高温超导材料ybco与smoffeas的光伏特性研究

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1、单位代码U476学号l：.02j〇f0.16分类号0^69L…—」对為鉀私夫摩博士学位论文高温超导材料YSCO与心YFeAsSV电伏S•没研究学科、专业：物埋学、凝聚态场理研究方向：高温超导材料的光伏特性研究甲请学位类别：理学博士申指丨导凊人师杨枫常方I]教投二C—五年四弓PhotovoltaicpropertiesofhighTcsuperconductorYBCOandSmOFFeAsADissertationSubmittedtotheGraduateSchoolofHenanNormalUniversityinPartialFulfillment

2、oftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinScienceByYangFengSupervisor:Prof.ChangFanggaoApril.2015摘要近年来，高温超导材料钇钡铜氧(YBa2Cu3O7-、YBCO)以其优越的物理性能在强磁体和电力方面得到广泛应用。自上世纪九十年代至今，世界各国科研人员一直在研究光对高温超导材料电学性能、磁学性能以及超导性能的影响。大量实验证明光对改善高温超导材料YBCO的物性有着不可忽视的作用。2004年日本的Asakura等人用脉冲紫外光(300-400

3、nm)和连续X射线(355nm)照射在掺铌的钛酸锶基底材料上生长的YBCO薄膜(YBCO/NSTO)，观察到0.8V的开路电压，揭示了高温超导材料在光伏领域的潜在应用前景。本文研究高温超导薄膜样品和块材样品的光伏特性，研究内容包括以下几个方面：首先对YBCO薄膜与NSTO衬底所构成异质结的光伏特性进行研究。当模拟太阳光照射YBCO/NSTO异质结时，观察到明显的光伏效应：开路电压达1.065V。为了研究高温超导材料YBCO在YBCO/NSTO异质结光伏效应中的作用，我们在逐渐增加氧分压的条件下对异质结进行退火处理，发现YBCO薄膜氧含量与异质结的光伏效应

4、密切相关：富氧的YBCO薄膜与NSTO构成肖特基结而缺氧的YBCO薄膜与NSTO构成p-n结，两种异质结所产生的光伏效应不同。YBCO/NSTO异质结光伏效应与样品温度有很大关系：随着环境温度的升高，开路电压线性减小，短路电流线性增大。在对YBCO/NSTO异质结进行退火处理时，最好先将退火炉抽为高真空状态，然后通入高纯氧气，这样可以避免在YBCO样品表面引入杂质，出现S型I-V曲线，使器件填充因子减小，影响光电转换效率。其次对YBCO块材与金属电极所构成异质结的光伏特性进行系统研究。激光照射YBCO样品电极(银或银胶电极)附近时，样品的I-V特性曲线发

5、生明显变化。当YBCO处于正常态时，光照样品负极附近，I-V特性曲线偏离原点且随着光强的增加而平行上移，分别与x轴和y轴相交，形成短路电流和开路电压；当光照样品正极时，所观测的现象与光照负极恰恰相反；而当激光光照射YBCO两电极中间位置时，I-V特性不再随着光强的变化而变化，开路电压和短路电流都为零。由实验现象分析可知，即使是在欧姆接触的情况下，在YBCO陶瓷和Ag电极之间的界面处也存在一个电势差。正常态IYBCO与Ag所构成异质结的界面处内建电场方向方向由Ag电极指向YBCO样品。超导态的界面处内建电场方向恰好相反，由超导体指向金属电极。通过研究温度、

6、激光光强、磁场对YBCO/Ag异质结光伏特性的影响，建立了YBCO/Ag异质结光伏效应的物理模型，为进一步深入研究超导-金属界面处的邻近效应提供了新思路和新方法。超导态界面势的发现，对深入研究高温超导材料的超导机理有着十分重要的意义。在对正常态YBCO与Ag电极构成的异质结光伏特性测试过程中我们发现，光强一定时，不同温度下样品的I-V特性曲线相交于一点。当激励电流与该点对应的电流相等时，样品在很大温区内可输出稳定电压，具有零电阻温度系数效应。这种由激光诱导产生的零电阻温度系数对拓展高温超导材料YBCO在光电子领域的新应用有重要意义。最后我们对n型铁基超导

7、材料SmOFFeAs与金属电极构成的异质结的光伏特性进行研究。结果发现，无论在超导态还是在正常态，用激光照射SmOFFeAs电极附近时，均可观察到非常明显的光伏效应。光照正常态SmOFFeAs样品时，开路电压和短路电流的绝对值均随温度的升高而减小；在某一温度下，光伏效应随着光强的增加而增强。进一步的研究发现在超导转变温度附近磁场对SmOFFeAs样品的光伏效应有显著影响。与铜基高温超导材料YBCO光伏特性相对比，相同条件下SmOFFeAs样品的开路电压和短路电流(绝对值)都较YBCO大。因此，通过研究SmOFFeAs样品光生电压的建立过程来研究界面势的形

8、成可大大减小分析误差。在超导态，n型铁基高温超导材料SmOFFeAs和p型铜基高