يتناول هذا القسم استخدام تقنية النانو في جميع العمليات المتعلقة بالطاقة والتي تتضمن استخدام الإشعاع الشمسي كمصدر للطاقة الطاقة الشمسية مجانية ومتوفرة إلى حد ما في أجزاء كثيرة حول العالم. في عام واحد فقط، يمكن للشمس أن تزود الأرض بـ 15000 مرة طاقة أكثر من الطاقة الذرية والوقود اللازمة فعليًا خلال العام. يمكن استخدام مصدر الطاقة هذا بطرق مختلفة تقنية الخلايا الكهروضوئية - التي تحول الضوء مباشرة إلى تيار كهربائي ، وأنظمة حرارية شمسية - تستخدم في مجمعات الطاقة الشمسية ، والبناء الضوئي الاصطناعي - التي تنتج إما الكربوهيدرات أو الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء ، تسمى تقنيات الطاقة الشمسية السلبية ، حيث يزيد تصميم المباني من الإضاءة والتدفئة الشمسية وحتى تكنولوجيا الكتلة الحيوية - حيث تستخدم النباتات الإشعاع الشمسي لتحريك التحولات الكيميائية وإنشاء الكربوهيدرات المعقدة، والتي تُستخدم لإنتاج الكهرباء أو البخار أو الوقود الحيوي. يتم تضمين كل هذه العمليات المتعلقة بالطاقة وتطبيقاتها فيما يسمى بالاقتصاد الشمسي انظر الشكل (12.3)

الشكل (12.3) تطور التكنولوجيا الكهروضوئية من الخلايا الشمسية التقليدية (الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون إلى الخلايا الشمسية ذات البنية النانوية الخلايا الشمسية القائمة على الكم والصبغ). مقتبس من الحكام,تعتمد تقنيات الكتلة الحيوية في الغالب على إنتاج الوقود الحيوي من المواد الأولية الزراعية والغابات المزروعة على وجه التحديد أو النفايات العضوية. يمكن استخدام أنواع الوقود الحيوي هذه في خلايا الوقود للحصول على الكهرباء بشكل عام، يمكن وصفه بأنه إنتاج الطاقة من النباتات تمتلك الكتلة الحيوية حاليا حصة كبيرة (139-9% بالوزن) من الطاقة الأولية في العالم، والتي ربما تمثل حوالي 12600 تيراواط ساعة سنويًا بالمقارنة مع الطاقة الشمسية الكهروضوئية، تشترك الكتلة الحيوية في كثافة طاقة منخفضة وكفاءة تحويل منخفضة نسبيًا، ولكن على النقيض من ذلك، تتمتع الكتلة الحيوية بميزة القدرة على تخزين الطاقة الشمسية للاستخدام عند الطلب. يركز البحث الحالي على تطوير مواد ضوئية جديدة يمكن استخدامها لتحويل ضوء الشمس مباشرة أو الضوء الاصطناعي) إلى كهرباء. أيضا، تجد الأنظمة الحرارية الشمسية تطبيقات مثيرة للاهتمام في أجهزة التنظيف الذاتي، مثل استخدام الحرارة من الإشعاع الشمسي وتخزينها في مخزن حراري جاهز للاستخدام في تطبيقات التدفئة والمياه الساخنة لن تكون هذه التقنية هي التي تخفض تكلفة توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية إلى أقل من 1 دولار / (كيلوواط ساعة). في المقابل، كمثال على مستقبلها الجذاب كخلايا شمسية أكثر كفاءة، تتمتع النقاط الكمومية المتناهية الصغر بكفاءة تقترب من %40 البديل الآخر الذي تقدمه تقنية النانو للخلايا الشمسية التقليدية القائمة على السيليكون هو استخدام الخلايا الشمسية الصبغية. قدم O'Regan and Gratzel في عام 1991 أول خلية شمسية ذات بنية نانوية وهي خلية Gratzel أو خلية شمسية حساسة للصبغة، استنادا إلى أفلام ثاني أكسيد التيتانيوم الغروية الصبغية. كانت هذه الأفلام محصورة بين قطب كهربائي شفاف يعمل كأنود، والذي يعتمد على زجاج موصل، وقطب بلاتيني يعمل كموصل تحفيزي يتم وضع الكتروليت بين الفيلم والقطب الكهربي البلاتيني لنقل الإلكترونات (انظر الشكل 3) في هذه الخلايا، يحدث معظم امتصاص الضوء في جزيئات الصبغة، ويتم حقن الإلكترونات المنتجة في شريط التوصيل لأشباه الموصلات، ثم يتم فصل الشحنة عند السطح البيني بين تيتانيا وجزيئات الصبغة مما يؤدي إلى زيادة حصاد الضوء بسبب المساحة السطحية العالية للجسيمات النانوية. منذ ذلك الحين، تم تصنيع الخلايا الشمسية النانوية البلورية ذات الحساسية الصبغية من الجسيمات النانوية للعديد من أشباه الموصلات ومعماريات مختلفة مثل الأنابيب النانوية أو البلورات الضوئية أو الإسفنج الفوتوني بدلاً من الجسيمات النانوية، مما يزيد من كفاءتها بشكل كبير. يركز سوق هذه الخلايا الشمسية ذات البنية النانوية القائمة على الصبغة والتي لا تزال في مرحلة البحث على التطبيقات الأرضية، حيث يتم اختبار الأجهزة مثل الخلايا الكهروكيميائية الضوئية والخلايا الشمسية البوليمرية والخلايا الشمسية البلورية النانوية. تمثل هذه الخلايا، جنبا إلى جنب مع تقنيات النقاط الكمومية، الجيل الثالث من الخلايا الكهروضوئية، حيث تمزج أحدث التقنيات المعروفة باسم التكنولوجيا الكهروضوئية المركبة، بين البوليمرات الموصلة أو أكاسيد المعادن المسامية مع مساحات سطحية عالية لزيادة الانعكاسات الداخلية مع الجسيمات النانوية، وبالتالي صنع طبقة واحدة متعددة الأطياف. يمكن تكديس العديد من هذه الطبقات لتقليل النفقات والكفاءة النظرية حتى %86.5، وللأسف لم تتحقق عمليًا على سبيل المثال، يؤدي استبدال المنحل بالكهرباء السائل في الخلايا الشمسية الصبغية التقليدية بمحلول إلكتروليت قائم على البوليمر أو بوليمر لنقل الثقوب إلى خلايا شمسية مرنة بتكاليف أقل وعمر أطول. وبهذا المعنى، فإن إنتاج الخلايا الشمسية العضوية أو الهجينة العضوية / غير العضوية قد زاد بشكل ملحوظ من إمكانات تحويل الطاقة الشمسية، وفتح نهجا جديدًا في هذا المجال مع مجموعة واسعة من التقنيات المبتكرة. في الواقع، هناك بعض الشركات التي تعمل في مجال الخلايا الكهروضوئية من الجيل الرابع (مثل Nanosolar و Nanosys وIn Konarka Technologies، وما إلى ذلك ) ويتركز قدر كبير من الجهد العلمي على نفس النهج. ومع ذلك، لم يتم تحقيق الكفاءات الكافية حتى الآن. باختصار، الهدف هو زيادة نسبة الكفاءة / التكلفة بشكل ملحوظ، والذي يمكن تحقيقه باستخدام مواد ذات فجوات نطاقية مختلفة، أي طبقات متعددة من مواد متناهية الصغر بالغة الرقة، أو أصباغ جديدة أو نقاط كمومية، من بين أمور أخرى. في الواقع، تتمثل إحدى الأولويات التي اقترحتها الجمعية الملكية للكيمياء (RSC) في مراجعتها الأخيرة " أولويات العلوم الكيميائية لحلول الطاقة المستدامة " في تطوير جيل جديد من المواد الكهروضوئية على أساس الجزيئية والبوليمرية والنانوية مواد المرحلة وفقًا لذلك، فإن القدرة التراكمية الفعلية المركبة للطاقة الشمسية الكهروضوئية أعلى بقليل من 2000 ميغاواط. ومع فإن الاستخدام المتزايد للأجهزة الكهروضوئية والتحسينات الكبيرة في كل من الكفاءة والسعر تستمر في توليد سوق ينمو بنسبة 25% سنويًا.