همان طور که مي دانيد، يکي از راه هاي انتقال انرژي حرارتي، تابش است. يک جسم با دماي معين، مي تواند انرژي خود را از طريق تابش به ساير اجسام منتقل کند. مثال روزمره اين پديده، گرم شدن بيش از حد فضاي اطراف يک لامپ پر مصرف (!!) است. بخاري هاي برقي که با استفاده از يک المنت، موجب گرم شدن محيط اطراف مي شوند، گرما را از طريق مکانيزم تابش به اطراف منتقل مي کنند.
خورشيد کره اي متشکل از گازهاي داغ است. انرژي خورشيد با واکنش هاي هم جوشي هسته اي رخ داده در مرکز آن ايجاد مي شود. تخمين زده مي شود که دماي مرکز خورشيد در حدود 20 ميليون درجه باشد. بر اساس آنچه در درس فيزيک مطالعه کرده ايد، گرما هميشه از جسم گرم تر به جسم سرد تر منتقل مي شود. در فضاي منظومه شمسي، خورشيد جسم گرم تر محسوب مي شود و فضاي پيرامون آن جسم سردتر؛ لذا حرارت از خورشيد به محيط اطراف آن منتقل مي شود. به موجب اين امر دماي سطح خورشيد به حوالي 6000oC مي رسد. در واقع سطح خورشيد در تعادل با فضاي سردتر اطراف آن است و بنابراين دماي کمتري خواهد داشت. انرژي حرارتي خورشيد، از طريق تابش امواج الکترومغناطيسي منتشر مي شوند. طبق قوانين فيزيک، ميزان انرژي حرارتي تابيده شده از خورشيد بر واحد زمان، متناسب با توان چهارم دماي آن است. بنابراين خورشيد مقدار بسيار زيادي تابش الکترومغناطيس دارد. مقدار توان تابيده شده از سطح خورشيد برابر با 1023 ×3.83 يا به عبارتي ديگر 383000000000000000000000000W (!!!!) است. تصويري از خورشيد که واکنش هاي هم جوشي هسته اي در آن در حال رخ دادن است، در شکل 1 نشان داده شده است.
هم جوشي هسته اي يکي از انواع واکنش هاي هسته اي که مي تواند انرژي بسيار زيادي توليد کند.

همانگونه که گفته شد، انرژي حرارتي جسم داغي مانند خورشيد، از طريق امواج الکترومغناطيسي (مانند نور مرئي و يا امواج فرابنفش) منتقل مي شود. هر موج الکترومغناطيس مشخصه هاي مخصوص به خود را دارد. يکي از مهمترين ويژگي هاي يک موج، طول موج آن است. همان طور که مي دانيد، طول موج عبارتست از فاصله بين دو قله متوالي موج. طبق آنچه در فيزيک خوانده ايد، هر چه انرژي يک موج بيشتر باشد، طول موج آن کمتر خواهد بود. امواج توليد شده در سطح خورشيد، از طريق تابش، انرژي خورشيد را به ساير اجسام و کرات اطراف آن منتقل مي کنند. اين امواج الکترومغناطيسي سرعت بسيار زيادي (برابر با سرعت نور) دارند. اين امواج بر خلاف امواج صوتي يا اکوستيک، مي توانند در خلاء نيز منتشر شوند. در نور خورشيد گستره اي از امواج الکترومغناطيس در نواحي فرابنفش، مرئي و فروسرخ وجود دارد. براي مثال، اگر در نقطه اي خاص به مساحت يک متر مربع از زمين ميزان انرژي کل رسيده از خورشيد 1004w در هر متر مربع باشد، 527w آن فرو سرخ، 445w آن مرئي و 32w آن فرابنفش است.

پارامترهاي مؤثر بر طيف نور خورشيد
در صورتيکه از تغييرات ناشي از گردش زمين به دور خورشيد در مدار خاص آن صرف نظر کنيم، نشان داده شده است که ميزان توان تابشي خارج از اتمسفر زمين، که با D0 نشان داده مي شود، برابر با 1.353kW/m2 است. اين پارامتر به عنوان ثابت خورشيدي شناخته مي شود. به عبارت ديگر، ثابت خورشيدي، مقدار ميانگين نور خورشيد در بالاي اتمسفر زمين است.
گفته مي شود که ميزان انرژي رسيده به سطح زمين، حداقل %15 کمتر از انرژي خورشيدي موجود در بالاي اتمسفر است. جزئي از اين ميزان تابش، در حين عبور از اتمسفر زمين و قبل از رسيدن به سطح زمين، پراکنده و يا جذب مي شود. نحوه ي توزيع انرژي رسيده به بالاي جو زمين در شکل 2 نشان داده شده است.

عوامل متعددي بر ميزان انرژي رسيده از خورشيد به سطح زمين اثرگذار هستند. اين عوامل عبارتند از:
1) بخار آب و ساير گازهاي موجود در هوا مي توانند نور خورشيد را در بخش هاي مختلف از طيف آن جذب کنند. امواجي که در ناحيه فروسرخ طيف خورشيد قرار دارند توسط آب و دي اکسيد کربن موجود در هوا جذب مي شوند. در حالي که جذب امواج مربوط به ناحيه مرئي طيف خورشيد، توسط اکسيژن و جذب امواج مربوط به ناحيه فرابنفش طيف خورشيد توسط ترکيب اوزون رخ مي دهد.
2) ذرات کوچک و همچنين قطرات موجود در هوا مي توانند به صورت قابل توجهي نور خورشيد را جذب کرده و يا باعث پراکنده شدن و برگشتن آن به فضا شوند.
3) ابرها از تعداد بسيار زيادي قطرات کوچک آب يا يخ تشکيل شده اند و مي توانند نور خورشيد را جذب يا پراکنده کنند.
4) چرخش زمين باعث مي شود که نور خورشيد مسير طولاني تري نسبت به حالت تابش عمود را از ميان اتمسفر طي کند. در واقع بسته به زاويه اي که نور وارد اتمسفر مي شود، براي رسيدن به سطح زمين، بايد مسير متفاوتي را از درون اتمسفر عبور کند. اين امر باعث مي شود که اين پرتوها مقادير متفاوتي از عوامل جذب کننده يا پراکنده کننده نور را بر سر راه خود مشاهده کنند. اين امر موجب مي شود که مقدار نوري که به زمين مي رسد، متفاوت باشد.
همانگونه که اشاره شد، ميزان انرژي تابيده شده از خورشيد به ازاي هر طول موج، مقدار متفاوتي است. براي مثال اين ميزان براي طول موج‌هاي محدوده مرئي (تقريبا بين 500 تا 750nm) بسيار بيشتر از محدوده بين طول موج‌هاي 1500 تا 1750nm است. علاوه بر اين، ميزان انرژي تابيده شده از خورشيد (در سطح خورشيد) با ميزان انرژي رسيده از خورشيد به بالاي اتمسفر زمين و همچنين با ميزان انرژي رسيده از خورشيد به سطح درياها نيز متفاوت است. همانگونه که گفته شد، مولکول‌هاي موجود در اتمسفر زمين مي‌توانند بخش‌هايي از نور خورشيد را جذب نمايند. به منظور بررسي دقيق‌تر، تمام اين تفاوت‌ها را مي‌توان با استفاده از يک نمودار به نام «طيف توزيع انرژي خورشيد» نشان داد. شکل 3 طيف توزيع انرژي خورشيد را نشان مي‌دهد. محور عمودي اين نمودار توان بر واحد سطح به ازاي طول موج و محور افقي اين نمودار نشان دهنده طول موج است. همان طور که مي دانيد انرژي هر موج را مي توان بر حسب طول موج آن بيان کرد. در اين شکل، طول موج هايي که برخي ترکيبات موجود در اتمسفر باعث جذب نور خورشيد و افت آن مي شوند، نشان داده شده است. براي مثال، در طول موج حدود 750nm، عامل افت شدت نور خورشيد، ترکيب O2 است. در شرايط جوي مختلف، نوع اين ترکيبات و ميزان هريک در اتمسفر متفاوت خواهد بود. همچنين وجود ابر و ساير پديده هاي آب و هوايي نيز مي تواند در تغيير طيف خورشيد رسيده به زمين اثر گذار باشد. همچنين بسته به اينکه در چه ساعتي از شبانه روز هستيم، ممکن است بيشترين شدت طيف خورشيد يا کمترين آن (يعني صفر در شب!) را داشته باشيم.
در رابطه با ميزان نور خورشيد رسيده به زمين، عبارتي تحت عنوان AM وجود دارد که مخفف کلمه Air Mass و يا جرم هوا است و بيانگر زاويه تابشي خورشيد به زمين است و به نوعي ميزان انرژي تابيده شده به زمين را بيان مي کند. مقدار AM0، بيان کننده ميزان تابش رسيده به جسم خارج از جو زمين است که براي ماهواره هايي که خارج جو زمين هستند، کاربرد دارد. مقدار AM1 بيان کننده ميزان تابشي است که به صورت عمودي بر زمين مي تابد و عبارت AM1.5 ميزان استاندارد تابش است که در عمل 1.5برابر AM1 است. نشان داده مي شود که شرايط تابشي AM1.5 در حالتي رخ مي دهد که زاويه تابش خورشيد با محور عمودي زمين 8.41o باشد.

براي تحقيقات، توسعه و بازاريابي سلول هاي خورشيدي، يک طيف استاندارد مورد نياز است. زيرا طيف واقعي رسيده به زمين به دليل پارامترهاي مختلفي چون آب و هوا، تغييرات فصل، زمان روز و موقعيت تغيير مي کند. داشتن يک طيف استاندارد، خواص اندازه گيري شده در سلول هاي مختلف را با يکديگر قابل مقايسه مي کند و امکان داوري بين نتايج گروه هاي مختلف تحقيقاتي را فراهم مي سازد؛ زيرا همه سلول ها، تحت شرايط يکسان تابشي قرار مي گيرند. به همين دليل، براي فتوولتائيک هاي سطح زمين، شرايط استاندارد جهاني AM1.5 به صورت قراردادي مورد توافق قرار گرفته است. در شرايط آزمايشگاهي و تحقيقاتي، شبيه سازهاي انرژي خورشيدي وجود دارند که با استفاده از لامپ هايي که توسط فيلترهاي مشخص، خروجي کنترل شده دارند، اين شرايط تابشي را ايجاد مي کنند.
در نهايت....
در اين مقاله، مروري بر انرژي خورشيد، مکانيزم توليد و راه هاي انتقال آن داشتيم. همچنين طيف خورشيد را در شرايط مختلف بررسي کرده و عوامل مهم اثر گذار بر روي شدت نور خورشيد را مطالعه نموديم. در نهايت مبنايي را براي قابل مقايسه شدن تحقيقات صورت گرفته بر روي سلول هاي خورشيدي معرفي کرديم. اين معيار بيانگر يک شدت معين از طيف خورشيد در شرايط استاندارد است. در مقاله‌هاي بعدي، مکانيزم کارکرد سلول‌هاي خورشيدي را مورد توجه قرار خواهيم داد.

*توضيح شکل– نحوه توزيع نور خورشيده رسيده به بالاي جو زمين