太阳能转换成可实际利用的能源的形式有太阳能发电、太阳能燃料和太阳能供热三种。需要进行基础研究，以便取得太阳能转换技术的突破。美国能源部的研究指出了13个极具潜力的优先研究领域。
到2050年，世界能源需求预计会增加一倍以上，到本世纪末将增加两倍以上。现有能源网络的增量性完善将不足以可持续地满足这一需求。为未来找到足够的清洁能源是一个最令人畏惧的社会挑战。迄今为止，太阳光是最大的无碳能源来源。地球一小时获得的太阳光比它一年消耗的总能量还要多。我们目前通过太阳能发电来利用这一能源。然而，在2001年，太阳能发电占世界电力供应总量的份额不足0.1%，而可再生的生物质燃料只占能源总量的不到1.5%。我们目前对太阳能的利用与其未开发潜能之间的巨大差距形成了能源研究中的一个重大挑战。太阳光是满足我们未来对清洁、充足的能源需求的一个备受瞩目的解决方案。本文确定了重要的科学挑战和研究方向，到21世纪中叶，科技进步将使我们有效地、经济地利用太阳能资源为全球提供一大部分基本能源。根据其基本的能源产品，太阳能转换系统可分为三种：太阳能发电、太阳能燃料和太阳能供热系统。
太阳能发电
通过光伏太阳能电池将阳光转换为电力的挑战是，大幅降低输送每瓦太阳能电力的成本，与化石燃料和核能发电竞争要降低5～10倍，与初级化石能源竞争要降低25～50倍。有效吸收太阳光的新材料、利用太阳辐射波长的全光谱的新技术以及基于纳米结构的新方法，都可以革新太阳能发电技术。单晶太阳能电池的技术开发和成功商业化证明了光伏技术的前景和实用性，而利用薄膜、有机半导体、染料敏化以及量子点的新方法，为创造更廉价、更有效和更长寿的系统提供极具吸引力的新机遇。很多新方法要依靠以下几个方面来实现：一是通过自上而下和自下而上的新技术在近期实现纳米级结构制作的显著进步；二是利用电子、中子及X光散射和光谱仪在纳米级描述上取得的进步；三是在利用密度泛函理论的纳米级半导体组装中进行电子和分子行为的高级计算机模拟。这些在光电转换基础科学方面的进展，与目前已有的新半导体材料相结合，可以给构思、设计和制造太阳能电池的方法带来革命。
太阳能燃料
太阳辐射固有的日夜和阴晴循环需要一种有效的方法来储存转换后的太阳能，供以后分配和输送。最有吸引力和最经济的储存方法是转换成化学燃料。太阳能燃料技术的挑战是，以完善的、划算的方式直接利用太阳光生产化学燃料。
一千年来，利用生物质生产出来的廉价太阳能燃料已成为地球上的初级能源。但在过去的两个世纪里，能源需求超出了生物质供应能力。如果利用现有的各种植物，则需要巨大的土地面积来满足一部分初级能源需求。在地球上，几乎所有的可耕地都需要种上柳枝稷等已知速生能源作物，才能生产出目前每年从化石燃料得到的能量。因此，重点研究目标：一是利用生物学和生物技术方面的突破性进展来设计植物和微生物，使它们成为更有效的能源转化“机器”；二是根据自然光合作用原理来设计高效的、全人工的、分子层次的能量转换机器。这两种方法中的一个要素是利用结构生物学、基因组测序和蛋白质组学，对涉及将太阳能辐射生物转化成糖和碳水化合物的结构和动力学予以连续的说明。虽然实验室的成功已证明，可以通过人造分子机器直接进行太阳能燃料的生产，但是当前的技术水平与可利用的技术之间仍存在巨大差距。现有的实验室系统还不能达到长期稳定的性能，对实际操作而言还太昂贵，效率也太低，还不实用。需要基础研究来开发各种方法和系统，以弥合科学前沿与实用技术之间的差距。
太阳能供热系统
太阳能供热技术的关键挑战是，找到成本效益高的方法来将太阳光转换成可储存、可配送的热能。反应器经过热塔中聚焦的太阳光加热，温度会达到3000℃以上，因此不用昂贵的催化剂就可以用原材料进行燃料的化学生产。为推广这一技术，需要用耐高温新材料来制造太阳能热反应器。在较低的太阳能集聚温度下，太阳能加热可用于驱动涡轮机，进行机械发电，其效率比太阳能光电技术更高。纳米结构热电材料为利用温差直接发电提供了希望，在几百摄氏度的温差时发电效率为20%～30%。太阳能热反应器的温差越大，效率就会越高。要使所有的集中式太阳能供热技术的成本效益最大化，则需要聚焦系统用的廉价的、高性能的新反射材料。
优先的研究方向
美国能源部确定了13个极有潜力产生科学突破的优先研究方向，这些突破会推动太阳能向电能、燃料和热能最终利用的转换取得明显进步。其中很多研究方向涉及的不只是一种方法或一项技术。这些跨领域的问题包括：耐心地加工廉价的材料，使其在电学、光学、化学和物理学方面发挥与昂贵材料一样的性能；开发太阳能电池设计的新范例，突破传统的效率限制；找到催化剂，使得太阳能可以廉价地、有效地转换成化学燃料；找出分子组件自我组配为功能集成系统的新方法；开发太阳能转换基础设施用的材料，如透明导体、可靠的廉价的热处理材料。
到21世纪中叶，尽管仍存在巨大的障碍阻止现有技术利用太阳能生产我们日常所需的基本能源，但能源专家认为，通过基础研究可以实现这一目标。这一乐观的看法在很大程度上基于纳米科学领域在全世界持续、快速的进步。纳米级的结构、描述和模拟的新方法利用了5年前还用不上的工具，如今却为理解和操作太阳能转换的分子和电子途径创造了新机遇。更加乐观的观点源自基因组测序、蛋白质生产和结构生物学的令人瞩目的发展，这些进步不久就会揭开光合作用和自然生物催化作用的秘密。详细地了解这些高效的自然过程，我们就能对之进行修改并延伸到分子反应，直接生产太阳能燃料，完全接入我们现有的能源网络。纳米科学和分子生物学等科学前沿所取得的快速进展，为未来太阳能转换取得突破打下了坚实的基础。
摘译自美国能源部科学局报告
1/16/2007
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