太阳能的使用非常久远，而且能量巨大，但是为什么太阳能没有像石油、煤炭、天然气一样成为支柱能源呢？这与太阳能的特点有关。首都师范大学的太阳能专家李申生教授对此做了一个绝妙的比喻，叫做“一弱、二断、三不稳”。
所谓“一弱”，是指太阳能数量虽多，但是单位面积上获得的却太弱。在地面上每1平方米的面积内，太阳能的功率只有640瓦。
所谓“二断”，就更为明显。大家都知道夜晚没有太阳，没有太阳就没有太阳能，这样的情况在一年中占总时间的一半。即使在有太阳的一半时间中，由于天阴下雨也不可能总有充足的太阳能。
所谓“三不稳”，大家同样可以理解。在一天中，太阳的亮度是不一样的。早晚太阳亮度低，而中午则强。《论语》中就有一则故事，两个小孩正在争论一个问题，问题是中午与早晨什么时候太阳离地球最近？一个小孩认为是早晨，因为早晨太阳很大。但另一个小孩不同意，他觉得虽然早晨太阳大，但是中午太阳热。这个故事主要是说看问题有不同的角度和理由，但也间接说明了太阳能的不稳定性。在一年之中，冬季与夏季太阳能的功率同样很不一样。因此利用太阳能并不十分容易。
为了解决这个问题，科学家们采取了一系列措施，对于太阳能单位面积弱的问题，一般采取聚焦的方法。最早的聚焦法是法国化学家拉瓦西试验的，他利用凸透镜聚集的光线冶炼金属。由于凸透镜制造工艺复杂，价格昂贵，目前一般都使用凹面镜聚焦。对于后两个问题，目前主要是加强太阳能的储存。
太阳能的利用有多种方法，根据能源转化方式的不同，可分为多种途径。
光伏发电法实际上就是直接使太阳能转化为电能，然后再通过导线将电能输送出去，它的发现在100多年以前。
1887年德国著名实验物理学家赫兹在研究电磁波时发现，如果用紫外线照射电极，接受电磁波的电极非常容易打出火花。实际上在这十几年前，英国人亚当斯就已经发现，阳光照射在硒上可以产生电流。1888年，科学家霍尔瓦克斯证实了正是由于紫外线照射才出现了光电效应。1902年又有一位科学家证明在光线照射下可以打出电子。而爱因斯坦则最终提出了光电方程，并且为此获得了诺贝尔物理奖。
在光电方程的指导下，工程师们开始了光电池的艰难开发。1954年贝尔实验室的科学家们用半导体材料制造出了光电转化率可以达到10％的光电池。1958年美国第一颗人造地球卫星上天之时，就采用了太阳能电池做电源。
从1975年开始，科学家们使用单晶硅作为基本材料开发太阳能电池，结果效率达到了13％。这种材料易于做成薄膜，大大减轻了电池的质量。今天太阳能电池的研究又有了新的进展。由于制造单晶硅的材料镉污染严重，近些年人们又开始研究多晶硅太阳能电池，这种电池的转化效率可以达到18％。澳大利亚研究机构声称，他们研究的多晶硅太阳能电池转化效率达到了20％。
太阳能的光伏发电法有着非常广阔的应用空间，我国山西省的一所小学就是完全依靠太阳能系统供电、供暖的，每年节约了大量的电费与煤火费。
在美国，几年以前电力公司就开始将功率大约为1000瓦的小型太阳能光伏发电系统出售给家庭使用，销路很好。
因为在美国，如果安装动力电线，顾客需要购买从变电所到居住地的铜线。而购置了太阳能发电设备后，这笔开销节省下来，总体经济效益上升了。从未来的角度看，太阳能电池与飞轮储能系统的结合，很有可能改变人们目前生产生活的用电模式。未来的工厂与家庭可能不再使用传统的电线与电厂相联系，而改用独立的太阳能供电系统与蓄电系统。
太阳能利用的早期形式，也是最普遍的形式，是进行光热转化。当年阿基米德击退罗马海军就是使用了光热转化原理。这种原理在今天已经被广泛使用，由于利用规模庞大，设备多种多样，科学家们将太阳能的光热利用分成几种类型。第一种类型叫做太阳能的低温利用，这也是目前利用最为广泛的。
太阳能热水器
如果留意观察，你会发现如今大街小巷居民房屋上到处都是太阳能热水装置，这就是太阳能低温利用的典型实例。
我国是世界上太阳能低温利用最好的国家之一。今天我国已经成为太阳能使用大国，其中光热转化装置起着举足轻重的作用。
能够将太阳能转化成热能的工具有三种。第一是直接在密封的高分子包中加热，这是目前平房住户最为常见的利用太阳能的方式。这种方式虽然效率不高，但是由于成本低廉，不失为利用太阳能的一种好方法。
第二种方法是使用太阳能平板接受器，这种方法可以使效率提高许多，并有利于成批使用。一些机关、学校、家庭都已经开始使用这种方法加热洗漱用水。这对于减少环境污染，减少单位与家庭能源开支起到了积极的作用。
第三种方式则是使用热管。所谓热管，很像一个热水瓶胆，它采取了可以提高吸收太阳能的材料，同时将管内抽成真空。这样一方面可以增加太阳能的接受强度，同时又可以减少损失。利用这种方法加热的水可以达到很高的温度。
光热转化装置面临的一个严重的困难就是太阳能过于分散，为了解决这个问题，科学家们想出了将太阳光聚焦的办法。在每一个太阳能加热器的加热端上安装小型凹面镜，而加热用的太阳能管正好处于凹面镜的焦点上。这样，可以得到温度较高的热水。
蔬菜大棚
太阳能低温利用的另外一个例子就是农村的太阳能蔬菜大棚。由于塑料透光性强、散热慢，所以可以在大棚内获得远高于外界环境的温度。在寒冷的东北，冬季气温可以达到-10℃～-20℃，但是在大棚内气温却可以高达10℃，由此可见地膜与大棚的作用。由于塑料污染环境，难以处理，先进的温室大棚是以玻璃为材料的。不管以什么为材料，作用的原理没有发生变化。
房屋供暖保温
利用太阳能实现房屋的供暖保温，这是国内外科学家们正在研究的课题。1939年，美国加州理工大学就设计了第一座太阳能建筑，叫做太阳房。
太阳房分成两种类型，一种是主动式太阳房，另外一种则是被动式太阳房。所谓被动式太阳房是指不对房屋进行特殊的设计，仅仅根据房屋所处的地理位量以及对于墙、门窗的合理排列而获得太阳能的建筑。这种建筑由于技术含量不高，因此非常适合发展中国家使用。最早的被动式太阳房实际上就是在面向太阳的方向安装上双层大玻璃，这样太阳光可以非常容易射入室内，而能量却无法散失，这种太阳房主要应用于温室天棚等特殊场合。
另外一种太阳房又叫特伦布墙式。这种太阳房由法国工程师特伦布发明。它没有窗户，面向太阳的一面墙用混凝土与砖石构成，外表涂成黑色，在房屋的向阳面与背阴面的两面墙上开孔。其中向阳面上下各开两个孔，而背阴面则只在顶部开一个孔。由于热空气密度小，所以可以浮在上面。而冷空气较重，因此位于底部。这种太阳房在白天由顶部的孔直接吸收热空气，冷空气从底部的孔排出，夜晚两个孔关闭。墙面是黑色的，白天已经吸收了大量的热量。夜晚，墙壁向外放出热量，防止室内温度下降。夏季关闭向阳面的气孔。打开背阴面的气孔，这样就可起到降温的作用了。
主动式太阳房则是主动利用太阳能进行照明、供热和降温。这种太阳房造价较高，但是太阳能利用非常充分。这种太阳房的照明系统采用太阳能，一个典型的实例就是香港中银大厦的太阳能照明系统。这一系统使用多个平面镜将阳光反射到室内，可以大大节约照明的电力费用。
斐济国则采取了另外一种照明系统，这种系统是利用光导纤维将室外的阳光导入室内照明。
太阳房的供电系统由太阳能光伏电池与发电厂的电能共同提供，前者作为供电主体，后者是出现连阴天时使用的辅助系统。太阳能电池发出的电能由蓄电池保存，以供夜间使用。房屋的供热系统由太阳能热水器提供，而空调系统则是太阳能空调系统。
太阳能能够使温度升高，同样可以降低室内温度。太阳能降温的方法多种多样，有机械压缩式、蒸气喷射式以及固体、液体吸收式。制冷原理是：氨-水溶液在集热发生器内受到太阳辐射，温度、压力升高。当压力增加到一定的程度，通向冷凝器的阀门被打开。此时由于压力下降，氨迅速从水中脱离并且气化，带走大量的热量，完成降温过程。此后，已经分离后的纯氨气与水结合形成氨水返回集热器开始第二个循环。但这种制冷装置在夜晚不可能使用。
为了解决这个问题，科学家们增加了一个电泵，用于夜间制造压力差，继续制冷。电泵使用的电能既可以通过白天储存的太阳能提供，也可以由产生废热的工厂提供。这样的空调系统不但节省能源，而且保护环境。
太阳能治病
太阳能可以治病。利用太阳能治病的事例古今中外不胜枚举，今天的太阳能理疗器不但继承了原来太阳能治病的优点，而且又有了很大发展。近代太阳能治病的研究是从苏联的卫国战争开始的，当时苏军医生使用太阳光给受伤战士的伤口加热，促其早日恢复，取得了很好的效果，于是在阿拉木图开办了第一座太阳能治疗医院。这家医院中安装一个巨大的反光镜，将太阳光集中发射到病人需要治疗的部位，使很多病人的身体状况得到了明显的改善。
太阳能热力发电站
在太阳能中高温利用中，比较重要的就是太阳能制氢。
除了可以利用太阳能制氢之外，还可以利用这种原理直接建立太阳能热力发电站。太阳能热力发电站就是像阿基米德那样利用镜面将太阳光反射到锅炉上，利用强光产生的巨大热能加热水，产生蒸气推动发电机做功。使用这套装置，可以使太阳光的聚光比率达到10%以上，从而大大提高效率。
这套系统可以安装在广场上，也可以安装在屋顶上，从而将太阳能大量地转为电能。
在美国的加利福尼亚州有一座巨大的太阳能电厂，其发电能力达到了1万千瓦。这个电站使用的是分散供热的方式，什么是分散供热呢？实际上就是利用如同卫星天线一样的装置反射面。它可以将阳光反射到集热罐上，整个电站由700套这样的装置组成。这个电站分布在一片山坡上，由计算机控制其转向。这种电站最大的优点是能降低运行成本。
同时，由于每一套装置独立成为一个整体，因此整个系统便于维修与管理。现在世界上最大的太阳能热力发电站在哈萨克斯坦，这个电站的中心是一个大型锅炉，四面八方是反射镜面，将阳光反射到锅炉上，然后再利用蒸气做功发电。
太阳灶
太阳能中高温利用的另外一个例子就是太阳灶，太阳灶是一种可以做饭的炊事用具，其作用如同火炉。这种太阳灶有两种类型，一种是集热箱式，另外一种则是聚光式。这两种太阳灶作用不一样。集热箱式热能转化慢，非常适用于诸如炖肉、熬汤、蒸饭等需要长时间小火量用火的场合；而聚光式太阳灶则可以用于急火炒菜。
箱式太阳灶是一个封闭的箱子，它的一面布满玻璃，箱子底部安装保温材料和黑色箱底，在阳光照射下，其内部温度可以达到150℃左右。聚光式太阳灶的形状与太阳能热力发电站类似，整个装置如同一个卫星天线。