今天，尽管最近取得了一些进展，太阳能仍只占世界能源结构的1%左右。然而，国际能源署(IEA)表示，太阳能，大部分由分散的“屋顶”光伏系统产生，很可能成为全世界的能源唯一最大的电力来源到本世纪中叶。
那么我们如何从这里到那里呢?
根据科学家和工程师的说法，答案在于新一代超高效、低成本的太阳能收集器，它们将填补最近大量廉价硅电池板的不足。最近，新设计和新型太阳能材料似乎每周都在创造新的效率纪录。尽管太阳能的研发仍远未达到科学家和工程师们所说的所需水平，但创新者们正在创造新一代材料方面取得稳步进展，这种材料能比传统的硅光伏电池更有效地收集太阳能。
其中最有前途的技术是多结电池，它有多层光收集器，每个光收集器可以从单独的太阳光谱中收集能量，超高效半导体材料如钙钛矿和砷化镓，以及由微小但强大的太阳能吸收“量子点”制成的电池。技术上的障碍仍然存在，比如制造新的材料来抵御恶劣天气。尽管如此，研究人员说，目前正在进行的努力可能会在10年或20年内开始显著增加太阳能发电。
目前商用的光伏电池还有很大的改进空间。
提高太阳能电池的效率是提高太阳在全球能源供应中的作用的根本。目前商用的光伏电池还有很大的改进空间。目前市场上绝大多数的太阳能电池板使用的是晶体硅电池，平均只能将大约16%的阳光转化为电能。剩下的大部分是镉碲化(Cd-Te)或铜铟镓硒化(CIGS)薄膜，其效率在12%至15%之间。因此，从屋顶电池板中榨取更多的电能——科学家说，一些新方法可以达到50%的效率——将使太阳能越来越便宜。
太阳能在过去十年的发展是惊人的，因为价格的下降和需求的上升使得光伏发电的成本在一些地方与煤炭甚至天然气等能源持平，甚至更低。这个变化如此巨大，它提高了人们对太阳能在未来清洁能源中所扮演角色的期望;国际能源署最近将其2050年太阳能发电的目标提高了近50%。美国能源部的SunShot视觉研究预计到2030年太阳能将为美国提供14%的电力。
其中一项新技术尤其引起了科学家们不同寻常的热情——钙钛矿。钙钛矿是一种具有盐状晶体结构的矿物，很容易制造，由铅和氨等廉价原料制成，而且在将阳光转化为电能方面越来越有效。
美国能源部化学与材料科学中心主任饶·范·德·拉格马特说:“世界各地的每个人对此都非常兴奋国家可再生能源实验室“由这种材料制成的太阳能电池的效率上升得比我们以前见过的任何东西都快。”我还不知道它会停在哪里。”
钙钛矿于2009年首次用于太阳能电池，直到2012年才开始引起广泛的研究兴趣。从那时起，这种材料的质量就突飞猛进，光能数据也突飞猛进。
斯坦福大学材料科学与工程教授Michael McGehee说:“在短短几年的时间里，它就从一种从未被用于太阳能电池的材料转变为具有15%效率的太阳能电池。”“一般来说，用一种新材料制造出15%效率的太阳能电池需要10到20年的时间。”
一位科学家说:“这是一项长期的、高风险的研究，它可能起作用，也可能不起作用。”
事实上，这一数字仍在攀升。最新的确认效率超过20%非官方报告显示是24%
钙钛矿最吸引人的地方之一是它是由低温液体溶液产生的，而不是用高热的方法来生长硅晶体和其他太阳能电池材料。更重要的是，它可以被“涂”在薄的、柔性的基材上，比如塑料，van de Lagemaat把这种工艺比作制造感光胶片。他说，钙钛矿太阳能板的应用前景广阔，可弯曲且价格低廉。
然而，钙钛矿有一个主要的缺点:晶体在潮湿的条件下会破裂。这对安装在户外的东西来说是个大问题。
McGehee和其他人现在正在寻找可能产生更稳定化合物的替代元素。此外，他正在将钙钛矿分层到硅上，努力以很少的额外成本建造效率提高的混合“串联电池”。虽然这种材料有很大的可能性，但他估计，如果钙钛矿能够完全解决，至少需要十年的时间来解决它的问题。
麦基说:“这是一项长期、高风险的研究。”“这可能行得通，也可能行不通。”
加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)电气工程与计算机科学系教授Eli Yablonovitch正在开发具有多半导体层的高性能电池。每一个都被“调谐”以吸收不同波长的光。通过将太阳光谱分解成不同的颜色，这些“多结”电池最大限度地获取每个颜色的能量——甚至从不可见的红外频率中获取能量。
亚布洛诺维奇1979年开始在埃克森公司从事光伏电池研究，他说硅现在是“过时的技术”。他说，像砷化镓这样的新材料“吸收强度可能是硅的1000倍”。“而且它们可能特别薄。”
新的材料和设计可能会打破所谓的“带隙”，即硅可以转化为电流的光谱部分的基本限制。带隙以下的光子不会被吸收，而带隙以上的光子则会转化为热量。与硅不同的是，这种新化合物的化学性质可以通过改变来调整带隙，并利用最大光子数。
Yablonovitch说，两结镓砷化电池已经达到了大约30%的效率。如果再加一些层，他预计最终能达到50%。
Yablonovitch说:“超过30个太阳光谱，最大的障碍是找到正确的方法来将太阳光谱分解成各个部分，这方面的研究非常积极。”
量子点有可能回收三分之一通常作为热量损失的光能。
“一段时间以来，我一直在告诉人们，‘如果你做研究，效率应该在30%到50%之间。’”
然而，材料是昂贵的，添加层是复杂和昂贵的。目前多结电池价格昂贵，只能在卫星等特殊应用中使用。但亚布洛诺维奇相信，如果扩大产量，价格将会下降。他以前见过这种情况。他表示:“当我35年前开始(研究)太阳能时，“……电池板的价格是现在的100倍。”
另一种新设计涉及量子点——一种纳米大小的晶体，它能够限制带电电子，并帮助它们打击其他电子。这个过程被称为“多激子产生”，可以潜在地恢复三分之一的通常作为热量损失的光能。
马修·比尔德(Matthew Beard)是美国国家实验室(NREL)的一位高级科学家，他在洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)合作开发量子点高级太阳光物理中心。他说，量子点可以以更低的成本提高多结电池的效率。
然而，将这些点组装成一个细胞需要“全新的化学水平”，而科学家们仍在研究如何做到这一点。目前的最高效率是相当令人沮丧的8.6%。“但令人鼓舞的是，已经取得了进展，”比尔德说。“我们在2009年开始的时候是2%到3%，现在我们已经接近9%了。”他说，从理论上讲，带有单一量子点层的太阳能电池可以将多达45%的太阳能转化为电能。
即使是硅也在寻找更大的太阳。加州屋顶面板制造商太阳能公司刚刚宣布将在2017年开始为家用太阳能市场大规模生产效率为25%的硅电池——仅比该元素的实际最大效率低一点。效率的提高是通过改变材料的配方来提高其携带电荷的能力。设计上的调整也允许更多的光线进入电池的前部。
SunPower首席执行官汤姆·沃纳(Tom Werner)表示，虽然新电池板最初的成本将高于现有型号，但增加的产量最终将使电力成本更低。他表示:“我们预计，随着时间的推移，这将对定价产生重大下行影响。”
由于各国对清洁能源研究的重视程度较低，太阳能创新受到了阻碍
这些仅仅是在一个充满巨大的新想法的领域中越来越高效的光伏的一些前景，比如再利用蓝光光盘进入光吸收器或“太阳漆”里面嵌入了微小的收集光的粒子，可以把墙壁变成光伏板。
IEA称，总体而言，由于各国对清洁能源研发的重视程度较低，太阳能创新受到了阻碍。该机构的报告平均而言，发达国家政府在国防研究上的支出至少是能源研究的6倍。研究人员说，有前景的技术也因为缺乏商业利益而步履蹒跚。
“唯一能让它成为产品的方法是，企业也把它看作一个好处，看到它的未来，并开始投资，”Beard谈到他的量子点时说。“仅仅是我们的小小研究成果，不足以让它成为一种产品。”
加州大学伯克利分校能源和资源教授丹尼尔·卡门说，漫无目的的能源政策是美国太阳能发展的另一个障碍。
同样来自耶鲁e360随着屋顶太阳能的兴起，美国公用事业开始反击
“很少有州有高质量的太阳能项目，”他说。“欧洲最成功的项目已经找到了在家庭层面或小企业层面鼓励使用太阳能的方法。”例如，所谓的上网电价等激励措施允许屋顶系统的所有者以优惠的价格将电力卖回电网。加州、新泽西和纽约也有一些项目，卡门说，“但只是到处都有。”
在美国，是一个国家税收抵免对于家庭来说，太阳能和其他可再生能源的安装将在2016年底到期。如果新一届国会不续期，这也可能对太阳能的发展造成打击。
然而，即使没有新的突破性技术，科曼预计太阳能将继续增长。他的研究表明，到2050年，太阳能发电将占美国西部等地区总发电量的三分之一。“这意味着太阳能将比现在的天然气更大，”他说。“所以这真的是一个很大的变化。”
尽管如此，“重要的是要同时关注部署和创新，”卡门说。“我们确实需要看到持续的创新。”