huu. Mashimo yanayozalishwa na laser yanasukumwa kwa risasi ya anode na hivyo Voc chanya huzingatiwa. Matokeo yaliyowasilishwa hapa yanatoa uthibitisho dhabiti kwamba kuna kiolesura kinachoelekeza kutoka kwa kiboreshaji kikuu hadi elektrodi ya chuma.
Athari ya Photovoltaic katika kauri za YBa2Cu3O6.96 saa 300 K inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1e–g. Bila mwangaza, mkunjo wa IV wa sampuli ni mstari ulionyooka unaovuka asili. Mstari huu wa moja kwa moja unasogea juu sambamba na ule wa awali na kuongezeka kwa kasi ya leza inayoangazia kwenye miongozo ya cathode (Mchoro 1e). Kuna matukio mawili ya kikomo ya riba kwa kifaa cha photovoltaic. Hali ya mzunguko mfupi hutokea wakati V = 0. Ya sasa katika kesi hii inajulikana kuwa mzunguko mfupi wa sasa (Isc). Kesi ya pili ya kuzuia ni hali ya mzunguko wazi (Voc) ambayo hutokea wakati R→∞ au mkondo ni sifuri. Kielelezo 1e kinaonyesha wazi kwamba Voc ni chanya na huongezeka kwa kuongezeka kwa mwanga wa mwanga, tofauti na matokeo yaliyopatikana kwa 50 K; wakati Isc hasi inazingatiwa kuongezeka kwa ukubwa na mwanga wa mwanga, tabia ya kawaida ya seli za kawaida za jua.
Vile vile, wakati boriti ya laser inapoelekezwa kwenye maeneo ya mbali na electrodes, curve ya V (I) haitegemei kiwango cha laser na hakuna athari ya photovoltaic ilionekana (Mchoro 1f). Sawa na kipimo cha 50 K, mikunjo ya IV husogea kuelekea upande mwingine huku elektrodi ya anode inavyowashwa (Mchoro 1g). Matokeo haya yote yaliyopatikana kwa mfumo huu wa kubandika wa YBCO-Ag katika 300 K na leza iliyoangaziwa katika sehemu tofauti za sampuli yanalingana na uwezekano wa kiolesura ulio kinyume na ule unaoonekana kwa 50 K.
Elektroni nyingi hujibana katika jozi za Cooper katika upitishaji wa juu wa YBCO chini ya halijoto yake ya mpito Tc. Wakati katika electrode ya chuma, elektroni zote zinabaki katika fomu ya umoja. Kuna mwinuko mkubwa wa msongamano kwa elektroni za umoja na jozi za Cooper karibu na kiolesura cha chuma-superconductor. Elektroni za umoja wa vibeba wengi katika nyenzo za metali zitaenea katika eneo la superconductor, ilhali Cooper-jozi za wabebaji wengi katika eneo la YBCO zitasambaa katika eneo la chuma. Kadiri jozi za Cooper zinazobeba chaji nyingi na kuwa na uhamaji mkubwa kuliko elektroni za umoja zinavyosambaa kutoka kwa YBCO hadi eneo la metali, atomi zenye chaji chanya huachwa nyuma, hivyo kusababisha uga wa umeme katika eneo la chaji ya nafasi. Mwelekeo wa uwanja huu wa umeme unaonyeshwa kwenye mchoro wa schematic Mchoro 1d. Mwangaza wa fotoni ya tukio karibu na eneo la chaji ya anga unaweza kuunda jozi za eh ambazo zitatenganishwa na kufagiliwa na kutoa mkondo wa picha katika mwelekeo wa kurudi nyuma. Mara tu elektroni zinapotoka kwenye uwanja wa umeme unaojengwa, huunganishwa katika jozi na hupita kwa electrode nyingine bila upinzani. Katika kesi hii, Voc ni kinyume na polarity iliyowekwa awali na inaonyesha thamani hasi wakati boriti ya laser inapoelekeza eneo karibu na electrode hasi. Kutoka kwa thamani ya Voc, uwezo wa kiolesura unaweza kukadiriwa: umbali kati ya mikondo miwili ya voltage d ni ~5 × 10−3 m, unene wa kiolesura cha chuma-superconductor, di, unapaswa kuwa na mpangilio sawa wa ukubwa. kama urefu wa mshikamano wa YBCO superconductor (~1 nm)19,20, chukua thamani ya Voc = 0.03 mV, Vms zinazowezekana kwenye kiolesura cha metal-superconductor kinatathminiwa kuwa ~10−11 V kwa 50 K na kiwango cha leza cha 502 mW/cm2, kwa kutumia mlingano,
Tunataka kusisitiza hapa kwamba voltage inayotokana na picha haiwezi kuelezewa na athari ya joto ya picha. Imethibitishwa kwa majaribio kuwa mgawo wa Seebeck wa YBCO ya superconductor ni Ss = 021. Mgawo wa Seebeck wa waya za shaba za shaba ni katika safu ya SCu = 0.34-1.15 μV/K3. Joto la waya wa shaba kwenye eneo la leza linaweza kuinuliwa kwa kiasi kidogo cha 0.06 K na kiwango cha juu cha leza kinachopatikana kwa 50 K. Hii inaweza kutoa uwezo wa thermoelectric wa 6.9 × 10−8 V ambayo ni ukubwa wa oda tatu ndogo kuliko Voc iliyopatikana kwenye Mchoro 1 (a). Ni dhahiri kuwa athari ya thermoelectric ni ndogo sana kuelezea matokeo ya majaribio. Kwa kweli, mabadiliko ya halijoto kutokana na miale ya leza yangetoweka kwa chini ya dakika moja ili mchango kutoka kwa athari ya joto uweze kupuuzwa kwa usalama.
Athari hii ya photovoltaic ya YBCO katika halijoto ya kawaida hufichua kuwa utaratibu tofauti wa kutenganisha chaji unahusika hapa. Superconducting YBCO katika hali ya kawaida ni nyenzo ya aina ya p iliyo na mashimo kama kibeba chaji22,23, wakati Ag-paste ya metali ina sifa za nyenzo ya aina ya n. Sawa na makutano ya pn, uenezaji wa elektroni katika kuweka fedha na mashimo katika kauri ya YBCO itaunda uwanja wa ndani wa umeme unaoelekeza kwenye kauri ya YBCO kwenye kiolesura (Mchoro 1h). Ni uga huu wa ndani ambao hutoa nguvu ya utengano na kusababisha Voc chanya na Isc hasi kwa mfumo wa kubandika wa YBCO-Ag kwenye halijoto ya kawaida, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1e. Vinginevyo, Ag-YBCO inaweza kuunda makutano ya aina ya p ya Schottky ambayo pia husababisha uwezekano wa kiolesura chenye polarity sawa na katika muundo uliowasilishwa hapo juu24.
Kuchunguza kina mchakato wa mageuzi ya mali photovoltaic wakati wa mpito superconducting ya YBCO, IV curves ya sampuli katika 80 K walikuwa kipimo na intensities kuchaguliwa laser mwanga katika cathode electrode (Mtini. 2). Bila umeme wa laser, voltage kwenye sampuli huweka sifuri bila kujali sasa, ikionyesha hali ya superconducting ya sampuli saa 80 K (Mchoro 2a). Sawa na data iliyopatikana kwa 50 K, mikunjo ya IV inayolingana na mhimili wa I inasogea chini kwa kasi ya leza hadi thamani muhimu ifikiwe. Juu ya kiwango hiki muhimu cha laser (Pc), superconductor hupitia mabadiliko kutoka kwa awamu ya superconducting hadi awamu ya kupinga; voltage huanza kuongezeka kwa sasa kutokana na kuonekana kwa upinzani katika superconductor. Kama matokeo, curve ya IV huanza kuingiliana na mhimili wa I na mhimili wa V unaoongoza kwa Voc hasi na Isc chanya mwanzoni. Sasa sampuli inaonekana kuwa katika hali maalum ambayo polarity ya Voc na Isc ni nyeti sana kwa mwangaza; na ongezeko ndogo sana la kiwango cha mwanga Isc inabadilishwa kutoka chanya hadi hasi na Voc kutoka hasi hadi thamani chanya, kupitisha asili (unyeti mkubwa wa mali ya photovoltaic, hasa thamani ya Isc, kwa mwangaza wa mwanga unaweza kuonekana wazi zaidi katika Mtini. 2b). Katika kiwango cha juu zaidi cha leza kinachopatikana, mikondo ya IV inanuia kusawazisha, kuashiria hali ya kawaida ya sampuli ya YBCO.
Kituo cha doa la laser kimewekwa karibu na elektroni za cathode (ona Mchoro 1i). a, mikondo ya IV ya YBCO iliyoangaziwa na ukali tofauti wa leza. b (juu), Utegemezi wa kiwango cha laser cha voltage ya wazi ya Voc na mzunguko mfupi wa sasa wa Isc. Thamani za Isc haziwezi kupatikana kwa kiwango cha chini cha mwanga (< 110 mW/cm2) kwa sababu mipingo ya IV ni sambamba na mhimili wa I wakati sampuli iko katika hali ya upitishaji kupita kiasi. b (chini), upinzani tofauti kama kazi ya kiwango cha laser.
Utegemezi wa kiwango cha laser wa Voc na Isc kwa 80 K umeonyeshwa kwenye Mchoro 2b (juu). Tabia za photovoltaic zinaweza kujadiliwa katika mikoa mitatu ya mwanga wa mwanga. Eneo la kwanza ni kati ya 0 na Kompyuta, ambayo YBCO inafanya kazi kwa kasi zaidi, Voc ni hasi na hupungua (thamani kamili huongezeka) kwa mwangaza na kufikia kiwango cha chini kabisa kwenye Kompyuta yako. Eneo la pili ni kutoka Pc hadi nguvu nyingine muhimu P0, ambapo Voc huongezeka huku Isc ikipungua kwa mwanga unaoongezeka na zote mbili kufikia sifuri kwa P0. Eneo la tatu liko juu ya P0 hadi hali ya kawaida ya YBCO ifikiwe. Ingawa Voc na Isc zote hutofautiana kwa kiwango cha mwanga kwa njia sawa na katika eneo la 2, zina polarity kinyume juu ya nguvu muhimu P0. Umuhimu wa P0 ni kwamba hakuna athari ya photovoltaic na utaratibu wa kutenganisha malipo hubadilika kwa ubora katika hatua hii. Sampuli ya YBCO inakuwa isiyo na utendakazi bora katika safu hii ya mwangaza lakini hali ya kawaida bado haijafikiwa.
Kwa wazi, sifa za photovoltaic za mfumo zinahusiana kwa karibu na superconductivity ya YBCO na mabadiliko yake ya superconducting. Upinzani wa kutofautisha, dV/dI, wa YBCO unaonyeshwa kwenye Mchoro 2b (chini) kama utendaji wa kiwango cha leza. Kama ilivyotajwa hapo awali, uwezo wa umeme wa kujengwa kwenye kiolesura kwa sababu ya sehemu za utengamano za jozi ya Cooper kutoka kwa kiboreshaji kikuu hadi chuma. Sawa na ile iliyozingatiwa kwa 50 K, athari ya photovoltaic inaimarishwa kwa kuongezeka kwa kiwango cha laser kutoka 0 hadi Pc. Wakati kiwango cha leza kinafikia thamani kidogo juu ya Kompyuta, curve ya IV huanza kuinamisha na upinzani wa sampuli huanza kuonekana, lakini polarity ya uwezo wa kiolesura bado haijabadilishwa. Athari ya msisimko wa macho kwenye upitishaji wa juu zaidi imechunguzwa katika eneo linaloonekana au karibu na IR. Ingawa mchakato wa kimsingi ni kuvunja jozi za Cooper na kuharibu superconductivity25,26, katika hali zingine mpito wa superconductivity unaweza kuimarishwa27,28,29, awamu mpya za superconductivity zinaweza hata kushawishiwa30. Kutokuwepo kwa utendakazi bora kwenye Kompyuta kunaweza kuhusishwa na uvunjaji wa jozi unaosababishwa na picha. Katika hatua ya P0, uwezo katika kiolesura unakuwa sufuri, ikionyesha kwamba msongamano wa chaji katika pande zote mbili za kiolesura hufikia kiwango sawa chini ya kiwango hiki cha mwangaza. Kuongezeka zaidi kwa kiwango cha leza husababisha jozi zaidi za Cooper kuharibiwa na YBCO inabadilishwa polepole kuwa nyenzo ya aina ya p. Badala ya uenezaji wa jozi ya elektroni na Cooper, kipengele cha kiolesura sasa kinaamuliwa na uenezaji wa elektroni na shimo ambao husababisha ubadilishaji wa uga wa umeme katika kiolesura na hivyo hivyo Voc chanya (linganisha Mtini.1d,h). Katika kiwango cha juu cha leza, upinzani wa tofauti wa YBCO hujaa hadi thamani inayolingana na hali ya kawaida na Voc na Isc huwa na kutofautiana kimstari na ukubwa wa leza (Mchoro 2b). Uchunguzi huu unaonyesha kuwa mionzi ya leza kwenye hali ya kawaida ya YBCO haitabadilisha tena uwezo wake wa kustahimili na hulka ya kiolesura cha superconductor-chuma lakini itaongeza tu mkusanyiko wa jozi za mashimo ya elektroni.
Ili kuchunguza athari za hali ya joto kwenye sifa za photovoltaic, mfumo wa chuma-superconductor uliangaziwa kwenye cathode na laser ya bluu ya kiwango cha 502 mW/cm2. Mikondo ya IV iliyopatikana kwa joto lililochaguliwa kati ya 50 na 300 K imetolewa kwenye Mchoro 3a. Voltage ya wazi ya Voc, mzunguko mfupi wa sasa wa Isc na upinzani wa kutofautisha unaweza kupatikana kutoka kwa curves hizi za IV na zinaonyeshwa kwenye Mchoro 3b. Bila mwangaza wa mwanga, mikondo yote ya IV iliyopimwa kwa viwango tofauti vya joto hupita asili inavyotarajiwa (mchoro wa Mchoro 3a). Sifa za IV hubadilika sana na halijoto inayoongezeka wakati mfumo unaangaziwa na boriti ya leza yenye nguvu kiasi (502 mW/cm2). Kwa halijoto ya chini vijipinda vya IV ni mistari iliyonyooka sambamba na mhimili wa I yenye thamani hasi za Voc. Mviringo huu husogea juu kwa kuongezeka kwa halijoto na hatua kwa hatua hugeuka kuwa mstari na mteremko usio na joto kwenye halijoto muhimu Tcp (Mchoro 3a (juu)). Inaonekana kwamba mikondo yote ya tabia ya IV inazunguka sehemu moja katika roboduara ya tatu. Voc huongezeka kutoka thamani hasi hadi chanya huku Isc ikipungua kutoka thamani chanya hadi hasi. Juu ya halijoto ya awali ya mpito ya upitishaji joto Tc ya YBCO, curve ya IV hubadilika tofauti na halijoto (chini ya Mchoro 3a). Kwanza, kituo cha kuzungusha cha mikondo ya IV husogea hadi roboduara ya kwanza. Pili, Voc huendelea kupungua na Isc inaongezeka kwa joto linaloongezeka (juu ya Mchoro 3b). Tatu, mteremko wa mikunjo ya IV huongezeka kwa mstari na halijoto inayosababisha mgawo chanya wa joto la upinzani kwa YBCO (chini ya Mchoro 3b).
Utegemezi wa halijoto wa sifa za photovoltaic kwa mfumo wa kubandika wa YBCO-Ag chini ya uangazaji wa leza ya 502 mW/cm2.
Kituo cha doa la laser kimewekwa karibu na elektroni za cathode (ona Mchoro 1i). a, IV curves zilizopatikana kutoka 50 hadi 90 K (juu) na kutoka 100 hadi 300 K (chini) na ongezeko la joto la 5 K na 20 K, kwa mtiririko huo. Kipengee A kinaonyesha sifa za IV katika halijoto kadhaa katika giza. Mikondo yote huvuka sehemu ya asili. b, voltage ya mzunguko wa wazi Voc na mzunguko mfupi wa sasa wa Isc (juu) na upinzani wa tofauti, dV/dI, ya YBCO (chini) kama kipengele cha joto. Halijoto ya mpito ya upinzani dhidi ya sifuri Tcp haijatolewa kwa sababu iko karibu sana na Tc0.
Viwango vitatu muhimu vinaweza kutambuliwa kutoka kwenye Mchoro 3b: Tcp, juu ambayo YBCO inakuwa isiyo ya upitishaji kupita kiasi; Tc0, ambapo Voc na Isc huwa sifuri na Tc, halijoto ya awali ya mpito ya upitishaji joto ya YBCO bila mwalisho wa leza. Chini ya Tcp ~ 55 K, YBCO iliyowashwa na leza iko katika hali ya upitishaji maji na mkusanyiko wa juu kiasi wa jozi za Cooper. Athari ya miale ya leza ni kupunguza joto la mpito la upinzani dhidi ya sifuri kutoka 89 K hadi ~ 55 K (chini ya Mchoro 3b) kwa kupunguza ukolezi wa jozi ya Cooper pamoja na kuzalisha voltage ya photovoltaic na ya sasa. Kuongezeka kwa halijoto pia huvunja jozi za Cooper na kusababisha uwezekano wa chini katika kiolesura. Kwa hivyo, thamani kamili ya Voc itakuwa ndogo, ingawa nguvu sawa ya mwangaza wa laser inatumika. Uwezo wa kiolesura utakuwa mdogo na mdogo kadri halijoto inavyoongezeka na kufikia sufuri kwa Tc0. Hakuna athari ya photovoltaic katika hatua hii maalum kwa sababu hakuna sehemu ya ndani ya kutenganisha jozi za mashimo ya elektroni zinazotokana na picha. Ugeuzi wa polarity hutokea juu ya halijoto hii muhimu kwani msongamano wa malipo ya bila malipo katika bandiko la Ag ni kubwa kuliko ule wa YBCO ambao hurejeshwa hatua kwa hatua hadi kwenye nyenzo ya aina ya p. Hapa tunataka kusisitiza kwamba mabadiliko ya polarity ya Voc na Isc hutokea mara moja baada ya mpito wa superconducting wa sifuri, bila kujali sababu ya mpito. Uchunguzi huu unaonyesha wazi, kwa mara ya kwanza, uwiano kati ya superconductivity na athari za photovoltaic zinazohusiana na uwezo wa kiolesura cha chuma-superconductor. Asili ya uwezo huu kwenye kiolesura cha chuma cha hali ya juu-ya kawaida imekuwa lengo la utafiti kwa miongo kadhaa iliyopita lakini kuna maswali mengi ambayo bado yanasubiri kujibiwa. Upimaji wa athari ya photovoltaic inaweza kuwa njia bora ya kuchunguza maelezo (kama vile nguvu na polarity n.k.) ya uwezo huu muhimu na hivyo kutoa mwanga juu ya athari ya ukaribu wa upitishaji joto wa juu.
Kuongezeka zaidi kwa halijoto kutoka Tc0 hadi Tc husababisha mkusanyiko mdogo wa jozi za Cooper na uboreshaji wa uwezo wa kiolesura na hivyo kuwa kubwa Voc. Katika Tc, mkusanyiko wa jozi ya Cooper inakuwa sifuri na uwezo wa kujengwa ndani kwenye kiolesura hufikia kiwango cha juu zaidi, na hivyo kusababisha Voc ya juu zaidi na kiwango cha chini zaidi cha Isc. Ongezeko la haraka la Voc na Isc (thamani kamili) katika safu hii ya joto inalingana na mpito wa superconducting ambao hupanuliwa kutoka ΔT ~ 3 K hadi ~ 34 K kwa miale ya laser ya kiwango cha 502 mW/cm2 (Mchoro 3b). Katika majimbo ya kawaida juu ya Tc, mzunguko wa wazi wa voltage Voc hupungua kwa joto (juu ya Mchoro 3b), sawa na tabia ya mstari wa Voc kwa seli za kawaida za jua kulingana na pn junctions31,32,33. Ingawa kasi ya mabadiliko ya Voc yenye halijoto (−dVoc/dT), ambayo inategemea sana nguvu ya leza, ni ndogo sana kuliko ile ya seli za kawaida za jua, mgawo wa joto wa Voc kwa makutano ya YBCO-Ag una mpangilio sawa wa ukubwa kama huo. ya seli za jua. Uvujaji wa mkondo wa makutano ya pn kwa kifaa cha kawaida cha seli ya jua huongezeka kwa joto linaloongezeka, na kusababisha kupungua kwa Voc joto linapoongezeka. Mikondo ya mstari wa IV inayozingatiwa kwa mfumo huu wa Ag-superconductor, kwa sababu ya kwanza uwezo mdogo sana wa kiolesura na pili muunganisho wa nyuma hadi nyuma wa miunganisho miwili ya heterojunction, hufanya iwe vigumu kubainisha mkondo wa kuvuja. Hata hivyo, kuna uwezekano mkubwa kwamba utegemezi sawa wa halijoto wa kuvuja kwa mkondo unawajibika kwa tabia ya Voc inayozingatiwa katika jaribio letu. Kulingana na ufafanuzi, Isc ndio ya sasa inayohitajika kutoa voltage hasi ili kufidia Voc ili jumla ya voltage iwe sifuri. Kadiri halijoto inavyoongezeka, Voc inakuwa ndogo ili mkondo mdogo unahitajika kutoa volti hasi. Zaidi ya hayo, upinzani wa YBCO huongezeka kwa mstari na joto juu ya Tc (chini ya Mchoro 3b), ambayo pia huchangia kwa thamani ndogo kabisa ya Isc kwenye joto la juu.
Ona kwamba matokeo yaliyotolewa katika Mtini 2,3 yanapatikana kwa miale ya leza kwenye eneo karibu na elektrodi za cathode. Vipimo pia vimerudiwa na sehemu ya leza iliyowekwa kwenye anode na sifa sawa za IV na sifa za fotovoltaic zimezingatiwa isipokuwa kwamba polarity ya Voc na Isc imebadilishwa katika kesi hii. Data hizi zote husababisha utaratibu wa athari ya photovoltaic, ambayo inahusiana kwa karibu na interface ya superconductor-metal.
Kwa muhtasari, sifa za IV za mfumo wa kubandika wa leza wa YBCO-Ag wa kubandika zimepimwa kama utendaji wa halijoto na nguvu ya leza. Athari ya ajabu ya photovoltaic imeonekana katika kiwango cha joto kutoka 50 hadi 300 K. Imegunduliwa kuwa sifa za photovoltaic zinahusiana sana na superconductivity ya keramik ya YBCO. Mageuzi ya polarity ya Voc na Isc hutokea mara tu baada ya mpito mkuu unaotokana na picha hadi mpito usio na utendakazi bora. Utegemezi wa halijoto wa Voc na Isc unaopimwa kwa kasi ya leza isiyobadilika huonyesha pia ubadilishaji tofauti wa polarity katika halijoto muhimu zaidi ambayo sampuli inakuwa sugu. Kwa kupata eneo la leza kwenye sehemu tofauti ya sampuli, tunaonyesha kuwa kuna uwezekano wa umeme kwenye kiolesura, ambacho hutoa nguvu ya utengano kwa jozi za mashimo ya elektroni zinazotokana na picha. Uwezo huu wa kiolesura huelekeza kutoka kwa YBCO hadi kwa elektrodi ya chuma wakati YBCO inapitisha upitishaji wa juu zaidi na swichi kwenda upande tofauti wakati sampuli haifanyi kazi zaidi. Asili ya uwezo inaweza kuhusishwa kwa kawaida na athari ya ukaribu katika kiolesura cha metal-superconductor wakati YBCO inapitisha upitishaji wa juu zaidi na inakadiriwa kuwa ~10−8 mV kwa 50 K na kiwango cha leza cha 502 mW/cm2. Mgusano wa nyenzo ya aina ya p YBCO katika hali ya kawaida yenye nyenzo ya aina ya n-Ag-paste huunda makutano ya quasi-pn ambayo huwajibika kwa tabia ya fotovoltaic ya keramik ya YBCO katika halijoto ya juu. Uchunguzi ulio hapo juu unatoa mwanga kuhusu athari ya PV katika upitishaji joto wa juu wa keramik za YBCO na kufungua njia kwa programu mpya katika vifaa vya optoelectronic kama vile kitambua mwangaza wa mwendo kasi na kigunduzi kimoja cha fotoni.
Majaribio ya athari ya photovoltaic yalifanywa kwenye sampuli ya kauri ya YBCO ya unene wa 0.52 mm na umbo la mstatili 8.64 × 2.26 mm2 na kuangaziwa na leza ya bluu-wimbi inayoendelea (λ = 450 nm) yenye ukubwa wa leza wa mm 1.25 katika kipenyo. Kutumia wingi badala ya sampuli nyembamba ya filamu hutuwezesha kujifunza sifa za photovoltaic za superconductor bila kukabiliana na ushawishi tata wa substrate6,7. Zaidi ya hayo, nyenzo nyingi zinaweza kufaa kwa utaratibu wake rahisi wa maandalizi na gharama ya chini. Waya za shaba za risasi zimeunganishwa kwenye sampuli ya YBCO na kuweka fedha na kutengeneza elektroni nne za mviringo kuhusu 1 mm kwa kipenyo. Umbali kati ya electrodes mbili za voltage ni karibu 5 mm. Sifa IV za sampuli zilipimwa kwa kutumia sampuli ya magnetometer ya mtetemo (VersaLab, Muundo wa Quantum) yenye dirisha la fuwele la quartz. Mbinu ya kawaida ya waya nne ilitumika kupata mikondo ya IV. Nafasi za jamaa za electrodes na doa ya laser zinaonyeshwa kwenye Mchoro 1i.
Jinsi ya kutaja makala hii: Yang, F. et al. Asili ya athari ya photovoltaic katika keramik YBa2Cu3O6.96 superconducting. Sayansi. Mwakilishi wa 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR Symmetry-haramu ya laser-induced voltages katika YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Asili ya mawimbi ya ajabu ya voltaic katika Y-Ba-Cu-O. Phys. Mchungaji B 43, 6270–6272 (1991).
Wang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Wang, GW Upimaji wa voltages zinazotokana na leza za upitishaji mkuu wa Bi-Sr-Ca-Cu-O. Phys. Mchungaji B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL, na wengine. Viwango vya muda mfupi vinavyotokana na laser katika filamu za joto la chumba za YBa2Cu3O7-x . J. Appl. Phys. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP Jibu lisilo la kawaida la photovoltaic katika YBa2Cu3O7. Phys. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Hiroi, Z. Sindano ya kibebea mashimo iliyozalishwa kwa picha kwa YBa2Cu3O7−x katika muundo wa oksidi. Programu. Phys. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. et al. Utafiti wa upigaji picha wa filamu nyembamba za YBa2Cu3Oy chini ya mwangaza. Phys. Mchungaji Lett. 93, 247006 (2004).
Yang, F. et al. Athari ya Photovoltaic ya YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction iliyoingizwa katika shinikizo la sehemu tofauti la oksijeni. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA et al. Muundo wa Pengo Mbili katika fuwele za Yb(Y)Ba2Cu3O7-x moja. J. Supercond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Mienendo ya kupumzika ya Quasiparticle katika superconductors na miundo tofauti ya pengo: Nadharia na majaribio kwenye YBa2Cu3O7-δ. Phys. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Zhang, YZ & Shen, BG Kurekebisha sifa za YBa2Cu3O7-δ/SrTiO3 :Nb heterojunction. Programu. Phys. Lett. 87, 222501 (2005).
Kamarás, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB Ufyonzwaji wa kusisimua na utendakazi bora katika YBa2Cu3O7-δ . Phys. Mchungaji Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. Uboreshaji wa picha wa muda mfupi katika upitishaji wa fuwele moja ya YBa2Cu3O6.3: tafuta hali ya metali iliyochochewa picha na upitishaji picha zaidi. Jumuiya ya Jimbo Imara. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Tunneling mfano wa athari ya ukaribu ya upitishaji mkuu. Phys. Rev. 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. et al. Athari ya ukaribu wa upitishaji kupita kiasi imechunguzwa kwa kipimo cha urefu wa mesoskopu. Phys. Mchungaji Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Athari ya ukaribu na watendaji wakuu wasio na ulinganifu. Phys. Mchungaji B 86, 17514 (2012).
Qu, FM na wengine. Athari kali ya ukaribu wa superconducting katika miundo mseto ya Pb-Bi2Te3. Sayansi. Mwakilishi 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Seli mpya ya makutano ya silicon pn ya kubadilisha mionzi ya jua kuwa nishati ya umeme. Programu ya J. Phys. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Athari za Uchafu kwenye urefu wa mshikamano wa upitishaji mkuu katika fuwele moja ya Zn- au Ni-doped YBa2Cu3O6.9. Phys. Mchungaji B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Magnetoresistance ya Untwinned YBa2Cu3Oy fuwele moja katika anuwai ya dawa za kusisimua misuli: utegemezi wa ajabu wa shimo-doping wa urefu wa mshikamano. Phys. Mchungaji Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Systematics katika nguvu ya thermoelectric ya high-T, oksidi. Phys. Mchungaji B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. et al. Mabadiliko ya kasi yanayotegemea mbebaji-wiani wa kilele madhubuti na modi ya phononi LO katika aina ya p-high-Tc superconductors. Phys. Mchungaji B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. et al. Kupunguza mashimo na mkusanyiko wa elektroni katika filamu nyembamba za YBa2Cu3Oy kwa kutumia mbinu ya kielektroniki: Ushahidi wa hali ya metali ya aina ya n. Phys. Mchungaji B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Fizikia na kemia ya urefu wa kizuizi cha Schottky. Programu. Phys. Lett. 1, 011304 (2014).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, Athari za DN za Uvunjaji wa Jozi wa Nje katika Filamu za Uendeshaji Bora. Phys. Mchungaji Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. et al. Uboreshaji wa picha ya superconductivity. Programu. Phys. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI et al. Uendeshaji wa picha unaoendelea katika filamu za YBa2Cu3O6+x kama njia ya kupiga picha kuelekea awamu za metali na upitishaji mkuu. Phys. Mch. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankowsky, R. et al. Mienendo ya kimiani isiyo ya mstari kama msingi wa uboreshaji bora zaidi katika YBa2Cu3O6.5 . Nature 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. et al. Utendaji mkuu unaotokana na mwanga katika kikombe kilichopangwa kwa mistari. Sayansi 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Utendakazi wa halijoto tegemezi wa VOC kwa seli ya jua kuhusiana na mbinu yake mpya ya ufanisi. Uondoaji chumvi 209, 91-96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Athari za halijoto katika seli za jua za silikoni za Schottky-kizuizi. Programu. Phys. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM Utegemezi wa halijoto kwa vigezo vya kifaa cha photovoltaic cha seli za jua za polima-fullerene chini ya hali ya uendeshaji. J. Appl. Phys. 90, 5343–5350 (2002).
Kazi hii imeungwa mkono na Wakfu wa Kitaifa wa Sayansi ya Asili wa Uchina (Ruzuku Na. 60571063), Miradi ya Msingi ya Utafiti wa Mkoa wa Henan, Uchina (Ruzuku Na. 122300410231).
FY iliandika maandishi ya karatasi na MYH ikatayarisha sampuli ya kauri ya YBCO. FY na MYH walifanya jaribio na kuchanganua matokeo. FGC iliongoza mradi na tafsiri ya kisayansi ya data. Waandishi wote walipitia muswada huo.
Kazi hii imeidhinishwa chini ya Leseni ya Kimataifa ya Creative Commons Attribution 4.0. Picha au nyenzo zingine za wahusika wengine katika makala haya zimejumuishwa kwenye leseni ya Creative Commons ya makala, isipokuwa kama itaonyeshwa vinginevyo kwenye mstari wa mikopo; ikiwa nyenzo haijajumuishwa chini ya leseni ya Creative Commons, watumiaji watahitaji kupata kibali kutoka kwa mwenye leseni ili kuzalisha tena nyenzo. Ili kuona nakala ya leseni hii, tembelea http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Asili ya athari ya photovoltaic katika keramik za YBa2Cu3O6.96 za superconducting. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Kwa kuwasilisha maoni unakubali kutii Sheria na Masharti na Miongozo yetu ya Jumuiya. Ukipata kitu kibaya au ambacho hakitii sheria na masharti au miongozo yetu tafadhali iripoti kuwa isiyofaa.
Muda wa kutuma: Apr-22-2020