در یک ماده‌ی نیمرسانا فقط فوتون‌هایی که انرژی مناسبی دارند می‌توانند جذب شوند و تولید زوج الکترون-حفره کنند. بنابراین، دانستن توزیع طیفی تابش خورشیدی مهم است. برای مثال باید تعداد فوتون‌های با انرژی مشخص را به صورت تابعی از طول‌موج بدانیم. دو کمیتی که برای توصیف طیف تابش خورشیدی استفاده می‌شوند تابندگی طیفی و شار طیفی فوتون نام دارند.
دمای سطح خورشید در حدود 6000 درجه کلوین است. برای به دست آوردن تابندگی طیفی یک جسم سیاه با اندازه و موقعیت خورشید بر روی زمین، باید درخشندگی طیفی را در زاویه فضایی که خورشید از زمین دیده می‌شود ضرب کرد،به عبارتی
می‌توانیم با استفاده از رابطه
زاویه فضایی خورشید را حساب کنیم.
طیف تابشی جسم سیاه در شکل نشان داده شده است. طیف تابشی بیرون از جو زمین بسیار متفاوت است. این طیف AM0 نامیده می‌شود، به علت اینکه نور هیچ اتمسفری را نمی‌پیماید. این طیف در شکل نشان داده شده است. تابندگی طیف AM0 برابر Wm-2 1361 است.
هنگامی که تابش خورشیدی از جو زمین عبور می‌کند، تضعیف می‌شود. پارامتر بسیار مهمی که تعیین کننده تابندگی خورشیدی تحت شرایط آسمان پاک است، فاصله‌ای است که نور خورشید باید در جو بپیماید. هنگامی که خورشید در اوج آسمان است، این فاصله کمترین مقدار خواهد شد. نسبت یک طول مسیر نور خورشید به این مقدار کمینه به عنوان جرم نوری هوا شناخته می‌شود. هنگامی که خورشید در اوج آسمان است جرم نوری هوا برابر با واحد است و طیف مربوط به آن، طیف جرم هوای 1 (AM1) نامیده می‌شود. هنگامی که خورشید با نقطه اوج آسمان زاویه تتا می‌سازد، جرم نوری هوا برابر است با؛
برای مثال، هنگامی که خورشید در زاویه 60 درجه نسبت به اوج آسمان است (یا 30 درجه بالای به افق) طیف AM2 را دریافت می‌کنیم. بسته به موقعیت روی زمین و موقعیت خورشید در آسمان، تابش خورشیدی بر روی زمین هم از لحاظ شدت و هم از لحاظ توزیع طیفی متفاوت خواهد بود. علت تضعیف تابش خورشیدی پراکندگی، جذب توسط مولکول‌های هوا، ذرات غبار و یا ذرات معلق در جو است. به خصوص بخار آب، اکسیژن و دی‌اکسید کربن باعث جذب نور خورشید خواهند شد. چون این جذب در طول‌موج‌های خاصی رخ می‌دهد، باعث می‌شود تا در توزیع طیفی تابش خورشیدی گاف‌هایی همانند آنچه در شکل مشخص است پدید آیند. لایه اوزن تابش‌های با طول‌موج کمتر از 300 نانومتر را جذب می‌کند. کم شدن اوزن موجود در جو باعث رسیدن تابش‌های فرابنفش بیشتری به زمین می‌شود که عواقب خطرناکی برای سیستم‌های زیستی دارد. مولکول‌های دی‌اکسید کربن در جذب تابش‌های خورشیدی با طول‌موج بالای 1 میکرون دخالت دارند. با تغییر میزان دی‌اکسید کربن در جو، جذب در ناحیه مادون‌قرمز تغییر می‌کند که عواقبی را بر روی آب و هوا به همراه خواهد داشت.
سلول‌های خورشیدی و ماژول‌های فوتوولتائیک توسط شرکت‌ها و آزمایشگاه‌های مختلفی تولید می‌شوند. همچنین، فن‌آوری‌های سلول خورشیدی متعدد و مختلفی بررسی و فروخته می‌شوند. بنابراین برای مقایسه همه سلول‌های خورشیدی و ماژول‌های فوتوولتائیک، تعریف شرایطی که اجازه مقایسه بین آن‌ها را دهد از بیشترین اهمیت برخوردار است. این شرایط به صورت قراردادی، مشخصهیابی تحت تابش Wm-2 1000، یک طیف AM1.5 و در دمای 25 درجه سانتیگراد است، که شرایط آزمون استاندارد (STC) نامیده می‌شود. طیف AM1.5 یک توزیع طیف خورشیدی مرجع است که در موسسه استاندارد بین المللی (IEC) با کد 3-60904 تعریف شده است. این طیف بر اساس دریافت تابندگی خورشیدی به صورت سطح تختی که با افق زاویه 37 درجه می‌سازد تعریف می‌شود. نور مستقیم خورشید، نور پخش شده و بازتاب وابسته به طول‌موج در این طیف به حساب می‌آیند. منظور از بازتاب بخشی از تابش خورشیدی است که توسط سطح زمین بازتاب می‌شود و بستگی به بازتابندگی محیط دارد. تابندگی کل طیف AM1.5، و نزدیک به بیشینه نوری است که در یک روز بدون ابر به سطح زمین می‌رسد. شرایط آزمون استاندارد و طیف AM1.5 هر دو در تمام دنیا، هم در صنعت و هم در آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در شرایط آزمون استاندارد توان تولید شده توسط یک ماژول فوتوولتائیک با واحد وات بیشینه (Wp) بیان می‌شود.
مقدار تابشی که به یک مکان مشخص زمین می‌رسد به شدت متغیر است. علاوه بر تغییرات منظم روزانه و سالیانه ناشی از حرکت خورشید، تغییرات نامنظم روزانه ناشی از شرایط جوی منطقه‌ای همچون حرکت ابرها نیز باید در نظر گرفته شوند. این شرایط مشخصا مؤلفه‌های مستقیم و پخش شده تابش خورشیدی را دستخوش تغییر قرار می‌دهد. مؤلفه مستقیم تابش خورشیدی، آن بخش از نور خورشید است که به صورت مستقیم به سطح زمین رسیده است. پراکندگی نور خورشید در جو زمین، مؤلفه‌ی پخش شده تابش را شکل می‌دهد و بازتاب ممکن است همواره در تابش کل خورشیدی حاضر باشد. ما از عبارت تابش کلی، که از این سه مؤلفه ساخته شده است برای ارجاع دادن به تابش خورشیدی کل استفاده می‌کنیم.
طیف‌های مختلف خورشیدی؛ طیف جسم سیاه در 6000 درجه کلوین، طیف فرازمینی AM0 و طیف AM1.5.
طراحی یک سیستم فوتوولتائیک بهینه برای یک منطقه مشخص به موجود بودن اطلاعات خورشیدی آن منطقه بستگی دارد. مجموع تابندگی خورشیدی در یک دوره زمانی خاص را تابش خورشیدی می‌نامند.