Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

9.6.5 Ge Cells
9.6.5.1 Optical properties of Ge
The optical and electronic properties of Ge are well documented (see Reference [37]).
Germanium has a lattice constant close to that of GaAs and has a diamond structure. It is
also mechanically stronger than GaAs and, hence, has long been viewed as an excellent
substitute for GaAs substrates. With a band gap of 0.67 eV, it is current matched to a thin
GaAs top cell [7] and is also a good bottom-cell candidate in a four-junction stack [99].
However, in both these cases, it has several properties that put it at a disadvantage:
•
The
V
OC
is limited by its indirect band gap to about 300 mV and is relatively more
sensitive to temperature [100].
•
It is relatively expensive, hence, it cannot be viewed as a one-sun solar cell material
(with the exception of its use in space).
•
Germanium is an
n
-type dopant in GaAs and GaInP. In GaInP, it also exhibits ampho-
teric behavior with a compensation ratio
N
a
/
N
d
=
0
.
4 [101] and has been associated
with a deep acceptor state [102].
•
Gallium, As, In, and P are all shallow dopants in Ge. Hence, the control of the
junction-formation process becomes complicated when it is combined with the III-V
heteroepitaxy process (
vide infra
).
9.6.5.2 Junction formation
Diffusion of a Group V or a Group III dopant into a Ge substrate is the most common
junction-formation process for Ge subcells. Indeed, because of the proximity of III-V

---

MATERIALS ISSUES RELATED TO GaInP/GaAs/Ge SOLAR CELLS
395
epilayers and the high temperatures involved in heteroepitaxial process, diffusion of both
Group III and Group V atoms into the Ge substrate is unavoidable. The challenge is
to control the process so as to obtain a Ge subcell with good photovoltaic properties
and simultaneously form a defect-free heteroepitaxial layer of GaAs with the appropriate
conductivity type and level. A detailed description of the optimum process is beyond the
scope of the review, but a few critical factors that have to be considered are listed below:
•
Diffusion coefficients are thermally activated. So, in general, dopants and junctions are
less mobile and more stable at lower growth temperatures.
•
As noted by Tobin
et al
. [103], the diffusion coefficient of As in Ge at 700
◦
C is higher
than that of Ga, but the solid solubility of Ga is larger than that of As.
•
For three-junction GaInP/GaAs/Ge devices with a reasonably good-quality Ge subcell,
the only Ge device parameter that is of consequence is the
V
OC
, because the
J
SC
of the
Ge subcell is potentially much greater than that of the GaInP (or GaAs) subcell.
•
The highest
V
OC
of a Ge solar cell reported to date is 0.239 [100]. This
V
OC
is a
sensitive function of process conditions and is most sensitive to the quality of the
III-V/Ge interface and its fabrication [100].
•
AsH
3
etches Ge. The etch rate increases with temperature and AsH
3
partial pressure.
Heavily etched, singular and vicinal Ge(100) surfaces are microscopically rough [104].
Hence, prolonged AsH
3
exposures should be avoided.
•
The etch rate for PH
3
is much lower, and there appears to be much less roughening of
the surface from PH
3
exposure [104]. The diffusion coefficient of
P
at 600
◦
C is about
two orders of magnitude lower than that of As [37]. Hence, PH
3
may be a better Group
V,
n
-type dopant than AsH
3
.