Po analizie, gdzie, kiedy i ile energii słonecznej do nas dociera zajęto się analizą częstotliwościową promieniowania elektromagnetycznego. Widma promieniowania słonecznego w funkcji długości fali przedstawiono na Rys. 1. Przedstawione widma promieniowania słonecznego to docierające do granic atmosfery (AM 0) oraz widmo promieniowania słonecznego docierające do powierzchni Ziemi po przebyciu promienia słonecznego przez atmosferę Ziemską wpadające pod kątem \( \ 42^{o } \) nad horyzontem oznaczone przez AM 1.5. Litera d przy oznaczeniu widma wskazuje, że jest to promieniowanie padające bezpośrednio ze Słońca natomiast litera g oznacza, że to suma promieniowania bezpośredniego ze Słońca oraz rozproszenie Rayleigha i promieniowanie odbite od chmur.
Procentowy udział energetyczny poszczególnych obszarów widma jest następujący:

• \( 49\% \) – zakres widzialny i bliska podczerwień,
• \( 44\% \) – fale o długości większej od 800 nm,
• \( 7\% \) – bliski nadfiolet (120-300 nm),
• \( 0,001\% \) – promieniowanie rentgenowskie i w dalekim nadfiolecie.

Energia wypromieniowana przez Słońce w postaci fali elektromagnetycznej zanim dotrze do powierzchni Ziemi ulega odbiciu (około \( 30\% \)) oraz pochłonięciu przez atmosferę Ziemi (około \( 20\% \)). Do powierzchni atmosfery ziemskiej dociera około \( 175 \cdot 10^{15 } \) W, a na powierzchnię Ziemi około \( 89 \cdot 10^{15 } \) W. Absorpcja w atmosferze ziemskiej występuje na skutek obecności cząsteczek tlenu, ozonu, dwutlenku węgla, pary wodnej itd. Ponadto, w troposferze występuje rozpraszanie Rayleigh’a na cząsteczkach pyłów.
Intensywność promieniowania słonecznego w odległości Ziemi od Słońca jest na poziomie 1362 \( \frac{W}{m^{2}} \). Wielkość tę nazwano stałą słoneczną, jest to energia promieniowania słonecznego jaka pada na powierzchnię jednego metra kwadratowego w ciągu sekundy w odległości Ziemi od Słońca (średnia odległość wynosi 150 mln km). Na tej podstawie policzono energię emitowaną w ciągu sekundy przez Słońce i wynosi ona \( 9.65 \cdot 10^{25 } \) W. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni Ziemi w ciągu całego roku, wynosi od 600 \( kWh/m^{2}/rok \) w krajach skandynawskich, a do ponad 2200 \( kWh/m^{2}/rok \) w centralnej Afryce. W Polsce wynosi ona około 990 \( kWh/m^{2}/rok \) [1].
Promieniowane słoneczne pochodzi z fotosfery, czyli z zewnętrznej powierzchni warstwy gazowej Słońca, której temperatura wynosi około 5770 K. Maksimum promieniowania elektromagnetycznego o widmie ciągłym ciała doskonale czarnego, podobnie jak dla promieniowania słonecznego, przypada w obszarze widma widzialnego o długości fali około 500 nm ( Rys. 1 ).

Obszar widzialny widma to od \( 4 \cdot 10^{-7 } \)m do \( 7,8 \cdot 10^{-7 } \)m. Porównując widmo ciała doskonale czarnego ( Rys. 2 ) z widmem promieniowania Słońca można w pierwszym przybliżeniu przyjąć, że są one podobne Rys. 1.
Zakres pracy paneli słonecznych (kolor zielony) na tle spektrum promieniowania słonecznego jest pokazany na Rys. 3.
Promieniowanie Słońca powyżej atmosfery ziemskiej odpowiada w przybliżeniu promieniowaniu ciała doskonale czarnego o temperaturze 5762 K (~6000K). Promieniowanie słoneczne, jakie dociera do powierzchni Ziemi, jeszcze wyraźniej różni się od widma ciała doskonale czarnego. Jest to spowodowane absorpcją, rozproszeniem i odbiciem promieniowania w przestrzeń kosmiczną, co powoduje znaczną modyfikację rozkładu jego widma [2].

Na Rys. 3 pokazano widmo promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi (AM1) po przejściu przez atmosferę [3].

Podczas przechodzenia promieniowania słonecznego przez atmosferę występują straty związane z:

• rozpraszaniem Rayleigha (proporcjonalne do \( \lambda ^{-4} \)),
• absorpcją przez powłokę elektronową gazów \( O_{2}, N_{2}, O_{3} \),
• absorpcją molekularną (rotacje i oscylacje) cząsteczek \( H_{2}O \) i \( CO_{2} \),
• rozpraszaniem na cząstkach kurzu i aerozoli,
• zmianą współczynnika załamania światła pod wpływem temperatury, ciśnienia, turbulencji,
• zmianą wilgotności atmosfery.

W Polsce do powierzchni Ziemi dociera około 1000 \( \frac{W}{m^{2}} \)promieniowania słonecznego. Wykorzystanie części promieniowania słonecznego do przetwarzania na energię elektryczną związane jest z właściwościami fizycznymi półprzewodników.
Na Rys. 3 zaznaczono obszar energetyczny, który jest wykorzystywany do konwersja energii słonecznej w urządzeniach fotowoltaicznych. Obszar ten to prawie \( 50\% \) energii słonecznej, pozostała część widma nie jest wykorzystywana.

Prowadzone są badania nad zjawiskami i technologiami rozszerzającymi zakres wykorzystywanych częstotliwości, jak np. efektu termoelektrycznego [4], niemniej, w praktyce z instalacji wykorzystujących promieniowanie słoneczne tylko efekt fotowoltaiczny jest szeroko wykorzystywany komercyjnie.