人们常将太阳能分为直接太阳能和广义太阳能。所谓直接太阳能，就是通常太阳的直接辐射能量。而广义太阳能，即由太阳辐射能所产生的自然能，例如水力、风能、生物质能、潮汐能、海洋温差等。本节主要介绍太阳能的直接利用。太阳能的直接利用包括两个方面，一是热利用，即光一热转换；另一是光利用，它包括光-电转换、光-化学转换和太阳能制氢。
1.太阳能的常用转换技术
（1）太阳能的光—热转换。在众多的太阳能利用技术中，太阳能加热是目前应用最广泛和最有实用价值的一种。光—热转换就是指直接将太阳能转换成热能。各种光—热转换装置的基本设计思想是：设法将太阳能收集起来，然后用它来加热。常见的聚集太阳辐射能的装置有平板式集热器和聚光式集热器。
太阳能热利用领域很广。例如太阳能热水、供暖、制冷及空调等，太阳能水泵，太阳能干燥，太阳能蒸馏及太阳能热发电等。
（2）太阳能的光—电转换。光—电转换是通过光电器件将太阳能直接转变为电能。它是人们期待已久的事。太阳能电池就是应用光电效应制成发电装置，所以称之为光电池。由金属制成的光电池效率很低，只有应用了半导体后，才使光电池逐步跨入实用阶段。根据使用半导体材料的不同；太阳能电池可分为硅电池、硫化镉电池、砷化镓电池以及有机半导体电池等多种。第一个实用的硅太阳能电池于1954年制成，此后各种太阳能电池相继问世。现在单晶硅太阳能电池最为成熟，也最为常用。太阳能电池首先被用在人造卫星和宇宙空间站上。现在世界上90％的空间飞行器都靠太阳能电池提供动力，其功率从几瓦、几十瓦直至几千瓦不等。1971年我国已成功地把太阳能电池用到我国的第二颗人造卫星上。
许许多多的太阳能电池放在一起，就可以建成一座太阳能光发电站。美国加利福尼亚州建成的一座太阳能光电站，发电功率达1MW，是目前世界上最大的太阳能发电站。
（3）太阳能的光—化学转换。将太阳能直接转化成化学能就是光-化学转换。常见的有大家熟知的植物的光合作用和光化反应。自然界中植物通常通过光合作用将太阳能转换成自身的化学能，但转换效率很低，约为千分之几。现在人们正在试验利用太阳能催化草木生长和藻类繁殖；然后将草木进行高温分解以制得木炭，煤气、木焦油等燃料。如果把藻类植物进行发酵，则可制得沼气和氢气，再进行化学处理可得到石油。这种综合性的燃料栽培场在今后有希望得到大规模发展。
光化反应也是光-化学能转换的一种形式。由于某些气体（例如卤素及其化合物）在太阳光照射下吸热分解。例如：
Cl2光2Cl
当分解产物复合（还原）时，则释放出所吸收的太阳能。人们也设想用这种方法进行太阳能发电，目前还处于实验研究阶段。
2.太阳能制氢技术
（1）太阳能制氢技术的意义。太阳能制氢，原则上属于另一种新的利用太阳能的途径。所谓“太阳能制氢”，就是将太阳能转化为氢的化学自由能，而氢是我们目前了解到的、自然界中最理想的燃料。氢的燃烧产生水，对环境不造成任何污染，不影响大自然的生态平衡，是一种“干净”的燃料。氢可以长期储存，也可以远距离运输，因此可以在荒漠地区集中生产，然后输送到地方使用。氢的热值高，可以广泛地用于不同用途的氢发动机，以填补石油枯竭的空缺。所以科学家们对氢燃料寄予厚望。
虽然氢燃料具有上述诸多优点，但它却不像煤、石油和天然气可以从地下直接输送。在自然界中，氢已和氧化合成水。人们要想得到它，工业上常用电能去分解水制氢，这只是作为生产少量工业原料而采用的制备方法。也可以采用煤、石油等常规燃料燃烧所产生的热去分解水制氢。但是，利用上述方法来制备氢实用意义不大。因此，人们想利用太阳能制氢。太阳能无穷无尽，到处都有，水是制氢的原料，普遍存在。两者的结合，将分散的低品位太阳能转变为集中的、高品位的氢能。这种生产技术，一旦为人类所掌握，并大规模地应用，必将为解决能源和环境问题创造一个十分美好的前景。所以，太阳能制氢是一个极富吸引力的太阳能利用途径。
太阳能制氢，也就是太阳能分解水制氢，大致有以下几种方法：热分解水制氢、光电化学电池分解水制氢、太阳光络合催化分解水制氢。
（2）太阳热分解制氢。太阳热分解制氢主要有两种方法，一是直接热水分解法，另一种是热化学循环水分解法。
直接热水分解制氢法是通过太阳能将水直接加热至3000K的高温，在此高温下水会分解为氢气和氧气，水的分解反应是在气态状态下进行的，可以由下式表示：
H2O+热△H2+O2
其中的热量可以直接来源于高聚光比的旋转抛物面聚光器，例如高温太阳炉。要达到3000K的高温需要一定的努力。为了降低温度要求，目前提出一种流化床的氧化铁高温太阳光分解制氢系统。其反应式为：
H2OH2+O2
即使这样，从目前高温材料的发展现状来看，温度还显太高。因此，尽管此法制氢具有无污染、热效率高和不需催化剂等优点，但通常情况下难以采用。这促使很多科学工作者去探索各种热化学分解的新方法，以降低分解水的过程对温度的要求。从而避开由于直接热分解所带来的要求高温的困难。
所谓热化学反应分解水，就是在水中加进一种或多种化学元素或化合物，然后加热到一定的温度，则在溶液中产生水解反应，生成氢和氧，溶液中添加的化学元素或化合物，只是起到促进水分解的催化作用，在整个反应中不断地循环和再生。
热化学循环分解水，大致需要900～1200K的温度。以硫碘循环制氢为例，要求温度大约在1100K左右。即
第一步2H2O+SO2+I2室温H2SO4+2HI
第二步2HI570KH2+I2
第三步H2SO41070KH2O+SO2+12O2
H2OH2+12O2
由以上反应方程式可以看到，这种热化学分解水，不是直接完成的，而是借助于催化剂，通过几个反应步骤才完成。例如上面所列举的需要三步，有些反应则需要五步，最后分解得到氢和氧。在这一反应过程中的SO2和I2，只作为一种催化剂，并无消耗，而是不断地进行再循环。能够进行这类热化学循环分解反应的过程还有很多。它们最高温度为600～1673K，热效率为17．5％~75．5％。这个温度范围，通常的旋转抛物面聚光器是完全可能达到的。
热化学分解水制氢的主要问题是催化剂的还原。根据已有的估计，催化剂即使按99．9％，甚至按99．99％还原，也还要作0．1％~0．01％的补充，这将影响制氢的价格和环境污染。这些都有待于深入地研究，到底哪一种热化学循环更能达到低成本制氢的目的。
（3）光化学分解水制氢。1972年，日本东京大学本多健一等人利用n型二氧化钛（TiO2）半导体电极作阳极，而以铂（Pt）黑作阴极，制成太阳能光电化学电池，成功地实现了分解水制氢，引起了世界各国科学工作者的重视。这实质上就是1只半导体、电解质光电化学电池，不同之处只在于电极反应在阴极产生氢气，阳极产生氧气。其工作原理；将二氧化钛半导体电极插入盛有氢氧化钠溶液的白瓷盘里，而将铂黑电极插入盛有稀硫酸的烧杯里。白瓷盘和烧杯之间用一个盐桥沟通。两电极通过外电路连接，构成一个电化学电池。在阳光照射下，二氧化钛半导体吸收光能而激发，从而在两电极之间产生1．5V的电动势，若将连接两电极的外电路接通，从而形成电流，则在铂黑电极的表面还原水产生氢气，而在二氧化钛电极表面产生氧气。这是最简单、也是最早的光电化学电池分解水制氢。其电极反应如下：
二氧化钛电极被太阳光激发：TiO2+2hv2e-+2P+
在铂黑阴极：2H++2e-H2
在二氧化钛阳极：H2O+2P+12O2+2H+
H2O+2P+12O2+2H2
上述采用二氧化钛作电极的太阳能制氢方法，十分简单，但是效率很低，只有0．4％左右。这是因为二氧化钛半导体的禁带宽度大于3．0eV，只能吸收太阳光中的紫外光和近紫外光，大部分光能不能吸收。一般认为：应该选用禁带宽度在1．3±0．3eV的半导体作电极，这样才能吸收差不多整个波长的太阳光，从而有可能提高制氢转换效率。美国科学家海勒等人用P型磷化钢半导体太阳能电池制氢，效率达12％，使这种方法向实用性提高了一步。总之，利用光电化学电池循环制氢，是完全现实的技术，关键问题是如何提高太阳能的能量转换效率，即要找到一种太阳光谱响应特性好，而又能稳定工作的半导体阳极和电解溶液。待这一问题得到解决后，光电化学电池分解水制氢将具有广阔的发展前景。
（4）太阳光络合催化分解水制氢。1972年以来，科学家们发现三联吡啶络合物的激发态具有电子转移能力，并从络合催化电荷转移反应，提出利用这一过程进行太阳光分解水制氢。这种络合物，是一种催化剂。它的作用是吸收光能、产生电荷分离、电荷转移和集结，并通过一系列偶联过程，最终使水分解为氢和氧。在这一反应过程中，络合物既是电子供体，也是电子受体，本身作为一种催化剂，在此过程中不断循环而无消耗。络合催化分解水的过程，可大致示意如下：
Cat．（催化剂）吸收阳光Cat*（活化态）
Cat*+H2OCat+H2十12O2
催化剂担负着吸收光能、转移电荷、传递光能的多重任务，并同时实现水的还原产氢和氧化放氧两部分不同的反应，所以催化剂可能是一个衔接的催化链，而不大可能是一个单一的催化组分。一种或几种催化组分吸收光能，激发而启动整个催化链。其中某些氧化还原链节，特别是氢和氧的释放，可能还需要添加催化剂。
太阳光络合催化分解水制氢，实质上是类似于植物光合作用的一种过程，其制氢的理论效率不会超过20％，必须采用多光系统，才有可能提高效率。
太阳能制氢，是目前已有的各种太阳能利用中最不成熟的一种方式。但是，由于氢燃料具有很多优点，正像前面已经提到的那样，既可用作各种燃料，又能经济地远距离输送，是解决太阳能贮存和输送的一个极好的方法。但是，就目前已知的几种太阳能制氢的方法来看，效率都不很高。而直接太阳热分解水制氢的理论效率最高，而且没有任何化学副作用。所以，从长远来看，应该致力于直接热分解水制氢的研究。氢是一种极好的燃料，而太阳能又是无穷无尽的能源，因此，两者的结合，为人类解决能源问题提供了十分诱人的美好前景。
