11.3 Фотоэлементы из арсенида галлия

11.3.1 Введение

Так как ширина запрещенной энергетической зоны у арсенида галлия составляет 1,43 эВ, а коэффициент поглощения достаточно высок, арсенид галлия – материал с прямыми переходами – вполне применим для производства фотоэлементов. Однако до сих пор, в силу высокой себестоимости производства фотоэлементы из арсенида галлия применялись только в космической технике и некоторых иных узких сферах, например, в концентрирующих коллекторах. Для производства чистого арсенида галлия необходимы чистый галлий и чистый мышьяк, в результате соединения которых и поучают арсенид галлия. Большинство производимых в настоящее время фотоэлементом из арсенида галлия состоят из тонкой пленки из арсенида галлия, выращенной на подложке, например, из германия, при помощи того или иного метода выращивания тонких пленок.

11.3.2 Получение чистых компонентов для производства фотоэлементов

Галлий [20]

О теоретической возможности существования галлия говорил еще Менделеев, практически он был обнаружен в 1875 г. французским химиком по имени Лекок де Буабодран при помощи спектроскопического анализа. В том же году де Буабодран выделил галлий из его гидроксида методом электролиза. Галлий представляет собой металл, который принимает жидкую форму при температуре чуть выше комнатной, но имеет очень высокую точку кипения. В природе галлий встречается в виде микропримесей диаспора, сфалерита, германитов, бокситов, угля, все из которых, помимо галлия, содержат цинк, германий или алюминий. На самом деле, в угольной пыли может содержаться до 1,5% галлия, но, как правило, его содержание не превышает 0,1%. В относительных цифрах, галлий в природе имеет приблизительно такую же распространенность, как и свинец и мышьяк, однако процентное содержания галлия в природных минералах редко превышает 1 %. Основным источником галлия является боксит при том, что в бокситной руде содержится всего лишь 0,003-0,01% галлия.

Для выделения галлия пользуются различными методами, выбор которых зависит от основного материала, в котором галлий присутствует в качестве примеси. Например, в боксите весовое соотношение алюминия и галлия составляет приблизительно 8000:1 соответственно. Например, метод Баера, используемый для извлечения алюминия, на первом этапе предполагает смешивание боксита с раствором гидроксида натрия (раствором каустической соды). Затем полученный раствор подвергают обработке в автоклаве, разбавляют, сцеживают, при этом удаляя из материала красную глину. Затем реакция разложения продолжается, в результате чего из материала выделяется гидрат алюминия / гидрат окиси алюминия, а также экстракты, в которых отношение алюминия к галлию составляет около 200:1. Далее полученная смесь галлия и алюминия подвергается выпариванию и снова смешивается с гидроксидом натрия, после чего весь процесс (смешивание, обработка в автоклаве, разбавление, сцеживание и разложение) повторяется снова.

После того как соотношение алюминия и галлия в алюминиевокислом натрии достигнет 200:1, раствор алюминиевокислого натрия можно подвергнуть обработке такими методами, как, например, метод Печини, схема которого приведена на Рисунке 11.10. По методу Печини, который был предложен Beja (?) и стал применяться после Второй мировой войны, раствор алюминиевокислого натрия подвергают воздействию углекислого газа. Реакция проходит в несколько этапов. На первом этапе, значительная часть натрия /(гидроксида натрия) и окиси алюминия выпадает в осадок. В результате остается (щелочной) раствор с богатым содержанием галлия, из которого выделяют окись алюминия с высоким содержанием галлия. Полученную окись алюминия снова разбавляют гидроксидом натрия и реакция фракционной сатурации (обогащение углекислотой) повторяется вновь. В итоге, повторив реакцию фракционной сатурации достаточное количество раз, получают смешанный оксид с такой концентрацией галлия, что становится возможным выделить его из раствора гидроксида натрия методом электролитического осаждения.

Рисунок 11.10 Получение галлия методом Печини (Beja) [20].