Sudan University of Science and Technology College of Graduate Studies Department of Electrical Engineering

 
 
 
 
 
 
Figure 3.6 Photo generated carriers in a solar cell due to absorption of light 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 3.7 Finger electrodes on a pn junction solar cell
Solar cell I-V characteristics: 
It possible to calculate the I-V characteristics of the solar cell by 
considering its equivalent circuit. The I-V characteristics depend on the intensity 
of the incident radiation and the operating point (external load) of the cell. 
Consider a pn junction solar cell under illumination, as shown in figure 3.8. If 
the external circuit is a short circuit, (external load resistance is zero) then the 
only current is due to the generated EHPs by the incident light. This is called the 
photocurrent, denoted by I
ph
. Another name for this is the short circuit current, 

---

28 
I
sc
. By definition of current, this is opposite to the photo current and is related to 
the intensity of the incident radiation, I
op
, by
I
sc
= 
−I
ph
= 
−kI
op 
……………….…………. 3.1 
Where k is a constant and depends on the particular device. K is equivalent to an 
e
ffi
ciency metric that measures the conversion of light into EHPs. Consider the 
case when there is an external load R, as shown in figure 3.8. The equivalent 
circuit for this case is shown in figure 3.9. There is a voltage across the external 
load, given by V = IR. This voltage opposes the built in potential and reduces the 
barrier for carrier injection across the junction. This is similar to a 
pn
junction in 
forward bias, where the external bias causes injection of minority carriers and 
increased current. This forward bias current opposes the photocurrent generated 
within the device due to the solar radiation. This is because 
I
ph
is generated due 
to electrons going to the n side and holes to the p side due to the electric field 
within the device i.e. drift current while the forward bias current is due to 
di
ff
usion current caused by the injection of minority carriers. Thus, the net 
current can be written as
I
= −
I
ph
+
 I
d
……………………………….…………. 3.2
I
d
= 
I
s0
[exp(
𝑒𝑣
𝐾
𝐵
𝑇
) − 1]
………………………….……. 3.3
I
= −
I
ph
+ 
I
s0 
[exp(
𝑒𝑣
𝐾
𝐵
𝑇
) − 1]
……………….…………. 3.4 
Where Id is the forward bias current and can be written in terms of the reverse 
saturation current, Is0 and external voltage, V. The overall I-V characteristics is 
plotted in figure 3.10. In the absence of light, the dark characteristics is similar 
to a 
pn
junction I-V curve. The presence of light (
I
ph
) has the e
ff
ect of shifting 
the I-V curve down. From figure 3.10, it is possible to define a photo current 
I
ph,

---

29 
which is the current when the external voltage is zero and an open circuit voltage, 
V
oc
, which is the voltage when the net current in the circuit is zero. Using 
equation 2, 
V
oc
can be calculated as
I
ph
= 
I
s0
[exp
(
𝑒𝑣
𝑜𝑐
𝐾
𝐵
𝑇
) − 1]
……………………………...……. 3.5 
V
oc
≈ 
𝐾
𝐵
𝑇
𝑒
ln [
𝐼
𝑝ℎ
𝐼
𝑠0
]
……………………………….…………. 3.6
Higher the photon flux, higher is the value of