每个人都喜欢构想光伏太阳能电池：无穷无尽的清洁电力直接来自阳光。问题在于棘手的现实，就是难以使这项技术发挥好作用。

　　比如，波士顿大学物理学家迈克尔Ｊ·诺顿（Michael J. Naughton）说，这种电池的两个功能，就是吸光和发电，这两个功能牵制着人们优化设计太阳能电池，而且是从相反的方向牵制。“吸光效应要求电池厚，”诺顿说，“但是发电效应要求它薄。”所以，诺顿和其他志同道合的科学家正在反思太阳能电池的基本组件。他们的目标是改写这个规则，最终使太阳能可以在成本上争得过煤和天然气。

　　目前的这一代太阳能电池局限性非常清楚。尽管实验性的电池已达到的效率超过了40％，但大多数硅基电池的商用设计仍然在争取跨越20%的大关。更低的效率，就需要更多的电池才能产生一定量的电力。这反过来又使电池既笨重又昂贵。因此，2008年，美国只有800兆瓦的并网太阳能发电，在该国总能耗中所占比重不到千分之一，

　　诺顿正在努力提升效率，他要解开这一又要厚又要薄的悖论。更厚的太阳能电池，他解释说，就可以吸收更多的光。但涉及到发电的话，薄的才是最佳的：在厚的电池中，电子就必须跑更远的路，这样，就只有很少的电子可以到达光伏层，只有在光伏层，电子才能产生可用的电力。诺顿的方法是增加一个阵列的极细导线，这些导线垂直竖立在太阳能电池平坦表面，就像密密麻麻簇拥的微小钉子，它们可以吸收更多的光线。虽然这些导线只有几微米高，但它们是金属制成，通常是银制成，又涂上一层薄薄的非晶态光伏硅，所以就可以持续地提升效率。太阳能电池这样制备就可以多吸收约10%的光，而无需更厚的电池板。加州理工学院和加州大学伯克利分校的一些团体也在开发类似的技术，也是利用导线提升效率的电池。

　　还有另一个困难阻碍着太阳能电池，就是有很多的光，在电池采集以后都浪费掉了，都变成了热能，而不是转换成电。当阳光照射太阳能电池时，一些电子在电池中就会获得能量，但这些能量大部分很快就会失去，变成热能，而不是使电子挣脱束缚，成为一部分电流。诺顿和他的同事所做的工作，也就是要在这个地方取得突破。他们正在试图导出这些所谓的热电子，这要赶在热电子的能量消散之前。他们希望用一层小小的半导体晶体，称为量子点，就可以导出高能电子，这也要赶在电子凉下来之前，这样就可成倍提高太阳能电池的效率。诺顿的小组已经成功地导出热电子，他们是在一层超薄硅平板中做到的，下一步，他们计划结合这种方法，使用导线阵列架构。

　　物理学家大卫·卡罗尔（David Carroll）是威克森林大学（Wake Forest University）的，他用一种不同的方法解决这一难题，也可捕捉更多的阳光。现有的平面电池板，他指出，效果最佳的是在阳光直射的时候；低角度阳光出现在清晨和下午晚些时候，大都被反射出去，也就都丧失了。所以卡罗尔和他的小组正在开发的太阳能电池，可以捕捉到的光就是来自多个角度，而且一整天都是这样。他们的创作，称为光纤电池（FiberCell），这种电池的制备，采用了成束的玻芯纤维，纤维外喷上一层并不昂贵的专用聚合物，这样就能捕获光子，甚至是斜角照射的光子，并将它们转换成电。许多纤维束并在一起，就制成一个灵活的网格，而这种装置“基本上并不在乎阳光照射的角度，”卡罗尔声称。

　　这种太阳能电池可理想地用于住宅屋顶，因为屋顶上太阳通常总会照到，但角度不固定，卡罗尔说。不需要依赖昂贵的光伏材料，比如铜、铟、镓、硒等，FiberCell也能效果很好，只使用便宜得多的聚合物电池就行。卡罗尔说，他的系统可以使常规电池板效率提高一倍，他很快就会送出一件FiberCell样品，独立进行性能检测。

　　又要厚又要薄的悖论和非直射阳光并不是唯一的局限，也还有其他因素限制了光伏电池的效率。美国加州大学柏克莱分校的物理学家简·赛德尔（ Jan Seidel）就在应对另一个难题，就是所谓的带隙（band gap）问题。在这种情况下，阻碍就是，太阳能电池中的半导体材料，比如硅，要成为导电性的并发电，就只有应对特定能级的光子才行。由于电子在这些半导体中产生的能量不会比他们起初吸收的多，所以电池就局限于它们所能产生的电压。赛德尔和他的同事们最近发现，一种并不昂贵的材料，即铋铁氧体（bismuth ferrite）可以产生高电压，突破带隙限制。他还没有把这种材料使用于现有的太阳能电池，但他的初步实验结果看起来很有希望。仍有一些困难需要克服，之后，铁氧体就可迎来黄金时期。但是，功率就是能量的产出率，不仅取决于电压，也取决于电流。到目前为止，电流的流量，也就是赛德尔可以用铋铁氧体取得的电流流量，仍然十分小，不能进行实际的应用，但他和他的同事们都在努力改善它。

　　一些支持太阳能的人认为，根本出路在于彻底改变方向，真正使太阳能电池起飞。在太空，没有阴影、夜晚或云层覆盖，太阳能装置可以提供不间断的电力，而且有最好的效率。这里的挑战超过了基于地面的太阳能：把巨大的太阳能板送入轨道可能有技术上的困难，而且成本昂贵，工程师们还需要设计一种安全、有效的方法，用光束把能量发射回地面接收站。但是，潜在的回报也是巨大的。日本航天局（JAXA）公布了一项210亿美元的方案，就是研制巨型商用太阳能电池板，面积超过一平方英里，要在2030年送入太空。日本航天局计划先发射一颗小型的、实验性的太阳能卫星，就在未来十年内。

　　一些私营公司也正在迎合潮流，匆忙发展太空太阳能。去年12月，加州批准了一项协议，公用事业巨人太平洋然气与电力公司将购买的200兆瓦电力将来自太空系统，这一系统将由Solaren公司（Solaren Corporation）在2016年部署。