Natural.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz CSS uchun cheklangan qo'llab-quvvatlanadigan brauzer versiyasidan foydalanmoqdasiz. Eng yaxshi tajribaga ega bo'lish uchun yangilangan brauzerdan foydalanishni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Ayni paytda, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz va JavaScriptsiz ko'rsatmoqdamiz.
Biz YBa2Cu3O6.96 (YBCO) seramikasida YBCO ning supero'tkazuvchanligi va YBCO-metall elektrod interfeysi bilan bevosita bog'liq bo'lgan ko'k-lazerli yorug'lik tufayli kelib chiqqan 50 dan 300 K gacha bo'lgan ajoyib fotovoltaik ta'sir haqida xabar beramiz. YBCO o'ta o'tkazuvchanlikdan qarshilik holatiga o'tganda ochiq tutashuv kuchlanishi Voc va qisqa tutashuv oqimi Isc uchun polaritning teskari o'zgarishi mavjud. Biz supero'tkazgich-normal metall interfeysi bo'ylab elektr potentsiali mavjudligini ko'rsatamiz, bu foto-induktsiyalangan elektron teshik juftlari uchun ajratish kuchini ta'minlaydi. Ushbu interfeys potentsiali YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda YBCO dan metall elektrodga yo'naltiriladi va YBCO supero'tkazuvchan bo'lmaganda teskari yo'nalishga o'tadi. Potensialning kelib chiqishi YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda va uning qiymati 502 mVt/sm2 lazer intensivligi bilan 50 K da ~ 10-8 mV bo'lganida, metall-o'ta o'tkazgich interfeysidagi yaqinlik effekti bilan osongina bog'lanishi mumkin. P-tipli YBCO materialining normal holatda n-tipli material Ag-pasta bilan birikmasi yuqori haroratlarda YBCO keramikasining fotovoltaik harakati uchun javobgar bo'lgan kvazi-pn birikmasini hosil qiladi. Bizning topilmalarimiz foton-elektron qurilmalarning yangi qo'llanilishiga yo'l ochishi va supero'tkazgich-metall interfeysidagi yaqinlik effektiga qo'shimcha yorug'lik berishi mumkin.
Yuqori haroratli supero'tkazgichlarda fotoinduktsiyali kuchlanish 1990-yillarning boshlarida xabar qilingan va o'shandan beri keng ko'lamli o'rganilgan, ammo uning tabiati va mexanizmi hali ham aniqlanmagan1,2,3,4,5. YBa2Cu3O7-d (YBCO) yupqa plyonkalar6,7,8, xususan, sozlanishi energiya bo'shlig'i tufayli fotovoltaik (PV) hujayra shaklida intensiv o'rganiladi9,10,11,12,13. Biroq, substratning yuqori qarshiligi har doim qurilmaning past konvertatsiya samaradorligiga olib keladi va YBCO8 ning asosiy PV xususiyatlarini maskalaydi. Bu erda biz 50 dan 300 K (Tc ~ 90 K) gacha bo'lgan YBa2Cu3O6.96 (YBCO) keramikasida ko'k-lazer (l = 450 nm) yorug'lik bilan induktsiya qilingan ajoyib fotovoltaik effekt haqida xabar beramiz. Biz PV effekti YBCO ning supero'tkazuvchanligi va YBCO-metall elektrod interfeysining tabiati bilan bevosita bog'liqligini ko'rsatamiz. YBCO o'ta o'tkazuvchanlik fazasidan qarshilik holatiga o'tganda ochiq tutashuv kuchlanishi Voc va qisqa tutashuv oqimi Isc uchun polaritning teskari o'zgarishi mavjud. Supero'tkazgich-normal metall interfeysi bo'ylab elektr potentsiali mavjud bo'lib, u foto-induktsiyalangan elektron teshik juftlarini ajratish kuchini ta'minlaydi. Ushbu interfeys potentsiali YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda YBCO dan metall elektrodga yo'naltiriladi va namuna supero'tkazuvchan bo'lmaganda teskari yo'nalishga o'tadi. Potensialning kelib chiqishi tabiiy ravishda YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lgan va uning qiymati 502 mVt lazer intensivligi bilan 50 K da ~ 10−8 mV bo'lganida metall-o'ta o'tkazgich interfeysida yaqinlik effekti bilan bog'liq bo'lishi mumkin14,15,16,17. /sm2. P-tipli YBCO materialining normal holatda n-tipli material bilan birikmasi, ehtimol, yuqori haroratlarda YBCO seramikasining PV harakati uchun javobgar bo'lgan kvazi-pn birikmasini hosil qiladi. Bizning kuzatishlarimiz yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchan YBCO keramikasidagi PV effektining kelib chiqishiga qo'shimcha ma'lumot beradi va uni tez passiv yorug'lik detektori kabi optoelektronik qurilmalarda qo'llash uchun yo'l ochadi.
Shakl 1a-c shuni ko'rsatadiki, 50 K da YBCO keramika namunasining IV xarakteristikalari yorug'lik yoritilmasa, o'zgaruvchan oqim bilan namunadagi kuchlanish nol bo'lib qoladi, chunki supero'tkazuvchi materialdan kutish mumkin. Lazer nurlari katodga yo'naltirilganda aniq fotovoltaik effekt paydo bo'ladi (1a-rasm): I o'qiga parallel bo'lgan IV egri chiziqlar ortib borayotgan lazer intensivligi bilan pastga qarab harakatlanadi. Ko'rinib turibdiki, hech qanday oqim bo'lmasa ham salbiy foto-induktsiyali kuchlanish mavjud (ko'pincha ochiq elektron kuchlanish Voc deb ataladi). IV egri chizig'ining nol qiyaligi namunaning lazerli yorug'lik ostida hali ham o'ta o'tkazuvchanligini ko'rsatadi.
(a–c) va 300 K (e–g). V (I) qiymatlari oqimni vakuumda -10 mA dan +10 mA gacha supurish orqali olingan. Aniqlik uchun eksperimental ma'lumotlarning faqat bir qismi keltirilgan. a, YBCO ning (i) katodida joylashgan lazer nuqtasi bilan o'lchangan oqim kuchlanish xususiyatlari. Barcha IV egri chiziqlar gorizontal to'g'ri chiziqlar bo'lib, namuna hali ham lazer nurlanishi bilan o'ta o'tkazuvchanligini ko'rsatadi. Egri chiziq lazer intensivligi oshishi bilan pastga siljiydi, bu nol oqimda ham ikkita kuchlanish o'tkazgichlari o'rtasida salbiy potentsial (Voc) mavjudligini ko'rsatadi. Lazer namuna markaziga efir 50 K (b) yoki 300 K (f) da yo'naltirilganda IV egri chiziqlar o'zgarishsiz qoladi. Gorizontal chiziq anod yoritilganda yuqoriga siljiydi (c). 50 K da metall-o'ta o'tkazgich birikmasining sxematik modeli d da ko'rsatilgan. Katod va anodga yo'naltirilgan lazer nurlari bilan o'lchangan 300 K da normal holatdagi YBCO ning joriy kuchlanish xarakteristikalari mos ravishda e va g da berilgan. 50 K dagi natijalardan farqli o'laroq, to'g'ri chiziqlarning nolga teng bo'lmagan qiyaligi YBCO normal holatda ekanligini ko'rsatadi; Voc qiymatlari yorug'lik intensivligi bilan qarama-qarshi yo'nalishda o'zgarib turadi, bu boshqa zaryadni ajratish mexanizmini ko'rsatadi. 300 K da mumkin bo'lgan interfeys tuzilishi hj da tasvirlangan. Namunaning haqiqiy tasviri.
Kislorodga boy YBCO o'ta o'tkazuvchanlik holatida juda kichik energiya bo'shlig'i (masalan) 9,10 tufayli quyosh nurining deyarli to'liq spektrini o'zlashtira oladi va shu bilan elektron teshik juftlarini (e-h) hosil qiladi. Fotonlarni yutish orqali ochiq zanjirli kuchlanish Voc hosil qilish uchun rekombinatsiya sodir bo'lishidan oldin foto-hosil qilingan eh-juftlarni fazoviy ajratish kerak18. 1i-rasmda ko'rsatilganidek, katod va anodga nisbatan salbiy Voc, elektronlarni anodga va teshiklarni katodga o'tkazadigan metall o'tkazgich interfeysi bo'ylab elektr potentsiali mavjudligini ko'rsatadi. Agar shunday bo'lsa, anodda o'ta o'tkazgichdan metall elektrodga ishora qiluvchi potentsial ham bo'lishi kerak. Shunday qilib, agar anod yaqinidagi namuna maydoni yoritilgan bo'lsa, ijobiy Voc olinadi. Bundan tashqari, lazer nuqtasi elektrodlardan uzoqroq bo'lgan joylarga ishora qilganda, foto-induktsiyali kuchlanish bo'lmasligi kerak. Bu, albatta, 1b,c-rasmdan ko'rinib turganidek!
Yorug'lik nuqtasi katod elektrodidan namunaning markaziga (interfeyslardan taxminan 1,25 mm masofada) harakat qilganda, lazer intensivligi mavjud maksimal qiymatga ko'tarilganda IV egri o'zgarishi va hech qanday Voc kuzatilmaydi (1b-rasm). . Tabiiyki, bu natijani foto-induktsiyali tashuvchilarning cheklangan ishlash muddati va namunadagi ajratish kuchining yo'qligi bilan bog'lash mumkin. Namuna har doim yoritilganda elektron-teshik juftlari yaratilishi mumkin, lekin lazer nuqtasi elektrodlardan uzoqroq joylarga tushsa, e-h juftlarining aksariyati yo'q qilinadi va fotovoltaik effekt kuzatilmaydi. Lazer nuqtasini anod elektrodlariga o'tkazish, I o'qiga parallel bo'lgan IV egri chiziqlar ortib borayotgan lazer intensivligi bilan yuqoriga qarab harakat qiladi (1c-rasm). Xuddi shunday o'rnatilgan elektr maydoni anoddagi metall-super o'tkazgich birikmasida mavjud. Biroq, metall elektrod bu safar sinov tizimining musbat simiga ulanadi. Lazer tomonidan ishlab chiqarilgan teshiklar anod o'tkazgichga suriladi va shu bilan ijobiy Voc kuzatiladi. Bu erda keltirilgan natijalar supero'tkazgichdan metall elektrodga ishora qiluvchi interfeys potentsialining haqiqatan ham mavjudligini isbotlaydi.
300 K da YBa2Cu3O6.96 keramikadagi fotovoltaik effekt 1e-g-rasmda ko'rsatilgan. Yorug'lik yoritilmasa, namunaning IV egri chizig'i boshlang'ichni kesib o'tgan to'g'ri chiziqdir. Ushbu to'g'ri chiziq katod o'tkazgichlarida nurlanishning ortib borayotgan lazer intensivligi bilan asl chiziqqa parallel ravishda yuqoriga qarab harakat qiladi (1e-rasm). Fotovoltaik qurilma uchun qiziqishning ikkita cheklovchi holati mavjud. Qisqa tutashuv holati V = 0 bo'lganda sodir bo'ladi. Bu holda oqim qisqa tutashuv oqimi (Isc) deb ataladi. Ikkinchi cheklovchi holat - R→∞ yoki oqim nolga teng bo'lganda yuzaga keladigan ochiq tutashuv holati (Voc). Shakl 1e aniq ko'rsatadiki, Voc musbat va 50 K da olingan natijadan farqli o'laroq, yorug'lik intensivligi oshishi bilan ortadi; salbiy ISC yorug'lik yoritilishi bilan kattaligi oshishi kuzatiladi, bu oddiy quyosh hujayralarining odatiy xatti-harakati.
Xuddi shunday, lazer nuri elektrodlardan uzoqroq joylarga yo'naltirilganda, V (I) egri lazer intensivligiga bog'liq emas va fotovoltaik effekt paydo bo'lmaydi (1f-rasm). 50 K da o'lchashga o'xshab, IV egri chiziqlar anod elektrodini nurlantirganda teskari yo'nalishga o'tadi (1g-rasm). Ushbu YBCO-Ag pasta tizimi uchun namunaning turli pozitsiyalarida nurlangan lazer bilan 300 K da olingan barcha natijalar 50 K da kuzatilganga qarama-qarshi interfeys potentsialiga mos keladi.
Elektronlarning ko'pchiligi Kuper juftlarida YBCO ning o'tish haroratidan past bo'lgan o'ta o'tkazuvchanlikda kondensatsiyalanadi. Metall elektrodda barcha elektronlar yagona shaklda qoladi. Metall o'tkazgich interfeysi yaqinida ham yagona elektronlar, ham Kuper juftlari uchun katta zichlik gradienti mavjud. Metall materialdagi ko'pchilik tashuvchisi singulyar elektronlar o'ta o'tkazgich mintaqasiga tarqaladi, YBCO mintaqasidagi ko'pchilik tashuvchi Kuper juftlari esa metall hududga tarqaladi. Kuper juftlari ko'proq zaryadga ega va yagona elektronlarga qaraganda kattaroq harakatchanlikka ega bo'lib, YBCO dan metall hududga tarqalib ketganda, musbat zaryadlangan atomlar ortda qoladi, natijada kosmik zaryad hududida elektr maydoni paydo bo'ladi. Ushbu elektr maydonining yo'nalishi sxematik diagrammada 1d-rasmda ko'rsatilgan. Fazoviy zaryad zonasi yaqinida sodir bo'lgan foton yoritilishi teskari yo'nalishda fototokni hosil qilish uchun ajratiladigan va chiqarib yuboriladigan eh juftlarini yaratishi mumkin. Elektronlar o'rnatilgan elektr maydonidan chiqishi bilanoq, ular juft bo'lib kondensatsiyalanadi va boshqa elektrodga qarshiliksiz oqadi. Bunday holda, Voc oldindan o'rnatilgan polaritga qarama-qarshi bo'lib, lazer nuri salbiy elektrod atrofidagi maydonga ishora qilganda salbiy qiymatni ko'rsatadi. Voc qiymatidan interfeys bo'ylab potentsialni taxmin qilish mumkin: ikkita kuchlanish o'tkazgichlari orasidagi masofa d ~ 5 × 10−3 m, metall o'tkazgich interfeysining qalinligi, di, bir xil kattalik tartibida bo'lishi kerak. YBCO supero'tkazgichining kogerent uzunligi (~1 nm)19,20 sifatida, Voc = 0,03 mV qiymatini oling, metall o'tkazgich interfeysidagi potentsial Vms lazer intensivligi bilan 50 K da ~10−11 V deb baholanadi. 502 mVt/sm2, tenglamadan foydalangan holda,
Bu erda ta'kidlashni istaymizki, foto-induktsiya kuchlanishini foto termal effekt bilan izohlab bo'lmaydi. Eksperimental ravishda YBCO o'ta o'tkazgichning Seebek koeffitsienti Ss = 021 ekanligi aniqlandi. Mis qo'rg'oshin simlari uchun Seebek koeffitsienti SCu = 0,34-1,15 mkV / K3 oralig'ida. Lazer nuqtasidagi mis simning harorati oz miqdorda 0,06 K ga ko'tarilishi mumkin, maksimal lazer intensivligi 50 K da mavjud. Bu 6,9 × 10-8 V termoelektrik potentsialni hosil qilishi mumkin, bu esa termoelektrik potentsialdan uch marta kichikroqdir. 1 (a)-rasmda olingan Voc. Ko'rinib turibdiki, termoelektr effekti tajriba natijalarini tushuntirish uchun juda kichikdir. Aslida, lazer nurlanishidan kelib chiqadigan harorat o'zgarishi bir daqiqadan kamroq vaqt ichida yo'qoladi, shuning uchun termal ta'sirning hissasi xavfsiz tarzda e'tiborga olinmaydi.
YBCO ning xona haroratidagi bu fotovoltaik ta'siri bu erda boshqa zaryadni ajratish mexanizmi ishtirok etganligini ko'rsatadi. Oddiy holatda supero'tkazuvchi YBCO zaryad tashuvchisi sifatida teshiklari bo'lgan p-tipli materialdir22,23, metall Ag-pasta esa n-tipli materialning xususiyatlariga ega. Pn birikmalariga o'xshab, kumush pastasidagi elektronlarning tarqalishi va YBCO keramikasidagi teshiklar interfeysdagi YBCO keramikasiga ishora qiluvchi ichki elektr maydonini hosil qiladi (1h-rasm). Aynan shu ichki maydon ajratish kuchini ta'minlaydi va 1e-rasmda ko'rsatilganidek, xona haroratida YBCO-Ag pasta tizimi uchun ijobiy Voc va salbiy Isc ga olib keladi. Shu bilan bir qatorda, Ag-YBCO p-tipli Schottky birikmasini hosil qilishi mumkin, bu esa yuqorida keltirilgan modeldagi kabi bir xil qutbli interfeys potentsialiga olib keladi24.
YBCO ning supero'tkazgichga o'tishida fotovoltaik xususiyatlarning batafsil evolyutsiya jarayonini o'rganish uchun 80 K da namunaning IV egri chiziqlari katod elektrodida yorituvchi tanlangan lazer intensivliklari bilan o'lchandi (2-rasm). Lazer nurlanishisiz namunadagi kuchlanish oqimdan qat'iy nazar nol darajasida saqlanadi, bu namunaning 80 K da o'ta o'tkazuvchanlik holatini ko'rsatadi (2a-rasm). 50 K da olingan ma'lumotlarga o'xshab, I o'qiga parallel bo'lgan IV egri chiziqlar Pc kritik qiymatga erishilgunga qadar lazer intensivligining ortishi bilan pastga siljiydi. Ushbu tanqidiy lazer intensivligidan (Pc) yuqorida, o'ta o'tkazgich supero'tkazuvchi fazadan qarshilik fazasiga o'tadi; Supero'tkazgichdagi qarshilik ko'rinishi tufayli kuchlanish oqim bilan kuchaya boshlaydi. Natijada, IV egri chizig'i I o'qi va V o'qi bilan kesishishni boshlaydi va dastlab salbiy Voc va ijobiy Isc ga olib keladi. Endi namuna Voc va Isc qutblari yorug'lik intensivligiga juda sezgir bo'lgan maxsus holatda ko'rinadi; yorug'lik intensivligining juda oz ortishi bilan Isc musbatdan manfiyga va Voc manfiydan musbat qiymatga o'tadi, kelib chiqishini o'tadi (fotovoltaik xususiyatlarning yuqori sezuvchanligi, xususan, ISC qiymati, yorug'lik yoritilishiga nisbatan aniqroq ko'rish mumkin. 2b). Mavjud bo'lgan eng yuqori lazer intensivligida IV egri chiziqlar bir-biriga parallel bo'lib, YBCO namunasining normal holatini bildiradi.
Lazer nuqta markazi katod elektrodlari atrofida joylashgan (1i-rasmga qarang). a, IV turli lazer intensivligi bilan nurlangan YBCO egri chiziqlari. b (yuqori), ochiq tutashuv kuchlanishining lazer intensivligiga bog'liqligi Voc va qisqa tutashuv oqimi Isc. ISC qiymatlarini past yorug'lik intensivligida (<110 mVt/sm2) olish mumkin emas, chunki namuna o'ta o'tkazuvchan holatda bo'lganida IV egri chiziqlar I o'qiga parallel bo'ladi. b (pastki), lazer intensivligining funktsiyasi sifatida differentsial qarshilik.
80 K da Voc va Isc ning lazer intensivligiga bog'liqligi 2b-rasmda (yuqorida) ko'rsatilgan. Fotovoltaik xususiyatlar yorug'lik intensivligining uchta mintaqasida muhokama qilinishi mumkin. Birinchi mintaqa 0 va Pc oralig'ida bo'lib, unda YBCO o'ta o'tkazuvchan, Voc salbiy va yorug'lik intensivligi bilan kamayadi (mutlaq qiymat oshadi) va kompyuterda minimal darajaga etadi. Ikkinchi mintaqa Pc dan boshqa kritik intensivlik P0 ga o'tadi, bunda Voc kuchayadi, ISC esa yorug'lik intensivligi oshishi bilan kamayadi va ikkalasi ham P0 da nolga etadi. Uchinchi mintaqa YBCO ning normal holatiga etgunga qadar P0 dan yuqori. Voc va Isc ikkalasi ham 2-mintaqadagi kabi yorug'lik intensivligi bilan farq qilsa-da, ular P0 kritik intensivlikdan yuqori bo'lgan qarama-qarshi qutbga ega. P0 ning ahamiyati shundaki, fotovoltaik effekt yo'q va zaryadni ajratish mexanizmi ushbu aniq nuqtada sifat jihatidan o'zgaradi. YBCO namunasi yorug'lik intensivligining ushbu diapazonida o'ta o'tkazuvchan bo'lmaydi, ammo normal holatga hali erishilmaydi.
Shubhasiz, tizimning fotovoltaik xususiyatlari YBCO ning o'ta o'tkazuvchanligi va uning o'ta o'tkazuvchan o'tishi bilan chambarchas bog'liq. YBCO ning differentsial qarshiligi, dV/dI, 2b-rasmda (pastki) lazer intensivligi funktsiyasi sifatida ko'rsatilgan. Yuqorida aytib o'tilganidek, Kuper juftligi tufayli interfeysdagi o'rnatilgan elektr potentsiali supero'tkazgichdan metallga tarqalish nuqtalari. 50 K da kuzatilganga o'xshab, fotovoltaik effekt lazer intensivligini 0 dan Pc gacha oshirish bilan kuchayadi. Lazer intensivligi Pc dan biroz yuqoriroq qiymatga yetganda, IV egri chizig'i egilib, namunaning qarshiligi paydo bo'la boshlaydi, lekin interfeys potentsialining polaritesi hali o'zgarmagan. Optik qo'zg'alishning o'ta o'tkazuvchanlikka ta'siri ko'rinadigan yoki yaqin IQ mintaqasida o'rganilgan. Asosiy jarayon Kuper juftlarini parchalash va o'ta o'tkazuvchanlikni yo'q qilishdan iborat bo'lsa-da25,26, ba'zi hollarda o'ta o'tkazuvchanlik o'tishini kuchaytirish mumkin27,28,29, hatto o'ta o'tkazuvchanlikning yangi fazalarini keltirib chiqarishi mumkin30. Shaxsiy kompyuterda o'ta o'tkazuvchanlikning yo'qligi foto-induktsiyali juftlikning uzilishi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. P0 nuqtasida interfeys bo'ylab potentsial nolga aylanadi, bu interfeysning har ikki tomonidagi zaryad zichligi yorug'lik yoritilishining ushbu aniq intensivligi ostida bir xil darajaga yetganini ko'rsatadi. Lazer intensivligining yanada oshishi ko'proq Kuper juftlarining yo'q qilinishiga olib keladi va YBCO asta-sekin p-tipli materialga aylanadi. Elektron va Kuper juft diffuziyasining o'rniga, interfeysning xususiyati endi elektron va teshik diffuziyasi bilan belgilanadi, bu interfeysdagi elektr maydonining polaritesini teskarisiga olib keladi va natijada ijobiy Voc (1d, h ni solishtiring). Juda yuqori lazer intensivligida YBCO ning differentsial qarshiligi normal holatga mos keladigan qiymatga to'yingan va ikkala Voc va Isc lazer intensivligi bilan chiziqli ravishda o'zgarib turadi (2b-rasm). Ushbu kuzatish shuni ko'rsatadiki, YBCO normal holatida lazer nurlanishi endi uning qarshiligini va o'ta o'tkazgich-metall interfeysining xususiyatini o'zgartirmaydi, faqat elektron teshik juftlarining kontsentratsiyasini oshiradi.
Haroratning fotovoltaik xususiyatlarga ta'sirini o'rganish uchun metall o'tkazgich tizimi katodda 502 mVt / sm2 intensivlikdagi ko'k lazer bilan nurlantirildi. 50 dan 300 K gacha tanlangan haroratlarda olingan IV egri chiziqlar 3a-rasmda keltirilgan. Ochiq tutashuv kuchlanishi Voc, qisqa tutashuv oqimi Isc va differentsial qarshilik keyinchalik ushbu IV egri chiziqlardan olinishi mumkin va 3b-rasmda ko'rsatilgan. Yorug'lik yoritilmasa, turli haroratlarda o'lchangan barcha IV egri chiziqlar kutilgandek kelib chiqadi (3a-rasmning ichki qismi). Tizim nisbatan kuchli lazer nurlari (502 mVt/sm2) bilan yoritilganda IV xarakteristikalari harorat oshishi bilan keskin o‘zgaradi. Past haroratlarda IV egri chiziqlar I-o'qiga parallel bo'lgan to'g'ri chiziqlar bo'lib, Voc ning manfiy qiymatlari. Bu egri chiziq ortib borayotgan harorat bilan yuqoriga qarab harakat qiladi va asta-sekin Tcp kritik haroratda nolga teng bo'lmagan nishabli chiziqqa aylanadi (3a-rasm (yuqorida)). Ko'rinishidan, barcha IV xarakterli egri chiziqlar uchinchi kvadrantdagi nuqta atrofida aylanadi. Voc manfiy qiymatdan musbatga oshadi, Isc esa musbat qiymatdan manfiy qiymatga kamayadi. YBCO ning dastlabki supero'tkazuvchi o'tish harorati Tc dan yuqori, IV egri haroratga nisbatan ancha farq qiladi (3a-rasmning pastki qismi). Birinchidan, IV egri chiziqlarning aylanish markazi birinchi kvadrantga o'tadi. Ikkinchidan, harorat ortishi bilan Voc pasayib boraveradi va Isc ortib boradi (3b-rasmning yuqorisi). Uchinchidan, IV egri chiziqlarning qiyaligi harorat bilan chiziqli ravishda oshadi, natijada YBCO uchun qarshilikning ijobiy harorat koeffitsienti paydo bo'ladi (3b-rasmning pastki qismi).
502 mVt/sm2 lazerli yoritish ostida YBCO-Ag pasta tizimi uchun fotovoltaik xususiyatlarning haroratga bog'liqligi.
Lazer nuqta markazi katod elektrodlari atrofida joylashgan (1i-rasmga qarang). a, IV egri chiziqlar 50 dan 90 K gacha (yuqorida) va 100 dan 300 K gacha (pastda) mos ravishda 5 K va 20 K harorat ortishi bilan olinadi. Inset a qorong'uda bir necha haroratlarda IV xususiyatlarini ko'rsatadi. Barcha egri chiziqlar boshlang'ich nuqtasini kesib o'tadi. b, ochiq tutashuv kuchlanishi Voc va qisqa tutashuv oqimi Isc (yuqori) va differensial qarshilik, dV/dI, YBCO (pastki) haroratga bog'liq. Nol qarshilik supero'tkazuvchi o'tish harorati Tcp berilmaydi, chunki u Tc0 ga juda yaqin.
3b-rasmda uchta kritik haroratni aniqlash mumkin: Tcp, undan yuqorida YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lmaydi; Tc0, bunda Voc ham, Isc ham nolga aylanadi va Tc, lazer nurlanishisiz YBCO ning boshlang'ich supero'tkazuvchi o'tish harorati. Tcp ~ 55 K dan pastda, lazer bilan nurlangan YBCO Kuper juftlarining nisbatan yuqori konsentratsiyasi bilan o'ta o'tkazuvchanlik holatidadir. Lazer nurlanishining ta'siri fotovoltaik kuchlanish va oqim ishlab chiqarishga qo'shimcha ravishda Cooper juft kontsentratsiyasini kamaytirish orqali nol qarshilik supero'tkazuvchi o'tish haroratini 89 K dan ~ 55 K gacha (3b-rasmning pastki qismi) kamaytirishdir. Haroratning oshishi Kuper juftlarini ham buzadi, bu esa interfeysdagi potentsialning pasayishiga olib keladi. Shunday qilib, lazer nurlanishining bir xil intensivligi qo'llanilsa ham, Voc ning mutlaq qiymati kichikroq bo'ladi. Interfeys potentsiali haroratning yanada oshishi bilan kichikroq va kichikroq bo'ladi va Tc0 da nolga etadi. Ushbu maxsus nuqtada fotovoltaik effekt yo'q, chunki foto-induktsiyalangan elektron teshik juftlarini ajratish uchun ichki maydon yo'q. Potensialning qutbli teskarisi bu kritik haroratdan yuqori bo'ladi, chunki Ag pastasidagi erkin zaryad zichligi YBCO dan kattaroq bo'lib, asta-sekin p-tipli materialga qaytariladi. Bu erda biz Voc va Isc ning polaritning teskari o'zgarishi, o'tishning sababidan qat'i nazar, nol qarshilik supero'tkazuvchi o'tishdan so'ng darhol sodir bo'lishini ta'kidlamoqchimiz. Ushbu kuzatish birinchi marta o'ta o'tkazuvchanlik va metall o'tkazgich interfeysi potentsiali bilan bog'liq fotovoltaik effektlar o'rtasidagi bog'liqlikni aniq ochib beradi. Supero'tkazgich-normal metall interfeysidagi ushbu potentsialning tabiati so'nggi bir necha o'n yilliklar davomida tadqiqot markazida bo'lib kelgan, ammo hali ham javobni kutayotgan ko'plab savollar mavjud. Fotovoltaik effektni o'lchash ushbu muhim potentsialning tafsilotlarini (masalan, uning kuchi va qutbliligi va boshqalarni) o'rganishning samarali usuli bo'lishi mumkin va shuning uchun yuqori haroratli o'ta o'tkazuvchanlik yaqinlik effektiga oydinlik kiritadi.
Haroratning Tc0 dan Tc gacha ko'tarilishi Kuper juftlarining kichikroq konsentratsiyasiga va interfeys potentsialining oshishiga va natijada kattaroq Vocga olib keladi. Tc da Kuper jufti kontsentratsiyasi nolga aylanadi va interfeysdagi o'rnatilgan potentsial maksimal darajaga etadi, natijada maksimal Voc va minimal Isc. Ushbu harorat oralig'ida Voc va Isc (mutlaq qiymat) tez o'sishi 502 mVt / sm2 intensivlikdagi lazer nurlanishi bilan DT ~ 3 K dan ~ 34 K gacha kengaytirilgan supero'tkazuvchi o'tishga mos keladi (3b-rasm). Tc dan yuqori bo'lgan normal holatlarda ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanish Voc harorat bilan kamayadi (3b-rasmning yuqorisi), pn birikmalariga asoslangan oddiy quyosh xujayralari uchun Voc ning chiziqli xatti-harakatiga o'xshaydi31,32,33. Lazer intensivligiga kuchli bog'liq bo'lgan harorat (−dVoc/dT) bilan Voc ning o'zgarish tezligi oddiy quyosh batareyalariga qaraganda ancha kichik bo'lsa-da, YBCO-Ag ulanishi uchun Voc harorat koeffitsienti xuddi shunday kattalik tartibiga ega. quyosh xujayralari. Oddiy quyosh xujayrasi qurilmasi uchun pn o'tish joyining qochqin oqimi harorat oshishi bilan ortadi, bu esa harorat oshishi bilan Vocning pasayishiga olib keladi. Ushbu Ag-supero'tkazgich tizimi uchun kuzatilgan chiziqli IV egri chiziqlar, birinchidan, interfeysning juda kichik potentsiali va ikkinchidan, ikkita hetero-o'tkazgichning orqa-orqa ulanishi tufayli, oqish oqimini aniqlashni qiyinlashtiradi. Shunga qaramay, oqish oqimining bir xil haroratga bog'liqligi bizning tajribamizda kuzatilgan Voc harakati uchun javobgar bo'lishi mumkin. Ta'rifga ko'ra, Isc - bu umumiy kuchlanish nolga teng bo'lishi uchun Vocni kompensatsiya qilish uchun salbiy kuchlanish ishlab chiqarish uchun zarur bo'lgan oqim. Harorat oshgani sayin, Voc kichikroq bo'ladi, shuning uchun salbiy kuchlanish hosil qilish uchun kamroq oqim kerak bo'ladi. Bundan tashqari, YBCO ning qarshiligi Tc dan yuqori harorat bilan chiziqli ravishda oshadi (3b-rasmning pastki qismi), bu ham yuqori haroratlarda Isc ning kichik mutlaq qiymatiga hissa qo'shadi.
E'tibor bering, 2,3-rasmlarda keltirilgan natijalar katod elektrodlari atrofida lazer nurlanishi orqali olingan. O'lchovlar anodda joylashgan lazer nuqtasi bilan ham takrorlangan va shunga o'xshash IV xarakteristikalari va fotovoltaik xususiyatlar kuzatilgan, bundan tashqari, bu holatda Voc va Isc qutblari teskari bo'lgan. Bu ma'lumotlarning barchasi supero'tkazgich-metall interfeysi bilan chambarchas bog'liq bo'lgan fotovoltaik effekt mexanizmiga olib keladi.
Xulosa qilib aytganda, lazer nurlangan supero'tkazuvchi YBCO-Ag pasta tizimining IV xarakteristikalari harorat va lazer intensivligi funktsiyalari sifatida o'lchandi. Ajoyib fotovoltaik effekt 50 dan 300 K gacha bo'lgan harorat oralig'ida kuzatildi. Fotovoltaik xususiyatlar YBCO keramikasining supero'tkazuvchanligi bilan kuchli bog'liqligi aniqlandi. Voc va Isc qutblarining teskari o'zgarishi foto-induktsiyali o'ta o'tkazgichning o'ta o'tkazuvchan bo'lmaganga o'tishidan so'ng darhol sodir bo'ladi. Ruxsat etilgan lazer intensivligida o'lchangan Voc va Isc ning haroratga bog'liqligi, shuningdek, namuna rezistiv bo'ladigan kritik haroratda aniq polaritning o'zgarishini ko'rsatadi. Namunaning turli qismlarida lazer nuqtasini aniqlash orqali biz interfeys bo'ylab elektr potentsial mavjudligini ko'rsatamiz, bu foto induktsiyalangan elektron teshik juftlarini ajratish kuchini ta'minlaydi. Ushbu interfeys potentsiali YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganda YBCO dan metall elektrodga yo'naltiriladi va namuna supero'tkazuvchan bo'lmaganda teskari yo'nalishga o'tadi. Potensialning kelib chiqishi tabiiy ravishda YBCO o'ta o'tkazuvchan bo'lganida metall-o'ta o'tkazgich interfeysidagi yaqinlik effekti bilan bog'liq bo'lishi mumkin va lazer intensivligi 502 mVt/sm2 bo'lgan 50 K da ~ 10−8 mV deb baholanadi. P-tipli YBCO materialining normal holatda n-tipli material bilan aloqasi Ag-pasta yuqori haroratlarda YBCO keramikasining fotovoltaik harakati uchun javobgar bo'lgan kvazi-pn birikmasini hosil qiladi. Yuqoridagi kuzatishlar yuqori haroratli supero'tkazuvchi YBCO keramikasidagi PV effektini yoritib beradi va tez passiv yorug'lik detektori va bitta foton detektori kabi optoelektronik qurilmalarda yangi ilovalarga yo'l ochadi.
Fotovoltaik ta'sir tajribalari qalinligi 0,52 mm va 8,64 × 2,26 mm2 to'rtburchaklar shaklidagi YBCO keramika namunasida o'tkazildi va radiusda 1,25 mm lazer nuqta o'lchamiga ega bo'lgan doimiy to'lqinli ko'k-lazer (l = 450 nm) bilan yoritilgan. Yupqa plyonkali namunadan ko'ra quyma namunadan foydalanish bizga substratning murakkab ta'siriga duch kelmasdan supero'tkazgichning fotovoltaik xususiyatlarini o'rganish imkonini beradi6,7. Bundan tashqari, ommaviy material oddiy tayyorlash jarayoni va nisbatan arzonligi uchun qulay bo'lishi mumkin. Mis qo'rg'oshin simlari YBCO namunasida kumush pasta bilan birlashtirilib, diametri 1 mm bo'lgan to'rtta dumaloq elektrod hosil qiladi. Ikki kuchlanish elektrodlari orasidagi masofa taxminan 5 mm. Namunaning IV xarakteristikalari kvarts kristalli oynali tebranish namunasi magnitometri (VersaLab, Quantum Design) yordamida o'lchandi. IV egri chiziqlarni olish uchun standart to'rt simli usul ishlatilgan. Elektrodlarning nisbiy joylashuvi va lazer nuqtasi 1i-rasmda ko'rsatilgan.
Ushbu maqolani qanday keltirish mumkin: Yang, F. va boshqalar. Supero'tkazuvchi YBa2Cu3O6.96 keramikadagi fotovoltaik effektning kelib chiqishi. Sci. Rep. 5, 11504; doi: 10.1038/srep11504 (2015).
Chang, CL, Kleinhammes, A., Moulton, WG & Testardi, LR YBa2Cu3O7 da simmetriya bilan ta'qiqlangan lazerli kuchlanishlar. fizika. Rev. B 41, 11564–11567 (1990).
Kwok, HS, Zheng, JP & Dong, SY Y-Ba-Cu-O-dagi anomal fotovoltaik signalning kelib chiqishi. fizika. Rev. B 43, 6270–6272 (1991).
Vang, LP, Lin, JL, Feng, QR & Vang, GW Supero'tkazuvchi Bi-Sr-Ca-Cu-O ning lazer ta'siri ostida kuchlanishlarini o'lchash. fizika. Rev. B 46, 5773–5776 (1992).
Tate, KL va boshqalar. YBa2Cu3O7-x ning xona haroratidagi plyonkalarida vaqtinchalik lazerli kuchlanishlar. J. Ilova. fizika. 67, 4375–4376 (1990).
Kwok, HS & Zheng, JP YBa2Cu3O7 da anomal fotovoltaik javob. fizika. Rev. B 46, 3692–3695 (1992).
Muraoka, Y., Muramatsu, T., Yamaura, J. & Xiroi, Z. Oksidli heterostrukturada YBa2Cu3O7−x ga fotogeneratsiyalangan teshik tashuvchisi in'ektsiyasi. Ilova. fizika. Lett. 85, 2950–2952 (2004).
Asakura, D. va boshqalar. YBa2Cu3Oy yupqa plyonkalarni yorug'lik nuri ostida fotoemissiyaviy o'rganish. fizika. Rev. Lett. 93, 247006 (2004 yil).
Yang, F. va boshqalar. YBa2Cu3O7-d/SrTiO3 ning fotovoltaik ta'siri: Nb hetero-birikmasi turli kislorod qisman bosimida tavlanadi. Mater. Lett. 130, 51–53 (2014).
Aminov, BA va boshqalar. Yb(Y)Ba2Cu3O7-x monokristallarida ikki bo'shliqli tuzilish. J. Superkond. 7, 361–365 (1994).
Kabanov, VV, Demsar, J., Podobnik, B. & Mihailovic, D. Turli bo'shliq tuzilmalari bo'lgan supero'tkazgichlarda kvasipartikulyar gevşeme dinamikasi: YBa2Cu3O7-d bo'yicha nazariya va tajribalar. fizika. Rev. B 59, 1497–1506 (1999).
Sun, JR, Xiong, CM, Chjan, YZ & Shen, BG YBa2Cu3O7-d/SrTiO3 ning rektifikatsiya qiluvchi xususiyatlari: Nb hetero-birikmasi. Ilova. fizika. Lett. 87, 222501 (2005 yil).
Kamaras, K., Porter, CD, Doss, MG, Herr, SL & Tanner, DB YBa2Cu3O7-d da eksitonik yutilish va supero'tkazuvchanlik. fizika. Rev. Lett. 59, 919–922 (1987).
Yu, G., Heeger, AJ & Stucky, G. YBa2Cu3O6.3 ning yarim o'tkazgichli monokristallarida vaqtinchalik fotoinduktsiyali o'tkazuvchanlik: fotoinduktsiyalangan metall holatini va fotoinduktsiyali supero'tkazuvchanlikni qidirish. Solid State Commun. 72, 345–349 (1989).
McMillan, WL Supero'tkazuvchilar yaqinlik effektining tunnel modeli. fizika. Vahiy 175, 537–542 (1968).
Guéron, S. va boshqalar. Mezoskopik uzunlik shkalasida tekshirilgan supero'tkazuvchi yaqinlik effekti. fizika. Rev. Lett. 77, 3025–3028 (1996).
Annunziata, G. & Manske, D. Noncentrosimmetrik supero'tkazgichlar bilan yaqinlik effekti. fizika. Vahiy B 86, 17514 (2012).
Qu, FM va boshqalar. Pb-Bi2Te3 gibrid tuzilmalarida kuchli supero'tkazuvchi yaqinlik ta'siri. Sci. Rep. 2, 339 (2012).
Chapin, DM, Fuller, CS & Pearson, GL Quyosh radiatsiyasini elektr energiyasiga aylantirish uchun yangi kremniy pn ulanish fotoseli. J. Ilova. fizika. 25, 676–677 (1954).
Tomimoto, K. Zn- yoki Ni-doped YBa2Cu3O6.9 monokristallarida supero'tkazuvchi kogerentlik uzunligiga nopoklik ta'siri. fizika. Vahiy B 60, 114–117 (1999).
Ando, Y. & Segawa, K. Dopingning keng diapazonida birlashtirilmagan YBa2Cu3Oy monokristallarining magnit qarshiligi: kogerentlik uzunligining anomal teshik-dopingga bog'liqligi. fizika. Rev. Lett. 88, 167005 (2002).
Obertelli, SD & Cooper, JR Yuqori T, oksidlarning termoelektrik kuchida sistematika. fizika. Rev. B 46, 14928–14931, (1992).
Sugai, S. va boshqalar. Kogerent tepalikning tashuvchisi zichligiga bog'liq bo'lgan momentum siljishi va p-tipli yuqori Tc supero'tkazgichlarda LO fonon rejimi. fizika. Rev. B 68, 184504 (2003).
Nojima, T. va boshqalar. Elektrokimyoviy texnikadan foydalangan holda YBa2Cu3Oy yupqa plyonkalarda teshiklarning qisqarishi va elektron to'planishi: n-tipli metall holatiga dalil. fizika. Rev. B 84, 020502 (2011).
Tung, RT Shottki to'siq balandligining fizikasi va kimyosi. Ilova. fizika. Lett. 1, 011304 (2014 yil).
Sai-Halasz, GA, Chi, CC, Denenstein, A. & Langenberg, DN Supero'tkazuvchi filmlarda dinamik tashqi juftlikning buzilishining ta'siri. fizika. Rev. Lett. 33, 215–219 (1974).
Nieva, G. va boshqalar. Supero'tkazuvchanlikning fotoinduktsiyali kuchayishi. Ilova. fizika. Lett. 60, 2159–2161 (1992).
Kudinov, VI va boshqalar. YBa2Cu3O6+x filmlarida doimiy fotoo'tkazuvchanlik metall va o'ta o'tkazuvchanlik fazalariga fotodoping usuli sifatida. fizika. Rev. B 14, 9017–9028 (1993).
Mankovskiy, R. va boshqalar. YBa2Cu3O6.5 da kengaytirilgan supero'tkazuvchanlik uchun asos sifatida chiziqli bo'lmagan panjara dinamikasi. Tabiat 516, 71–74 (2014).
Fausti, D. va boshqalar. Chiziqli tartibli kupratda yorug'likdan kelib chiqqan o'ta o'tkazuvchanlik. Fan 331, 189–191 (2011).
El-Adawi, MK & Al-Nuaim, IA Quyosh xujayrasi uchun VOC ning haroratga bog'liqligi uning samaradorligiga yangi yondashuv. Tuzsizlantirish 209, 91–96 (2007).
Vernon, SM & Anderson, WA Schottky-to'siqli silikon quyosh xujayralarida harorat effektlari. Ilova. fizika. Lett. 26, 707 (1975).
Katz, EA, Faiman, D. & Tuladhar, SM. Ish sharoitida polimer-fulleren quyosh xujayralarining fotovoltaik qurilma parametrlari uchun haroratga bog'liqlik. J. Ilova. fizika. 90, 5343–5350 (2002).
Ushbu ish Xitoyning Milliy tabiiy fanlar jamg'armasi (Grant No 60571063), Xenan viloyati, Xitoyning fundamental tadqiqot loyihalari (Grant No 122300410231) tomonidan qo'llab-quvvatlangan.
FY qog'oz matnini yozdi va MYH YBCO keramika namunasini tayyorladi. FY va MYH tajriba o'tkazdi va natijalarni tahlil qildi. FGC loyihani va ma'lumotlarning ilmiy talqinini boshqargan. Barcha mualliflar qo'lyozmani ko'rib chiqdilar.
Bu ish Creative Commons Attribution 4.0 xalqaro litsenziyasi ostida litsenziyalangan. Ushbu maqoladagi tasvirlar yoki boshqa uchinchi tomon materiallari, agar kredit liniyasida boshqacha ko'rsatilmagan bo'lsa, maqolaning Creative Commons litsenziyasiga kiritilgan; agar material Creative Commons litsenziyasiga kiritilmagan bo'lsa, foydalanuvchilar materialni takrorlash uchun litsenziya egasidan ruxsat olishlari kerak bo'ladi. Ushbu litsenziya nusxasini koʻrish uchun http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ saytiga tashrif buyuring.
Yang, F., Han, M. & Chang, F. Supero'tkazuvchi YBa2Cu3O6.96 keramikadagi fotovoltaik effektning kelib chiqishi. Sci Rep 5, 11504 (2015). https://doi.org/10.1038/srep11504
Fikr qoldirish orqali siz Shartlar va Hamjamiyat ko‘rsatmalarimizga rioya qilishga rozilik bildirasiz. Agar siz haqoratomuz biror narsani topsangiz yoki u bizning shartlar yoki ko'rsatmalarimizga mos kelmasa, uni nomaqbul deb belgilang.
Yuborilgan vaqt: 22-aprel, 2020-yil