1．来自自然界的灵感
太阳能是一个古老的能源，人类出现之前，这种能源即已存在。植物对太阳能的利用比人类要早。植物利用光合作用等一些列化学反应，将太阳能转化，从而汲取能量，生长起来。
阳光与植物
人类早就开始想象，我们生活中的其它物品，能不能像植物一样，光靠太阳能就可以使用呢？科学家们早就已经关注这个问题了。开始仿照植物的转化过程，制造出能将太阳能转化成其它能量的设备，为我们生活与生产提供能量。
太阳能能量转换想象
除了植物的能量转化过程给人们启迪以外，植物的外形也让科学家们在研发太阳能使用的时候豁然开朗。
说起太阳，我们很容易会想起一种能跟着太阳走的花朵——向日葵。向日葵花盘上的众多小花排列有致，形成了一幅规则有序的几何图案。这给在太阳能发电厂中用于聚集太阳光进行发电的太阳能聚光镜阵列的改进带来了新的灵感。这种受向日葵启发而设计的阵列布局可以使聚光太阳能热发电站（CSP）的占地面积降低20%，这对于在一定程度上受大规模土地需求制约的太阳能发电技术来说非常有益的。
向日葵花盘
CSP发电厂采用巨大的聚光镜阵列，每个阵列都有半个网球场的大小。在传统的阵列布局中，聚光镜都是以中心塔为圆心向周围一圈圈层递排列。但这样的设计很占地方。鉴于这种传统排列方式对土地的庞大需求，麻省理工大学机械工程师Alexander Mitsos和他的同事正在寻找一种改良的布局方式。
西班牙Gemsolar发电阵列卫星图
在设计过程中，一位团队成员注意到，他们设计的分布格局在某些元素上与向日葵小花的盘旋排列图案非常相似，并建议他们应该模仿这些小花。Mitsos和他的同事便开始进行调查，事实证明，这是一个非常棒的主意。这个令人惊叹的发现促使他们开发了一个与向日葵花朵排列更为相像的聚光镜模拟阵列。根据数学家早前发现的向日葵花朵的转向角度，在这个阵列中，每片聚光镜都与其临近的镜片呈137度角排列。Mitsos表示，这样的布局结果比PS10聚光镜阵列占用的空间减少了20%，发电效率也有所增加。
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聚光镜
聚光镜又名聚光器，装在载物台的下方。小型的显微镜往往无聚光镜，在使用数值孔径0.40以上的物镜时，则必须具有聚光镜。聚光镜不仅可以弥补光量的不足和适当改变从光源射来的光的性质，而且将光线聚焦于被检物体上，以得到最好的照明效果。
聚光镜的的结构有多种，同时根据物镜数值孔径的大小 ，相应地对聚光镜的要求也不同 。
2．“太阳能”的由来
太阳能是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能等也都是由太阳能转换来的。
煤炭
太阳能的利用有两种，分别是直接利用和间接利用。直接利用太阳能：集热器（有平板型集热器、聚光式集热器）（光能——内能）太阳能电池：（光能——电能）一般应用在人造卫星、宇宙飞船、打火机、手表等方面。间接利用太阳能：化石能源（光能——化学能）生物质能（光能——化学能）。而我们现在所说的“太阳能”一般是指能直接利用的太阳辐射能。
太阳能的利用
据记载，人类利用太阳能已有3000多年的历史。但将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·德·考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。
该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀做功而抽水的机器。在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。
1870年，船长约翰·爱立信的凹镜聚光式太阳能发动机
20世纪的100年间，人类不断开发利用太阳能。虽然成绩斐然，但太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。
太阳能自行车
太阳能利用的发展历程与其它能源，如煤、核能、石油完全不同，人们对其认识差异大，反复多，发展时间长。这一方面说明太阳能开发难度大，短时间内很难实现大规模利用；另一方面也说明太阳能利用还受矿物能源供应，政治和战争等因素的影响，发展道路比较曲折。尽管如此，从总体来看，20世纪取得的太阳能科技进步仍比以往任何一个世纪都快。太阳能如今是人们生活中不可缺少的一部分了。
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能源
能源就是向自然界提供能量转化的物质（矿物质能源，核物理能源，大气环流能源，地理性能源）。这些都是可利用的能源来源，因为它们可以很容易地转化为其他为特定的用处种类的能源。
在自然界中，能源可以采取几种不同的形式存在：热，化学能，电，辐射等。许多这些形式可以很容易转化为另一种的帮助下，如利用装置；从化学能到电能使用的电池。但我们大多数现有的能源来自于太阳。现代能源一般可分为三类：可再生能源﹑可替代能源和核电。
光合作用
光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和碳反应，利用光合色素，将二氧化碳（或硫化氢）和水转化为有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。
3．可再生的能源
我们现在普遍使用的能源都是不可再生的，如石油、煤炭、天然气等等。这些能源只能使用一次，不可重复利用，用完了就没有了。现代社会，人们对能源的需求不断增大，而这些不可再生的能源始终会有用完的一天，那怎么办呢？
开采石油
有科学研究发现，光是冬季取暖这一项消耗，整个地球人由于一年所用的燃料煤可以造一个上海的崇明岛，运输燃料所用的能源的价值可以使我国发射人造航器100多次。而且，燃料燃烧产生的废气有数十亿吨在危害人类的生存，大气在急剧变暖；燃料燃烧消耗大量的氧气，使大气中氧的比例在降低，人的抗病能力就自然也在降低。
因此人们想，冬季人类利用更环保更高效的新能源来取暖，以上所有的严峻问题不就大大的缓解了吗？于是，大家想到了利用可再生能源来逐渐替换不可再生能源。
庞大的能源需求
可再生能源是来自大自然的能源，例如太阳能、风力、潮汐能、地热等。人们称它们为“取之不尽，用之不竭”的能源，是相对于会穷尽的不可再生能源的一种能源。
地热能示意图
根据国际能源总署可再生能源工作小组，可再生能源是指“从持续不断地补充的自然过程中得到的能量来源”。可再生能源泛指多种取之不竭的能源，严谨来说，是人类有生之年都不会耗尽的能源。大部分的可再生能源其实都是太阳能的储存。
丰富的太阳能资源
单单是太阳光就可以满足全世界2850倍的能源需求。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。
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风能
风能是因空气流做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高，动能越大。人们可以用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机，以产生电力，方法是透过传动轴，将转子（由以空气动力推动的扇叶组成）的旋转动力传送至发电机。到2008年为止，全世界以风力产生的电力约有 94.1 百万千瓦，供应的电力已超过全世界用量的1%。
地热能
地热能是由地壳抽取的天然热能，这种能量来自地球内部的熔岩，并以热力形式存在，是引致火山爆发及地震的能量。地球内部的温度高达摄氏7000度，而在 80至100公哩的深度处，温度会降至摄氏650度至1200度。透过地下水的流动和熔岩涌至离地面1 至5公哩的地壳，热力得以被转送至较接近地面的地方。高温的熔岩将附近的地下水加热，这些加热了的水最终会渗出地面。运用地热能最简单和最合乎成本效益的方法，就是直接取用这些热源，并抽取其能量。
人类很早以前就开始利用地热能，例如利用温泉沐浴、医疗，利用地下热水取暖、建造农作物温室、水产养殖及烘干谷物等。但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。
潮汐能
潮汐能是指从海水面昼夜间的涨落中获得的能量。在涨潮或落潮过程中，海水进出水库带动发电机发电。
潮汐能是一种水能，它将潮汐的能量转换成电能及其它种有用形式的能源。第一座大型潮汐电站（朗斯潮汐电站）于1966年投入使用。
虽然尚未得到广泛应用，潮汐能未来将有潜力发电。 潮汐比风能和太阳能具有更强的预测性。在可再生能源的来源中，潮汐能历来都一直受限于高成本和（具有足够高的潮差和流速的）可行地点的局限性，因而进一步限制了其总体可行性。然而，许多新技术在设计（如：动态潮汐能）和涡轮机技术（如：新式轴流式轮机、双击式水轮机）上的开发和改进，表明潮汐能的总体可行性可以远高于之前的假设，同时经济和环境成本可以降到具有竞争力的水平。
历史上，潮水(动力)工厂已在欧洲和北美的大西洋沿岸投入使用。其最早可追溯到中世纪，甚至罗马时代。
4．太阳能电池的面世
太阳能电池是将太阳能转化为电能的装置。太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo 光，voltaics 伏特，缩写为PV），简称光伏。太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。
太阳电池发展历史可以追溯1839年，当时的法国物理学家Alexander Edmond Becquerel发现了光伏特效应（Photovoltaic effect）。
太阳光伏电池的光电转换系统
直到1883年，第一个硒制太阳电池才由美国科学家Charles Fritts所制造出来。在1930年代，硒制电池及氧化铜电池已经被应用在一些对光线敏感的仪器上，例如光度计及照相机的曝光针上。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一块单晶硅太阳能电池，从此实现了人类将太阳能转化为电能的理想。
单晶硅太阳能电池板
中国第一个太阳电池而现代化的硅制太阳电池则直到1946年由一个半导体研究学者Russell Ohl开发出来。接着在1954年，科学家将硅制太阳电池的转化效率提高到6%左右。随后，太阳电池应用于人造卫星。1973年能源危机之后，人类开始将太阳电池转向民用。最早应用于计算器和手表等。
太阳能计算器
1974年，Haynos等人，利用硅的非等方性（anisotropic）的蚀刻（etching）特性，慢慢的将太阳电池表面的硅结晶面，蚀刻出许多类似金字塔的特殊几何形状。有效降低太阳光从电池表面反射损失，这使得当时的太阳电池能源转换效率达到17%。1976年以后，如何降低太阳电池成本成为业内关心的重点。1990年以后，电池成本降低使得太阳电池进入民间发电领域，太阳电池开始应用于并网发电。
单晶硅
硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。现在单晶硅的电地工艺己近成熟，在电池制作中，一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术，开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。
