每个人都喜欢光伏太阳能电池的理念：直接从阳光中产生源源不断的清洁电力。问题在于制造这项技术使其良好运作的混乱现实。例如，波士顿学院物理学家迈克尔·J·诺顿（Michael J. Naughton）表示，电池的两个功能——捕获光和产生能量——将太阳能电池板的最佳设计拉向相反的方向。“‘光’（Photo）希望它厚，”诺顿说，“但‘伏特’（voltaic）希望它薄。”因此，诺顿和其他志同道合的科学家们正在重新思考太阳能电池的基本要素。他们的目标是重写规则手册，最终使太阳能与煤炭和天然气在成本上具有竞争力。
当前一代太阳能电池的局限性十分明显。尽管实验电池的效率已超过40%，但大多数基于硅的商用设计的效率难以超过20%左右。效率越低，产生给定量的电力所需的电池就越多。这反过来又使得光伏电池笨重且昂贵。结果是，2008年美国只有800兆瓦的并网太阳能光伏发电，太阳能占该国所有能源消耗的比例不到百分之零点一。
诺顿正试图通过解决厚薄难题来提高效率。他解释说，太阳能电池越厚，它能捕获的光越多。但就发电而言，薄是最好的：电子在厚电池中必须传播得更远，因此到达产生可用电力的光伏层时就变少了。诺顿的方法是在太阳能电池的平面上垂直添加一组极其精细的导线，就像一个微型的钉床，以捕获额外的光线。尽管这些导线只有几微米高，但它们——由金属（通常是银）制成，并涂有薄薄的光伏非晶硅层——可以显著提高效率。采用这种结构的太阳能电池可以吸收约10%更多的光，而无需更厚的面板。加州理工学院（Caltech）和加州大学伯克利分校（at the University of California at Berkeley）的团队正在研究类似的导线增强型电池。
阻碍太阳能电池的另一个障碍是，它们收集的大部分光被浪费为热量，而没有转化为电能。当阳光照射到太阳能电池上时，电池中的一些电子会获得能量，但很快会以热能的形式损失大部分能量，而不是脱离出来成为电流的一部分。诺顿和他的同事们也在改进这方面。他们正试图在所谓的“热电子”能量消散之前捕获它们。他们希望一层称为量子点的小半导体晶体，能够在电子冷却之前提取高能电子，从而可能使太阳能电池的效率翻倍。诺顿的团队已经成功地在超薄硅平板中提取了热电子，并计划将该方法与导线阵列结构相结合。
维克森林大学的物理学家大卫·卡罗尔（David Carroll）采取了不同的方法来应对捕获更多阳光的挑战。他指出，现有的平板电池只在直射阳光下效果最好；早晨和下午晚些时候的低角度阳光大多被反射掉而损失了。因此，卡罗尔和他的团队正在开发能够全天从多角度捕获光的太阳能电池。他们的发明，名为FiberCell，由玻璃芯纤维束构成，并喷涂了一种廉价的专有聚合物，该聚合物即使在斜角也能捕获光子并将其转化为电能。卡罗尔说，可以将许多束连接在一起形成一个柔性网格，而且该装置“基本上不关心光线照射的角度”。
卡罗尔认为，这种太阳能电池非常适合家庭屋顶，因为阳光通常以奇怪的角度照射。而且，FiberCell不依赖于昂贵的铜铟镓硒等光伏材料，可以很好地与更便宜的聚合物基电池配合使用。卡罗尔表示，他的系统可以将传统电池的效率提高一倍，他很快就会寄送FiberCell样品进行独立性能测试。
厚薄悖论和间接阳光并非阻碍光伏电池的唯一限制。伯克利物理学家扬·西德尔（Jan Seidel）正在解决另一个问题，即所谓的带隙问题。在这种情况下，障碍在于太阳能电池中的半导体材料，如硅，只有在响应特定能量水平的光子时才会导电并产生能量。由于这些半导体中的电子产生的能量不能超过它们最初吸收的能量，因此电池产生的电压受到限制。西德尔和他的同事们最近发现，一种名为铁酸铋的廉价材料可以产生突破带隙限制的高电压。他尚未将该材料整合到工作的太阳能电池中，但他的初步实验结果看起来很有希望。然而，在铁酸铋准备好投入实际应用之前，仍然存在一些障碍：功率——能量输出的速率——不仅取决于电压，还取决于电流。到目前为止，西德尔能够从铁酸铋中提取的电流量仍然太小，不适合实际应用，但他和他的同事们正在努力改进它。
一些太阳能支持者认为，最终的解决方案在于一个激进的方向性改变——将光伏发电真正地“离开地面”。在太空中，没有阴影、没有黑夜、没有云层遮挡，太阳能装置可以以最佳效率提供不间断的电力。这里的挑战比地面太阳能发电要大得多：将巨大的太阳能电池板送入轨道在技术上可能非常困难且成本高昂，而且工程师需要找到一种安全高效的方法将能量传回地球上的接收站。但潜在的回报也同样巨大，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）已宣布一项210亿美元的计划，旨在到2030年代将面积超过一平方英里的巨型商用太阳能电池板送入太空。该机构计划在未来十年内发射一颗小型实验性太阳能卫星。
私人公司也正准备抢占太空太阳能市场。12月，加利福尼亚州批准了一项协议，根据该协议，公用事业巨头太平洋煤气电力公司将从Solaren公司在2016年前部署的一个基于太空的系统中购买200兆瓦的电力。
热词
非晶态 缺乏规则的原子内部排列。（相反，晶体固体具有重复的内部原子结构模式。）
热电子 太阳能电池中携带的能量比通常可提取为电能的能量更多的电子。
量子点 一簇原子，其大小如此之小，以至于其电子性质受量子物理学定律支配。
带隙 半导体中激发电子所需的能量阈值，使其能够传输电能。
