虽然太阳能光伏电池发展前景很好，但要进一步提升性能，并对全球碳排放产生真正的影响，需要跨入太瓦级时代才能实现。而传统的太阳能电池板大多是半导体硅晶制成的，经过几十年的研究和开发，通常只能将太阳光中约15%至19%的能量转化为电能，进一步的改进越来越难以实现。此外，材料短缺，以及必要投资的规模和速度，也可能阻碍扩大现有技术生产的努力。

大多数光伏电池的工作原理基本相同。一层半导体材料吸收光子，产生电子和称为空穴的正电荷载流子。在与电池另一侧的空穴复合之前，电子被虹吸出来绕着电路流动并做有用的工作。一个硅层需要大约200微米厚才能吸收入射光线。但其他材料吸收更强烈，形成只有几微米厚的有效集光层。这使得基于这些材料的电池可能更便宜，制造能耗更低。 

目前，一些薄膜技术已经成熟。如碲化镉（CdTe）和铜铟硒镓（CIGS）在全球光伏市场份额约已占到5%。商业化的碲化镉电池板目前已与硅的效率和成本相当，还有进一步改进的空间。但碲化镉和CIGS都依赖于稀土碲和铟，在太瓦级部署难以实现。

但太阳能电池的价格只是整个装置总成本的一部分。真正的成本底线是所谓的电力平准化成本（LCOE）：即在整个装置的使用寿命期内的每千瓦时成本。这种成本包括设备成本，如逆变器将面板的低压直流电转换成高压交流电。其他成本还包括安装和最终回收面板的成本等。因此，研究人员也正努力改善另外两个关键投入：面板的寿命及其能效。

从未来发展看，新材料和光学技术的结合也许是突破成本和效率瓶颈、解决千兆瓦挑战的关键。这些材料可以批量便宜生产，比如采用打印或喷涂技术生产，或者是集成在建筑物墙壁或玻璃中，将捕捉更多的太阳能，在未来20年内改变全球能源供应局面。

研究人员正在研究大量其他材料,其中一个重要的方向是有机物太阳能电池。聚合物和染料等有机分子可以用来制造光伏电池的吸光层，它们的优势是可以由简单的原料大量合成，制造成本很低。有机电池的部署也十分灵活方便，可以很容易地安装在屋顶或粘到其他表面上，而无需重型玻璃板。此外，有机电池可设计为主要吸收红外光，对可见光透明，这样就可以集成到窗户中。目前，密歇根大学Forrest领导的光电子学研究小组开发的有机光伏电池的效率已达7%，可让43%的可见光透过。MIT的科研人员也成功实现通过粘附石墨烯电极来提高透明有机物的效率。有机光伏电池的缺点是怕水和空气，容易氧化，因而寿命较短，还需要安装在密封的双层玻璃内。

钙钛矿材料都与钙钛氧化物矿物具有相同的晶体结构，不同类型的离子或分子可以占据这个结构中的三个位置中的一个，这意味着可以产生各种不同的材料。钙钛矿的晶体结构往往具有低密度的缺陷，确保相对较少的电子和空穴因过早的复合而丢失。最近的一项研究表明，相对柔性的晶格在去除带电电子的热能方面是无效的，这有助于解释钙钛矿的高效率，并有望进一步改进。更重要的是，钙钛矿中的所有材料都是丰富的，用于制造它们的基于溶液的方法可能比硅电池所需的高温处理更便宜。 因此，钙钛矿电池尽管研究不到十年，但进展十分迅速，效率增长很快，是最有前途的新型光伏材料之一。如甲基铵卤化铅薄膜电池的效率高达23%。

但钙钛矿材料也有不足。一是其通常包括有毒元素铅，阻碍其商业化发展。需要寻找无毒替代品，如锡。二是容易降解，特别是在水中，因而寿命较短，LCOE较差。需要封装在塑料中但同时增加了成本。瑞士联邦理工学院一个小组通过在钙钛矿电池中额外增加一层成分相同但结构不同、更耐潮湿的钙钛矿解决了上述两个问题,实现了超过10000小时的运行时间不损失性能，还比塑料封装便宜。 

由于禁带宽度，钙钛矿和其他新型光伏材料也有性能限制。被束缚的电子要释放成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度（band gap）。例如，Si的禁带宽度外推0 K时是 1.17 eV，到室温时即下降到 1.12 eV。光子如果能量小于这个值，就不能产生电荷载流子，因此被浪费了。光子的能量超过这个能量就可以产生载流子，但是任何超过1.1电子伏的能量都会以热量的形式损失掉。根据肖克利-奎伊瑟极限计算，对于1.1电子伏的禁带宽度，太阳能转化效率极限约为32%。在实际中，由于电荷载流子的复合、内阻、电池表面的反射以及其他效应，电池效率还会下降。

采用化学修补法，设计能调整带隙的电池材料并将其串联起来，可以提升电池效率。串联电池有两个半导体层：宽带隙的上层可充分利用可见光，大部分红外线穿透并被窄带隙的第二层吸收。例如，在钙钛矿-硅串联结构中，钙钛矿可设计成1.7电子伏的带隙，与1.1电子伏的硅互相补充。理论效率极限可达43%。当然实际情况是不能达到的。2018年6月，牛津光电公司创造了钙钛矿-硅串联电池27.3%的效率记录。

纳米结构材料的三层串联性能更佳。例如，利用量子点技术设计的三重电池,一个钙钛矿层调谐到蓝光和绿光，一个硅层用于红光和近红外光，以及一个量子点层用于最长波长。这样可以在不增加成本的情况下提高6%的功率转换效率。

利用新型光学技术材料等可以产生未来的超级电池。例如，新型纳米结构材料可以提供更好的抗反射涂层，使更多的阳光进入太阳能电池。由纳米线网格制成的电极几乎可以完全透明。 由绝缘材料而不是半导体制成的纳米柱可以通过多种方式提升太阳能电池性能。纳米柱不吸收光，具有与周围材料不同的折射率，因此某些波长的光从阵列上反射出来。这些纳米柱可以在钙钛矿和硅间形成一个独立层。当光进入电池时，钙钛矿层吸收大部分短波长光，但其中一些可以通过。纳米柱有适当的间距将未被吸收的光反射回钙钛矿层，使其有第二次被吸收的机会。而较长波长的光可以直接穿过纳米柱层而不被反射，这样就可到达下层的硅。类似方法也来用来改善其他太阳能电池，使光来回反射，直到被吸收。例如，加州理工学院的Harry Atwater团队正研制一种利用反射层将光导入六个电池的装置，每个电池都调到不同的波段，并排堆叠，其目的是使设备总效率实现50%。 

可打印薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。澳大利亚纽卡斯尔大学已成功使用传统打印机制作出了厚度不足1毫米的薄膜太阳能电池，并完成了首次大规模的商业化安装, 并在一个100平方米的装置中测试了这个系统，并达到了大约1%的效率，预计使用寿命为1到2年。他们的有机光吸收剂是一种噻吩聚合物，以墨水的形式制备，并通过商业印刷机（其中一个电极）使用银基油墨进行沉积。据悉，这种太阳能电池材料非常便宜，每平方米的生产价格不足10澳元。

薄膜电池由于理论效率高、材料消耗少、制备能耗低等被称为第二代太阳能电池技术。尤其是在柔性衬底上制备的薄膜电池，具有可卷曲折叠、不怕摔碰、重量轻、弱光性能好等优势，未来应用前景广阔。