TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 8, August 201 4, pp. 6047 ~ 6054   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.529 4          6047     Re cei v ed  De cem ber 6, 20 13; Re vised  April 4, 2014;  Accept ed Ap ril 20, 2014   Modeling and Simulation of Silicon Solar Cell in  MATLAB/SIMULINK for Optimization            Ehsan Hoss eini    Sama techn i ca l and voc a tio n a l  traini ng col l e g e , Islamic Azad  Universit y , T e hran Bra n ch,   Te h r a n ,   Ir a n      Emai l :   Ho sseiny .e @g mail .com       A b st r a ct   One of the mo st significa nt curr ent disc ussi ons in life is s o lar e nergy a n d  has be en in  use sinc the b egi nn ing   of time. Increa singly,  man  is  lear ni ng  how   to yoke t h is im portant  r e source and use it to  repl ace trad itio nal e ner gy sou r ces. Recent d e vel o p m e n ts in  the field of so l a r ener gy hav e  led to a re new ed   interest in So l a r cells to store this ener gy and re pr od uce  electricity. Unfortunat e l y the amou nt of ene rgy   converte d is v e ry less, that i s  t he efficienc y of conversi o n  is po or. T h e  ma jor pr obl e m  is to i m prov e the  efficiency s o  th at the loss es c an b e   min i mi zed. In  this pr oj ect the Maxi mum P o w e r Poi n ts are fou nd  an d   the Fill  Factor i s  calcu l ate d . In  this p a p e r usi ng MATLAB  a nd SIMULINK   mo de the c o mparis on  of silic on   solar ce ll an d type of pa nels i s  done.      Ke y w ords : ma ximu m pow er p o int, Photo e lec t ric, solar  radi a t ion, solar ce ll  mo de l, photov oltaic          Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced   En g i n eerin g an d  Scien ce. All righ ts reser ved .       1. Introduc tion  Studies of ph otovoltaic ge ner atio n syst ems a r e activ e ly being pro m oted in ord e r  to cope   with enviro n m ent issue s  su ch a z  the g r een h o u s e ffect and air  pollution. In p a rticul ar, the  use  of natural e n e rgy, espe cia lly  the solar  energy is in crea singly em pha sized an d  rega rde d  as an   importa nt resource of po wer ene rgy in  the future . By definition, solar en ergy is that beami n g   light and he at that is generated from the  sun [1].      2. Rese arch  Metho d   2.1. The Photoelec t ric Effect  A sol a cell  o r  photovoltai c   cell i s   simpl e   PN jun c tion  photo d iod e  t hat can  ab so rb sun’ radiatio n. Th e photovoltai c  effect  sho w n in Figu re  1  is the ba si c p h ysical proce ss th rou gh  which  a PV cell  co nverts sunlig ht into el ect r i c ity. Sun light  is  co mpo s e d  of p hoton s--pa c kets of  solar  energy.  Whe n  photon s strike a PV cell, they may  be reflected o r  absorb ed, or  they may pass  right throug h  [2]. The ab sorbed  phot ons  gen erat ele c tricity. The en ergy of a photo n  is  transfe rred t o  an  ele c tro n  in a n  ato m  of the  se micon d u c tor  device. An  a rray  of sol a r cel l s   conve r ts  sola r ene rgy into a usa b le amo unt  of direct  current (DC) el ectri c ity.        Figure 1. The  Photoelect r ic Effect      Different  mat e rial  have te nden cy to a b s orb  different  amou nt of li ght ene rgy d epen ding  upon th e ba n d  gap  of ea ch  material. Sili con  ha s ba nd  gap of 1.1 e V  so it ab so rb s light ene rgy  o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 0 46                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  604 7 –  6054   6048 minimum  1.1eV but it gives out energy t hat is le ss than 1.1eV. Simi larly, Gallium   arsenide  whi c h   has ba nd ga p of 1.43eV absorb s  en ergy more th a n  1.43eV bu t delivers en ergy less th an  1.43eV.    2.2. One Dio d e Solar Cell Model  Solar  cell  is a  PN j u n c tion  diode  an ca n be  mo deled  as a  diod with a p h oto  ge nerate d   curre n t so urce in pa rallel [ 3 , 8]. The di ode itself ha s shu n t and  serie s  resi stan ce a s   sho w n  in  Figure 2.    R sh I sh I D I sh I L R s + _ V     Figure 1.  Solar Cell Ele c tri c al Equivale n t  Circuit       To unde rstan d  the elect r on ic beh avior of  a sola r cell, it is useful to create a  mo del   which   is ele c tri c ally  equivalent.  A n  ideal  sola cell may b e  modele d  by a  curre n t sou r ce in pa rallel  with   diode. In pra c tice n o  sola r cell is ideal, so  a  shunt  resi sta n ce an d a seri es resi st ance   comp one nt are adde d to the model.     2.3. Solar Paramete rs   Irradi an ce (S): The amount  of  solar e nergy reaching t h e cell i s  irra dian ce given  in Watts  per mete r sq uare  (W/m 2 Open  Circuit Voltage (V OC ): It is the maximum voltage  available fro m  a solar  cell  at zero  c u rrent.  Short Ci rcuit  Cu rre nt (I SC ): It is the  current throug h the  sola r cell wh en the  voltage   across the  ce ll is zero.          Figure 2. IV curve by joinin g I SC  and V OC       The I-V  cu rve  of the  sola cell follo ws th e sa me  sha p e  as it is i n  Fi gure.  3 by m a kin g  a  curve joi n ing  I SC  and V OC .   Input Power  (Pin): The in put to a solar cell  is the radiation from  sun. Thu s  the input   power to a  so lar cell de pen ds u pon its  effective ar e a  (Ae) an d the radiation  (S).  The inp u t po we is given by (A e × S).  Output Po we r (P 0): T he  o u tput po we of a  sola cell  is th e give by the p r od u c t of the   output voltag e and outp u t curre n t.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modeling and Sim u lation of Silicon Solar  Cell  in MATLAB/SIMULINK for… (E h s a n   H o s s e i n i )   6049 Maximum Po wer Point (M PP): The voltage at  whi c h  the high est  power i s  ob served  a s   s h ow n  in  F i gu r e  4  Fill Factor  (F F): This i s  the available powe r at the maximum power point (M PP) divided  by the produ ct of open circuit voltage (V OC ) and the short circuit cu rre nt (I SC ) Typical commercial   solar  cell s have a fill fact or  >0 .70.  Cel l s with high fill factor  hav less curren t dissi pated  as  internal loss Effic i enc y ( η ): The efficien cy of a solar cell is determined a s  the  fraction of incid ent  power which is co nverted t o  elec tri c ity and is defin ed  as [4, 7]:    % 100 in o P P           (1)           Figure 3. Maximum Power  Point and Fill Factor      2.4. Solar Cell Si mulation in MATLAB  As di scussed  earlie r, a  sol a cell is noth i ng but  a  sim p le PN ju ncti on dio de al on g with  a   photo c urre nt sou r ce, a se ries a nd sh u n t resi st or. T he entire en ergy  co nversion system h a been de sig n e d  in MATLB environm ent. MATLAB® is a high-l e vel tech nical com puting lang ua ge  and i n teractiv e envi r onm e n t for algo rith m devel opm ent, data  visualization, d a t a analy s is,  a n d   nume r ical co mputation [5].  For calculatin g the total current  I  Equatio n (2) i s  used:              ( 2 )     In this equ ation, I ph  is the photo c urre nt, I s  is the reve rse  satu ratio n  curre n t of the diode,   q is the electron ch arg e , V t  is the thermal voltage,  k is the Boltzmann ' con s tant, T is the   junctio n  temp eratu r e, n is the idealit y  factor of the d i ode, and Rs and  R sh  a r e th e  s e r i es  an d   shu n t  re sist o r s of  t he cell,   res p e c t i v e ly .  A s  a re sult ,  t h e co mplet e   phy si cal be h a v i our of  t h PV  cell is in rel a tion with I ph , I s , Rs  and R sh  from one ha nd and with t w o environm ental parame t ers  as the tempe r ature an d the  solar  radi atio n from the other ha nd.     2.5. Effec t of Solar Rad i ation Variati on  The mo st important pa ra meter on  whi c h the  outp ut of a solar ce ll depend s is  the sola radiatio n whi c h i s  its  only  input. The  ch ange i n  r adia t ion varie s  th e output  para m eters  of sol a cell [5, 7]. The radiatio n de pend en cy on sola r cell i s  gi ven by:             ( 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  604 7 –  6054   6050 Whe r e,  Ki  is t he cell' sho r t  cir c uit  cu rr en t temperature c oeffic i ent (A/°C),  β  is the  sola r ra diatio (W/m 2 ) a nd  I ph  is the photo c urre nt.      Figure 4. Solar Cell I-V Cu rve for Variati on in  Radi ation   Figure 5. Solar Cell P-V  Curve for Vari a t ion in  Radi ation       The output re sults for vari a t ion in solar radi ation is gi ven in Figure  5 for voltage versu s   c u rr en t wh er e it is o b s e r v ed  th a t  for  th in c r e a s e  in   ra diation, the  current of  the  sola cell  is al so   increa sing. With resp ect to the Equat ion  (3), it is clea r that the cu rrent is dire ctly propo rtional  to  the  radiation. The cha r a c te ristic  I-V  cu rve tells that th ere  are two  region s i n  the   curve:  one  is  the  curre n t sou r ce regi on an d anothe r is th e voltage s o u r ce  regi on. In the voltage source regio n  (in   the right sid e  of the curve),  the internal i m peda nc e is  low and in th e curre n t sou r ce  regio n  (in  the   left side of th e cu rve), the  impeda nce is high. Irra dia n ce tem perat ure pl ays an i m porta nt role  in  predi cting  th e I-V cha r a c teristic,  and   effects  of bo th factors  ha ve to be  co nsid ere d   whi l e   desi gning the  PV system.  Whe r ea s the  irra dian ce af f e cts the o u tp ut, temperatu r e mainly affe cts  the termin al  voltage. Figu re 6  whi c h  shows vo ltag e  versus po wer  curve  is  u s ed to  find t he  maximum p o w er poi nt that  is th e voltag e at  whi c h th e maximum  p o we r o b serve d . Fro m  the I - V,  it is ob se rve d  that the  short  cir c uit  c u rr ent   in cr ea se s wit h   in crease in i r rad i ance at a  fixed  temperature.  More over, fro m  the I-V an d  P-V cu rves  a t  a fixed irra di ance, it is ob serve d  that th open  ci rcuit  voltage d e creases with  i n crea se  in  te mperature.  In  Figu re  7 th e current  versu s   power curve i s  plot.        Figure 6. Solar Cell P-I Cu rve for Variati on in Ra diatio     2.6. Effec t of Temper ature Variation   The  sola r rad i ation is the  only input fo r the so lar cel l , but the oth e r in dire ct in put that  cha nge s the  output ch ara c teri stic s of the sol a r cell is the temp e r ature. Equati on (3 ) sh ows the   relation  between the temp eratu r e an d the photo c u r rent [5]. The chang e in phot ocu r rent ch an ge Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modeling and Sim u lation of Silicon Solar  Cell  in MATLAB/SIMULINK for… (E h s a n   H o s s e i n i )   6051 the outp u t voltage an cu rrent. Th e Fig u re  8, Figu re  9 an d Fi gure  10 give  the I - V, P-V an P-I  cha r a c t e ri st ic s f o r v a rio u s t e mpe r at ur es  at a fixed irra dian ce at 100 0W/m 2 .           Figure 7. Solar Cell I-V Cu rve for Variati on in  T e mp er a t ur e   Figure 8. Solar Cell P-V  Curve for Vari a t ion in  T e mp er a t ur e        2                2. 2                2. 4                2. 6                2. 8                   3                     3. 2                3. 4                  3. 6                3. 8                   4    T = 25° C T = 35° C T = 45° C T = 50° C T = 55° C 1. 6 1. 5 1. 4 1. 3 1. 2 1. 1 1 0. 9 CU RRE N T  ( A ) PO W E R  ( W )     Figure 9. Solar Cell P-I Cu rve for Variati on in Temp erature         Figure 10. Simulated Mo d e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  604 7 –  6054   6052 2.7. PV Cell  Model in SIMULINK  The MATLA B /SIMULINK [6] model o f  a Sola cel l  to measure  the output  voltage,  curre n t, po we r is sho w n in   Figure 11.  Th is mo del  use s  the  main  bl ock “S olar Cell” in  which  the  values are  predefine d . Fo r V OC  the d e fa ult value i s   0.6V. The  I SC  is set  to 7.3 4 A. The  value s   can  be chan ged  once a m ode l is cre a ted a nd pla c e th block in it. T he termi nal of the blo c are   Incide nt irra di ance (I r ), Po sitive electri c al  voltage (+)  and  Negative  electri c al vol t age(-). Th e Ir  terminal i s   co nne cted to th e Irradian ce   block  (C)  wh ere  con s tan t  value of radi ance fro m  su n in   W/m 2  ca n b e  set. The  current  sen s o r  a nd voltage  sensors a r u s ed to  mea s ure  cu rrent a nd  voltage re spe c tively. Further, to plot the  curve of  voltage versus current XY plotter block is u s e d .   The  pl ots of output cha r a c teri stics can   be see n   in   belo w  figu re s whi c are te sted  at Stand ard  Test Conditio n s (ST C ). Th e STC ha s S=10 00 W/m 2 , T= 25 o C an d Air Mass (AM )  = 1.5.         VOL T A G E (V)     CU RR EN T  ( A )       CU RRE N T  (A)     PO W E R  ( W )     Figure 11. Solar I-V Cu rve in SIMULINK   Figure 12. Solar P-I Cu rve in SIMULINK             Figure 13. Solar P-V Cu rve  in SIMULINK       2.8. Efficienc y   of Solar Cell  The  efficien cy of solar cell  is given  in E quation  (1 ). T he o u tput p o w er a nd i npu t power  are  cal c ul ated. Since power i s  di re ctly proportional t o   radiance, t he effici en cy will increase  as  the radia n ce  incre a ses.  Figure 1 5   sh ows the   curv e of  efficien cy versus the  ra dian ce.  T h e   efficien cy at STC of the so lar  cell i s  foun d out to be 14 .185%        POWER (W)   VOLT A G E (V)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Modeling and Sim u lation of Silicon Solar  Cell  in MATLAB/SIMULINK for… (E h s a n   H o s s e i n i )   6053     Figure 14. Efficien cy versu s  Ra diation  Curve at STC      3. Results a nd Conclu sion  3.1. Maximum Po w e r Poi n t and Fill Factor  For a solar cell,  the  more   the Fill F a ctor, the m o re is the  reliability .  So it is one of the  importa nt factors afte r efficien cy. For a  good  so la cell, the effici ency ha s to  be greater th an  70%. Tabl e 1 shows the  calcul ation  of  fill factor at  different  radi ations.  From thi s  it i s  observ ed  that the fill fa ctor i s  consta nt for different radiation.       Table 1. Fill F a ctor  S (W/m 2 ) V ma x  (V)  I ma x  (A) V oc  (V) I sc  (A) V ma x  × I ma x  (W ) V oc  × I sc  ( W ) F ill F a ctor   1000  0.53  7.5370 0.661 8.174 3.995   5.403   0.74  800 0.53  5.9020 0.650 6.539 3.128   4.248   0.74  600 0.51  4.4730 0.635 4.904 2.281   3.112   0.73  400 0.49  3.0610 0.614 3.270 1.500   2.007   0.75  200 0.45  1.5010 0.578 1.635 0.675   0.945   0.71        Figure 15.  Plot for MPP and FF versus  Radi ation       The graph in  Figure 1 6  which i s  plotted from  the d a ta in Table  1 sho w s that the MPP  increa se s lin early and th e FF rem a in s co nsta nt  for the variat ion in su n’s radiation. T h e   simulate d fill factor i s  nea rl y same a s  the datasheet fill factor.   0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 200 400 600 800 1000 1200 MPP FF Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 8, August 2014:  604 7 –  6054   6054 By the formul a of fill factor,  the FF for  differ ent methods i s  compared  and is found to be  nearly the sa me.     3.2. Efficienc y   Efficiency b e i ng the  main  p a ram e ter  of solar  ce ll, it is   necess a ry to  try to have maximum  efficien cy for  maximum e n e rgy  conve r si on. Tabl e 2  g i ves  comp ari s on  of efficie n cy by all  three   method s and  are ne arly sa me.      Table 2. Co m pari s on of Efficien cy   paramete r  MATLAB  SIMULINK   Output p o w er 3.452W  3.6W  Input Po w e r   24.336W   24.336W   Efficiency 14.185%   14.8%       The o pen  ci rcuit P-V, P-I,  I-V curve s   were   obtain ed  from the  sim u lation  of the  PV cell   desi gne d in  MATLAB environm ent expl ains in  deta il i t s depe nde nce on the irradi ation levels  a nd  temperature s . The entire  energy  co nve r sio n   sy stem has bee de sign ed in MA TLB-SIMULINK  environ ment.  The variou values of the  volt age and  curre n t obtai ned have b e en plotted in  th e   open  circuit I-V cu rves of  the PV cell a t  insolation le vels ra nging  from 200 W/ m 2  to 1000 W/ 2 Ho wever  the  perfo rman ce  of  the photov oltaic devic depe nd s o n  t he  spe c tral di stributio of the  sola radiatio n. The val u es fo r all  th e outp u t pa rameters  are  found to  b e  satisfa c tori ly  comp arable.       Referen ces   [1]  Mutoh  N, Inou e T .  A control  method  to ch a r ge  s e ries-c on nected  ultra e l e ctric do ubl e-la yer ca pacitor s   suitab le for  p h o tovolta i c g e n e r ation  s y st ems  combi n in g MP PT  control met hod.    IEEE Transactions on  Industry. Electron . 200 7; 54(1) : 374–3 83.    [2]  Rud berg  E. T he e nerg y   d i stri butio n of  el ectrons  in th phot oel ectric e ect.   Physic a l. Review.   19 35;   48(1 0 ): 811- 81 7.  [3]  T s ai HL,  T u  C S , Su YJ.  Develo p m ent of Gener ali z e d  Ph o t ovoltaic Mo del  Using MAT L A B /SIMULINK Procee din g s of  the W o rld Co ngress o n  En gi neer i ng  and  C o mputer Sci e n c e W C ECS. San F r ancisc o ,   USA. 2008; 8 4 6 -85 1 [4]  Emery  KA, Oster w ald CR. Sola r Ce ll Effici en c y  M easur eme n ts.  Solar E ner gy Res earc h  In stitute . 161 7   Cole B l vd., Golden, CO 80 401  (U.S.A.). 1985 : 253-27 4.  [5]  Salmi T ,  Bouzgue nd a M, Gastli A, Masmoud i A. MAT L AB/Simulink  Ba sed Mo de ling  of Solar   Photovo l taic C e ll.   Internatio n a l Jour nal of R enew ab le En er gy Rese arch.  2 012: 2(2).   [6]  W eeks M. Introductio n  T o  Matlab®  & SIMULI NK A Project Appro a ch T h ird Editio n.20 07.   [7]  Sur y a Kumar i   J, Sai Babu C h .   Mathematic al Mod e li ng a nd Simu lati on  of Photovo l taic  Cell us in g       Matlab-S i mul i n k  Environm ent.  Internatio nal J ourn a l of Elect r ical  a nd C o mputer En gin eer ing (IJECE) 201 2; 2(1); 26- 34.   [8]  Soeted jo A, L o mi A, Nak h o da YI, Krisma nto AU. Mod e ling  of Ma xim u m Po w e r Po int T r acking   Controller for S o lar Po w e r S y s t em.  T E LKOMNIKA Indon esi an Jo urna of E l ectrical E ngi ne erin g.  201 2;   10(3): 41 9-4 3 0 .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.