บทความหลัก: ทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์

วงจรเทียบเท่าของเซลล์แสงอาทิตย์; ความต้านทานกาฝากทุกตัวจะไม่ถูกพูดถึงในบทความแรงดันไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์เป็นหน้าที่หนึ่งของกระแสเซลล์แสงอาทิตย์ที่ถูกส่งไปยังโหลดสำหรับสองกระแสที่เกิดจากแสง IL กระแสทั้งสองเป็นอัตราส่วนกับกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ I0 โปรดเทียบกับรูป 1.4 ในเนลสัน[44]

การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์สามารถเข้าใจได้จากวงจรเทียบเท่าทางขวา แสงที่มีพลังงานเพียงพอ (มากกว่า bandgap ของวัสดุ) จะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เคลื่อนที่ได้ในสารกึ่งตัวนำ การแยกประจุจะเกิดขึ้นเนื่องจากสนามไฟฟ้าที่มีอยู่ก่อน โดยสนามไฟฟ้านี้จะเกี่ยวข้องกับรอยต่อ P-N ในภาวะสมดุลความร้อน (ศักย์สัมผัสจะสร้างสนาม) การแยกประจุระหว่างหลุมบวกและอิเล็กตรอนลบข้ามรอยต่อ P-N (ไดโอด) ให้ผลลัพธ์เป็นแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้า (อังกฤษ: forward voltage) หรือ แรงดันภาพ (อังกฤษ: photo voltage) ระหว่างขั้วไดโอดที่เรืองแสง[45] ตามที่ได้มีการตั้งข้อสังเกตไว้ก่อนหน้านี้ในส่วนของการตั้งชื่อ แรงดันภาพบางครั้งหมายถึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าภาพ มากกว่าที่จะแยกความแตกต่างระหว่างผลกระทบและสาเหตุ การแยกประจุทำให้เกิดแรงดันภาพที่ขับเคลื่อนกระแสให้ไหลโหลดใด ๆ ที่ต่ออยู่

กระแสที่พร้อมส่งไปให้กับวงจรภายนอกจะถูกจำกัดโดยความสูญเสียภายใน ความสูญเสียภายในเกิดจากความต้านทานของไดโอดเองและความต้านทานแฝง (RSH) ถ้ากระแสสูญเสียกำหนดให้มีค่าเป็น I0 ดังนั้นตามรูป I0=ISH + ID:

I = I L − I 0 = I L − I S H − I D {\displaystyle I=I_{L}-I_{0}=I_{L}-I_{SH}-I_{D}}

ความสูญเสียทั้งหลายจะจำกัดกระแสที่พร้อมจ่ายให้กับวงจรภายนอก การแยกประจุโดยการเหนี่ยวนำของแสงในที่สุดก็จะสร้างกระแส ISH (ที่เรียกว่ากระแสไปข้างหน้า) ไหลผ่านรอยต่อของเซลล์ไปในทิศทางตรงข้ามกับที่แสงกำลังขับกระแส นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีแนวโน้มที่จะให้ไบแอสไปข้างหน้า (อังกฤษ: forward bias) กับรอยต่อ ในระดับที่สูงพอ ไบแอสไปข้างหน้านี้จะทำให้เกิดกระแสไปข้างหน้า ID ขึ้นในไดโอดตรงข้ามกับกระแสไปข้างหน้าที่เกิดจากแสง ผลที่ตามมา กระแสที่ยิ่งใหญ่ที่สุดจะเกิดภายใต้สภาวะการลัดวงจร และแสดงด้วยสัญญลักษณ์ IL (สำหรับกระแสที่เกิดขึ้นจากแสง) ในวงจรเทียบเท่า[46] โดยประมาณ กระแสที่เหมือนกันนี้จะเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้ามีค่าสูงถึงจุดที่ไดโอดจะกลายเป็นตัวนำกระแส

กระแสที่ได้จากไดโอดเมื่อกระทบกับแสงแล้วจัดส่งให้กับวงจรภายนอกจะมีค่าเป็น:

I = I L − I 0 ( e q V / ( m k T ) − 1 )   , {\displaystyle I=I_{L}-I_{0}\left(e^{qV/(mkT)}-1\right)\ ,}

เมื่อ I0 เป็นกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ เมื่อสองพารามิเตอร์ที่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์และขึ้นอยู่ในระดับหนึ่งกับตัวแรงดันไฟฟ้าเองมีค่าเป็น m หรือปัจจัย ideality และ kT/q เป็นแรงดันความร้อน (ประมาณ 0.026 V ที่อุณหภูมิห้อง)[46] ความสัมพันธ์นี้จะถูกวาดลงบนแผ่นกราฟในภาพโดยใช้ค่าคงที่ m = 2[47] ภายใต้สภาวะวงจรเปิด (นั่นคือ I = 0), แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดจะเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ไบแอสไปข้างหน้าของรอยต่อมีค่าพอเพียงที่จะทำให้กระแสไปข้างหน้าทำการสมดุลกับกระแสภาพได้อย่างสมบูรณ์ การแก้สมการข้างต้นสำหรับแรงดันไฟฟ้า V และการกำหนดให้มันเป็นแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของสมการ I–V จะเป็น:

V oc = m   k T q   ln ⁡ ( I L I 0 + 1 )   , {\displaystyle V_{\text{oc}}=m\ {\frac {kT}{q}}\ \ln \left({\frac {I_{\text{L}}}{I_{0}}}+1\right)\ ,}

ซึ่งจะเป็นประโยชน์ในการบ่งชี้การพึ่งพาอาศัยแบบลอการิทึม Voc ต่อกระแสที่สร้างขึ้นจากแสง โดยปกติแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดจะมีค่าไม่เกินประมาณ 0.5 โวลต์ 0.5 V.[48]

เมื่อกำลังจ่ายพลังงานให้กับโหลด แรงดันภาพอาจแปรเปลี่ยนได้ ตามที่แสดงในภาพประกอบ สำหรับโหลดที่มีความต้านทาน RL เซลล์จะพัฒนาแรงดันไฟฟ้าที่จะอยู่ระหว่างค่าลัดวงจร V = 0, ทำให้ I = IL และค่าวงจรเปิด Voc, ทำให้ I = 0 ดังนั้นค่าที่กำหนดโดยกฎของโอห์มคือ V = I RL เมื่อกระแส I เป็นความแตกต่างระหว่างกระแสลัดวงจรกับกระแสเนื่องจากไบแอสไปข้างหน้าของรอยต่อ ตามที่ระบุไว้โดยวงจรสมมูล (ไม่นำความต้านทานปรสิตมาคิด)[44]

ซึ่งตรงข้ามกับแบตเตอรี่ ที่ระดับกระแแสที่ส่งไปยังวงจรภายนอกใกล้ IL, เซลล์แสงอาทิตย์ทำหน้าที่เหมือน แหล่งจ่ายกระแสมากกว่าแหล่งจ่ายแรงดัน (ใกล้ส่วนแนวตั้งของเส้นโค้งสองเส้นที่แสดงเป็นภาพประกอบ).[44] กระแสที่ถูกดึงไปใช้เกือบจะคงที่ในช่วงพิสัยหนึ่งของแรงดันโหลด จนถึงหนึ่งอิเล็กตรอนต่อโฟตอนที่ถูกแปลง ประสิทธิภาพควอนตัมหรือความน่าจะเป็นของการได้รับอิเล็กตรอนของกระแสภาพต่อโฟตอนที่ตกกระทบ ขึ้นอยุ่ไม่เพียงแต่กับตัวเซลล์แสงอาทิตย์เองเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับสเปกตรัมของแสงอีกด้วย

ไดโอดมีคุณสมบัติ "ศักย์ในตัว" (อังกฤษ: built-in potential) อันเกิดขึ้นเองเนื่องจากความต่างศักย์ที่หน้าสัมผัสระหว่างวัสดุสองชนิดที่แตกต่างบนด้านใดด้านหนึ่งของรอยต่อ ศักย์ในตัวนี้จะเกิดขึ้นตั้งแต่เมื่อรอยต่อถูกผลิตขึ้นและแรงดันไฟฟ้านั้นเป็นผลพลอยได้จากความสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ภายในเซลล์ เมื่อเกิดขึ้นมาแล้ว อย่างไรก็ตามความต่างศักย์นี้ก็ยังไม่สามารถขับเคลื่อนกระแสได้เนื่องจากการเชื่อมต่อโหลดไม่ได้มีผลกระทบกับความสมดุลนี้[โปรดขยายความ] ในทางตรงกันข้ามการสะสมของอิเล็กตรอนส่วนเกินในหนึ่งภูมิภาคและโฮลส่วนเกินในอีกหนึ่งภูมิภาคอันเนื่องจากกระทบกับแสง ส่งผลให้เกิดแรงดันภาพที่ขับเคลื่อนกระแสได้จริงเมื่อมีโหลดมาเชื่อมต่อกับไดโอดที่เรืองแสงนั้น ตามที่ระบุไว้ข้างต้น แรงดันภาพนี้ยังให้ไบแอสไปข้างหน้ากับรอยต่ออีกด้วย และเป็นการช่วยลดสนามที่มีอยู่ก่อนในภูมิภาคพร่องพาหะ (อังกฤษ: depletion region)