目前，世界各地的大学和研究机构中有许多活跃于光伏领域的研究小组。该研究可分为三个方面：使现有技术太阳能电池更便宜和/或更有效地与其他能源有效竞争;开发基于新太阳能电池建筑设计的新技术;开发新材料，作为从光能到电流或光吸收器和电荷载体的更高效的能量转换器。

硅加工
降低成本的一种方法是开发更便宜的获得足够纯的硅的方法。硅是一种非常常见的元素，但通常以二氧化硅或硅砂结合。加工二氧化硅（SiO2）以生产硅是一种非常高能量的工艺 – 在目前的效率下，传统太阳能电池需要一到两年的时间来产生与制造硅所含的硅一样多的能量。更节能的合成方法不仅有利于太阳能行业，而且有利于整个硅技术的行业。

目前工业生产的硅是通过碳（木炭）和二氧化硅之间在约1700℃的温度下的反应。在该过程中，称为碳热还原，每吨硅（冶金级，纯度约98％）产生，排放约1.5吨二氧化碳。

通过在相当温和的温度（800至900℃）的熔融盐浴中电解，可以将固体二氧化硅直接转化（还原）成纯硅。虽然这个新工艺原则上与1996年底首次发现的FFC剑桥工艺相同，但有趣的实验室发现这种电解硅是多孔硅形式，很容易变成细粉末，粒径很大几微米，因此可能为太阳能电池技术的发展提供新的机会。

另一种方法也是通过将晶片微加工成非常薄的，几乎透明的层（可用作透明建筑覆盖物）来减少所用硅的量并因此降低成本。该技术涉及采用通常厚度为1至2毫米的硅晶片，并在晶圆上制作多个平行的横向切片，从而产生大量厚度为50微米且宽度等于厚度的薄片。原始晶圆。这些切片旋转90度，使得与原始晶片的面相对应的表面成为条子的边缘。结果是将例如150mm直径，2mm厚的晶片（每面具有约175cm 2的暴露硅表面积）转换成尺寸为100mm×2mm×0.1mm的约1000个条子，产生总计暴露的硅表面积约为每面2000厘米2。由于这种旋转，晶片表面上的电掺杂和触点位于条子的边缘，而不是像传统晶片电池那样位于前后。这具有使细胞从细胞的前部和后部敏感的有趣效果（称为双面性的性质）。使用这种技术，一个硅晶片就足以构建一个140瓦的面板，相比之下，相同功率输出的传统模块需要大约60个晶圆。

纳米晶太阳能电池
这些结构使用了一些相同的薄膜光吸收材料，但在导电聚合物或介孔金属氧化物的支撑基质上覆盖了极薄的吸收体，具有非常高的表面积以增加内部反射（因此增加了概率）光吸收）。使用纳米晶体允许人们设计纳米长度尺度的结构，典型的激子扩散长度。特别地，单纳米晶体（“沟道”）器件，电极之间的单个p-n结的阵列并且以大约扩散长度的周期分开，代表了太阳能电池的新结构并且可能具有高效率。

薄膜加工
与基于晶片的太阳能电池相比，薄膜光伏电池可以使用不到1％的昂贵原材料（硅或其他光吸收剂），导致每瓦峰值容量的显着降价。世界上有许多研究小组正在积极研究不同的薄膜方法和/或材料。

一种特别有前途的技术是玻璃基板上的结晶硅薄膜。该技术结合了晶体硅作为太阳能电池材料（丰度，无毒，高效，长期稳定性）的优点，同时节省了使用薄膜方法的成本。

薄膜太阳能电池的另一个有趣的方面是可以将电池沉积在所有类型的材料上，包括柔性基板（例如PET），这为新应用开辟了新的层面。

变质多结太阳能电池
截至2014年12月，通过使用法国CEA-Leti的Soitec与德国Fraunhofer ISE的合作开发的多结聚光太阳能电池，实现了46％的太阳能电池效率世界纪录。

国家可再生能源实验室（NREL）凭借其变质多结光伏电池赢得了R＆D Magazine的R＆D 100奖项之一，这是一种超轻且灵活的电池，能够以创纪录的效率转换太阳能。

这种超轻，高效的太阳能电池是在NREL开发的，由位于纽约州Albuquerque的Emcore公司与位于Albuquerque的Kirtland空军基地的空军研究实验室太空飞行器局合作进行商业化。

它代表了一类新的太阳能电池，在性能，工程设计，运行和成本方面具有明显的优势。几十年来，传统电池的特征在于具有类似晶体结构的半导体材料的晶片。它们的性能和成本效益受到以直立配置增长电池的限制。同时，电池是刚性的，厚的和厚的，底层由锗制成。

在新方法中，细胞是颠倒生长的。这些层使用具有极高质量晶体的高能材料，特别是在产生大部分功率的电池的上层。并非所有层都遵循均匀原子间距的格子图案。相反，电池包括全范围的原子间距，这允许更大的吸收和使用太阳光。去除了厚而坚硬的锗层，降低了电池的成本和94％的重量。通过将常规方法转向其头部的细胞，结果是一种超轻且灵活的细胞，其也以创纪录的效率转换太阳能（在326太阳浓度下为40.8％）。

聚合物加工
导电聚合物（Alan Heeger，Alan G. MacDiarmid和Hideki Shirakawa被授予诺贝尔奖）的发明可能导致开发基于廉价塑料的便宜得多的电池。然而，有机太阳能电池通常在暴露于UV光时遭受降解，因此具有太短而不能存活的寿命。聚合物中的键在用较短波长辐射时总是易于破裂。另外，携带电荷的聚合物中的共轭双键体系更容易与光和氧反应。因此，大多数高度不饱和和反应性的导电聚合物对大气湿度和氧化高度敏感，使得商业应用变得困难。

纳米粒子加工
实验性的非硅太阳能电池板可以由量子异质结构制成，例如，碳纳米管或量子点，嵌入导电聚合物或中孔金属氧化物中。此外，传统硅太阳能电池上的许多这些材料的薄膜可以提高进入硅电池的光耦合效率，从而提高整体效率。通过改变量子点的大小，可以调整细胞以吸收不同的波长。尽管该研究仍处于初期阶段，但由于多激子产生（MEG），量子点改性光伏器件可能能够实现高达42％的能量转换效率。

麻省理工学院的研究人员已经找到了一种利用病毒将太阳能电池效率提高三分之一的方法。

透明导体
许多新的太阳能电池使用透明薄膜，这也是电荷导体。现在用于研究的主要导电薄膜是透明导电氧化物（缩写为“TCO”），并且包括氟掺杂的氧化锡（SnO 2：F，或“FTO”），掺杂的氧化锌（例如：ZnO：Al），和氧化铟锡（缩写为“ITO”）。这些导电薄膜还用于LCD工业中用于平板显示器。 TCO的双重功能允许光通过衬底窗口到达下面的有源光吸收材料，并且还用作欧姆接触以将光生电荷载流子从该光吸收材料传输出去。目前的TCO材料对于研究是有效的，但可能尚未针对大规模光伏生产进行优化。它们在高真空下需要非常特殊的沉积条件，它们有时会遭受差的机械强度，并且大多数在光谱的红外部分具有差的透射率（例如：ITO薄膜也可以用作飞机窗户中的红外滤光器）。这些因素使大规模制造成本更高。

使用碳纳米管网络作为有机太阳能电池的透明导体已经出现了一个相对较新的领域。纳米管网络是灵活的并且可以以各种方式沉积在表面上。通过一些处理，纳米管薄膜在红外线中可以是高度透明的，可能实现有效的低带隙太阳能电池。纳米管网络是p型导体，而传统的透明导体仅为n型。 p型透明导体的可用性可以导致新的电池设计，简化制造并提高效率。

基于硅晶片的太阳能电池
尽管通过使用新的和异国情调的材料进行了多次尝试制造更好的太阳能电池，但实际情况是光伏市场仍然以硅晶片为基础的太阳能电池（第一代太阳能电池）占主导地位。这意味着大多数太阳能电池制造商目前都配备了生产这种类型的太阳能电池。因此，世界各地正在进行大量研究，以较低的成本制造基于硅晶片的太阳能电池，并提高转换效率，而不会过度增加生产成本。基于晶圆和替代光伏概念的最终目标是以与目前市场主导的煤，天然气和核能相当的成本生产太阳能电力，以使其成为主要的主要能源。为实现这一目标，可能有必要将安装的太阳能系统的成本从目前的大约1.80美元（对于散装硅技术）降低到大约每瓦0.50美元的峰值功率。由于传统体硅模块的最终成本的主要部分与太阳能级多晶硅原料的高成本（约0.4美元/瓦特峰值）相关，因此存在大量推动使Si太阳能电池更薄（节省材料）或制造来自更便宜的升级冶金硅的太阳能电池（所谓的“脏Si”）。

IBM采用半导体晶圆回收工艺，采用专门的图案去除技术，将废旧半导体晶圆重新用于制造硅基太阳能电池板的形式。新工艺最近被国家污染预防圆桌会议（NPPR）授予“2007年最具价值污染防治奖”。

红外太阳能电池
爱达荷国家实验室的研究人员，以及密苏里大学剑桥光波电力公司的合作伙伴和密苏里大学的帕特里克皮纳罗，已经设计出一种廉价的方法来生产含有数十亿纳米天线的塑料薄片，这些纳米天线可以收集太阳和其他产生的热能。消息人士获得了两项2007 Nano50奖项。该公司在2010年停止运营。虽然仍然需要开发将能源转换为可用电力的方法，但有朝一日可以将这些板材制成轻质“皮肤”，从混合动力汽车到计算机和iPod的所有产品都能提供高效率的传统太阳能电池。细胞。纳米天线以中红外线为目标，地球在白天吸收太阳能后继续作为热量辐射出来;双面纳米天线板也可以从太阳光谱的不同部分获取能量。相比之下，传统太阳能电池只能使用可见光，使它们在天黑后闲置。

紫外太阳能电池
日本国家先进工业科学与技术研究所（AIST）成功开发出一种透明太阳能电池，该太阳能电池利用紫外线（UV）发电，但允许可见光通过。大多数传统太阳能电池使用可见光和红外光来发电。用于替代传统的窗户玻璃，安装表面积可能很大，从而可能利用发电，照明和温度控制的综合功能。

通过使用由沉积在Nb掺杂的钛酸锶基底上的p型半导体聚合物PEDOT：PSS膜制成的有机 – 无机异质结构来实现这种透明的UV吸收系统。 PEDOT：PSS由于其在空气中的稳定性及其在水中的溶解度而易于制成薄膜。这些太阳能电池仅在UV区域中被激活并且导致16％电子/光子的相对高的量子产率。该技术的未来工作涉及用沉积在玻璃基板上的钛酸锶膜代替钛酸锶基板，以实现低成本，大面积制造。

从那时起，已发现其他方法包括太阳能电池发电中的UV波长。一些公司报告使用纳米荧光粉作为透明涂层将紫外光转化为可见光。其他人报道了通过用诸如锰的过渡金属掺杂诸如GaN的宽带隙透明半导体来扩展单结光伏电池的吸收范围。

柔性太阳能电池研究
柔性太阳能电池研究是一种研究级技术，其中一个例子是在麻省理工学院创建的，其中太阳能电池是通过使用化学气相沉积技术将光伏材料沉积在柔性基板（例如普通纸）上来制造的。在纸上制造太阳能电池的技术是由麻省理工学院的一组研究人员在国家科学基金会和埃尼 – 麻省理工学院联盟太阳能前沿计划的支持下开发的。

3D太阳能电池
三维太阳能电池可以捕获几乎所有撞击它们的光，可以提高光伏系统的效率，同时减小其尺寸，重量和机械复杂性。在佐治亚理工学院研究所创建的新型3D太阳能电池利用一系列微型“塔式”结构捕获阳光中的光子，这些结构类似于城市街道网格中的高层建筑。 Solar3D，Inc。计划将此类3D电池商业化，但其技术目前正在申请专利。

发光太阳能聚光器
发光太阳能聚光器将太阳光或其他光源转换成优选的频率;他们将输出集中在转换成理想的电力形式，如电力。它们依赖于介质（例如液体，玻璃或用合适的涂层或掺杂剂处理的塑料）中的发光，通常是荧光。该结构被配置为将来自大输入区域的输出引导到小转换器上，其中集中的能量产生光电。目标是以较低的成本收集大面积的光线;发光聚光板可以用诸如玻璃或塑料之类的材料廉价地制造，而光伏电池是高精度，高技术的装置，因此以大尺寸构造是昂贵的。

Radboud University Nijmegen和Delft University of Technology等大学正在进行研究。例如，在麻省理工学院，研究人员已经开发出将窗户转换为阳光聚光器以产生电力的方法。他们将染料混合物涂在玻璃或塑料板上。染料吸收太阳光并将其作为荧光在玻璃内重新发射，在玻璃内部受到内部反射的限制，在玻璃边缘出现，在那里遇到太阳能电池，优化用于转换这种聚集的太阳光。浓度系数约为40，并且光学设计产生的太阳能聚光器与基于透镜的聚光器不同，不需要精确地指向太阳，并且甚至可以从漫射光产生输出。 Covalent Solar正致力于该工艺的商业化。

超材料
超材料是非均质材料，采用许多微观元素的并置，产生在普通固体中看不到的性质。使用这些，可以在狭窄的波长范围内制造出优异吸收剂的太阳能电池。已经证明微波状态下的高吸收，但是在300-1100nm波长范围内还没有。

光伏热混合
一些系统将光伏与热太阳能结合，其优点在于热太阳能部件带走热量并冷却光伏电池。保持温度降低可降低电阻并提高电池效率。

基于Penta的光伏发电
据称，基于并五苯的光伏发电可以将能效比提高到95％，从而有效地将当今最有效技术的效率提高一倍。

中频
太阳能电池研究中的中频光伏器件提供了超过Shockley-Queisser限制电池效率的方法。它在价带和导带之间引入了中间带（IB）能级。从理论上讲，引入IB允许能量小于带隙的两个光子将电子从价带激发到导带。这增加了感应光电流，从而提高了效率。

Luque和Marti首先使用详细的平衡推导出具有一个中间能级的IB设备的理论极限。他们假设IB没有收集任何载体，并且设备完全集中。他们发现最大效率为63.2％，带隙为1.95eV，IB为0.71eV，来自价带或导带。在一次太阳照射下，限制效率为47％。