Energi surya
diproduksi dengan menggunakan fotosintesis buatan. Kimia katalisis multielektron yang digunakan untuk membuat bahan bakar dengan dasar karbon (seperti metanol) dari reduksi karbon dioksida merupakan suatu tantangan; alternatif yang lebih mudah adalah produksi gas hidrogen dari proton, namun menggunakan air sebagai sumber elektron (sebagaimana yang dilakukan tanaman) membutuhkan
penguasaan oksidasi multielektron dua molekul air ke satu molekul oksigen. Beberapa ahli meramalkan akan adanya pabrik bahan bakar surya di kota besar yang berada di tepi laut menjelang tahun 2050- pemecahan molekul air laut untuk menghasilkan gas hidrogen yang digunakan untuk pembangkit listrik di sekitarnya dan produk samping air murni yang akan disalurkan untuk kebutuhan air permukiman. Visi
yang lain adalah bangunan buatan manusia menutupi seluruh permukaan Bumi (seperti jalan, kendaraan, dan bangunan) melakukan fotosintesis lebih efisien dibandingkan tanaman.
Teknologi produksi gas hidrogen telah menjadi sasaran penting dalam penelitian kimia surya sejak tahun 1970an. Selain elektrolisis menggunakan fotovoltaik atau sel fotokimia, beberapa proses termokimia juga dikembangkan. Salah satu proses tersebut menggunakan pemusat surya untuk memecah molekul air pada temperatur tinggi (2300-2600 °C). Proses yang lain menggunakan panas dari pemusat surya untuk
menghasilkan uap untuk proses reformasi gas alam, sehingga meningkatkan perolehan gas hidrogen dibandingkan dengan metode reformasi konvensional. Siklus termokimia yang melibatkan dekomposisi dan regenerasi reaktan dapat digunakan sebagai alternatif produksi gas hidrogen. Proses Solzinc yang sedang dikembangkan di Institut Weizmann menggunakan tungku surya 1 MW untuk dekomposisi seng oksida (ZnO) pada suhu di atas 1200
°C. Permulaan reaksi membutuhkan seng murni, yang digunakan untuk bereaksi dengan air dan menghasilkan gas hidrogen.
Pembangkit listrik tenaga surya Andasol yang berkapasitas 150 MW adalah pembangkit listrik termal surya komersil berlokasi di Spanyol yang menggunakan cekungan parabola. Pembangkit Andasol menggunakan lelehan garam untuk menyimpan energi surya agar pembangkit tetap dapat memproduksi listrik saat matahari tidak tampak.
Sistem massa termal dapat menyimpan energi surya dalam bentuk panas pada temperatur yang cocok untuk penggunaan sehari-hari atau musiman. Sistem penyimpanan panas umumnya menggunakan materi yang sudah tersedia dengan kapasitas panas tinggi seperti air, tanah, dan batu. Sistem yang dirancang dengan baik dapat menurunkan kebutuhan puncak, menggeser waktu penggunaan ke waktu senggang, dan mengurangi kebutuhan pemanasan dan pendinginan.
Materi ubah fase seperti lilin parafin dan garam Glauber adalah contoh media penyimpan panas. Media ini tidak mahal, tersedia, dan dapat menghasilkan temperatur yang cocok untuk penggunaan di rumah (sekitar 64 °C). Rumah Dover (di Dover, Massachusetts) adalah rumah pertama yang menggunakan sistem pemanasan garam Glauber pada tahun 1948.
Energi surya dapat disimpan pada temperatur tinggi dengan menggunakan lelehan garam. Garam adalah media penyimpan yang efektif karena harganya murah, memiliki kapasitas panas yang tinggi, dan dapat menghasilkan panas pada temperatur yang cocok dengan sistem pembangkit konvensional. Solar Two menggunakan metode penyimpanan ini dan dapat menyimpan 1.44 TJ di tangki penyimpanan sebesar 68 m3 dengan efisiensi penyimpanan tahunan sekitar 99%.
Sistem fotovoltaik yang tidak terhubung dengan saluran listrik biasanya menggunakan baterei yang bisa diisi ulang untuk menyimpan listrik berlebih. Dengan sistem yang terhubung dengan saluran listrik, listrik berlebih dapat dikirimkan ke transmisi listrik. Saat produksi listrik kurang, listrik dari saluran listrik dapat digunakan. Program meteran net memberikan kredit untuk rumah tangga yang menyalurkan listrik ke saluran listrik. Hal ini dilakukan dengan
memutar terbalik meteran listrik saat rumah memproduksi lebih banyak listrik ketimbang menggunakannya. Jika penggunaan netto listrik di bawah nol, maka kredit yang dihasilkan akan dilimpahkan ke bulan depan. Cara lain menggunakan dua meteran, satu untuk mengukur listrik yang digunakan, satu lagi untuk mengukur listrik yang diproduksi. Cara ini tidak umum digunakan karena biaya tambahan akibat
pemasangan meteran listrik kedua. Kebanyakan meteran baku secara akurat mengukur di kedua arah sehingga meteran kedua tidak diperlukan.
Penyimpanan energi dengan pompa di pembangkit listrik tenaga air menyimpan energi dalam bentuk potensial ketinggian, yaitu dengan memompa air dari tempat rendah ke tempat tinggi. Energi dapat diambil kembali saat dibutuhkan dengan mengalirkan air ke pembangkit listrik.
Dimulai dengan penggunaan batubara besar-besaran selama Revolusi Industri, konsumsi energi secara berangsur berubah dari menggunakan kayu dan biomassa menjadi bahan bakar fosil. Perkembangan awal teknologi surya dimulai pada tahun 1860an yang didorong oleh perkiraan bahwa persediaan batu bara akan menipis. Namun, perkembangan teknologi surya berhenti pada awal abad ke 20 dikarenakan meningkatnya persediaan, nilai ekonomis, dan kegunaan batubara dan minyak bumi.
Embargo minyak pada tahun 1973 dan krisis energi pada tahun 1979 menyebabkan perubahan kebijakan energi di dunia dan teknologi surya kembali dilirik. Strategi pemasangan difokuskan pada program insentif seperti program pengunaan fotovoltaik di Amerika Serikat dan program Sunshine di Jepang. Usaha lain yang dilakukan meliputi pembentukan fasilitas riset di Amerika Serikat (SERI, sekarang NREL), Jepang (NEDO), dan Jerman (Institut Fraunhofer untuk sistem energi surya).
Pemanas air surya komersil mulai dipasarkan di Amerika Serikat pada tahun 1890an. Penggunaan pemanas ini meningkat sampai dengan tahun 1920 tapi kemudian digantikan oleh pemanas berbahan bakar yang lebih murah dan diandalkan. Seperti fotovoltaik, pemanas air surya kembali dilirik setalah krisis minyak tahun 1970, namun permintaan menurun pada tahun 1980an dikarenakan menurunnya
harga minyak Bumi. Perkembangan pemanasan air surya berkembang secara berangsur selama tahun 1990an dan laju pertumbuhan sekitar 20% per tahun sejak 1999. Walaupun umumnya diremehkan, pemanas dan pendingin air surya adalah teknologi surya yang paling banyak digunakan dengan perkiraan kapasitas 154 GW pada tahun 2007.
Perkembangan teknologi energi surya yang terjangkau, tidak habis, dan bersih akan memberikan keuntungan jangka panjang yang besar. Perkembangan ini akan meningkatkan keamanan energi negara-negara melalui pemanfaatan sumber energi yang sudah ada, tidak habis, dan tidak tergantung pada impor, meningkatkan kesinambungan, mengurangi polusi, mengurangi biaya
mitigasi perubahan iklim, dan menjaga harga bahan bakar fosil tetap rendah dari sebelumnya. Keuntungan-keuntungan ini berlaku global. Oleh sebab itu, biaya insentif tambahan untuk pengembangan awal selayaknya dianggap sebagai investasi untuk pembelajaran; inventasi ini harus digunakan secara bijak dan perlu dibagi bersama.
Pada tahun 2011, Badan Energi Internasional mengatakan teknologi energi surya seperti papan fotovoltaik, pemanas air surya, dan pembangkit listrik dengan cermin dapat menyediakan sepertiga energi dunia pada tahun 2060 jika politikus mau mengatasi perubahan iklim. Energi dari matahari dapat memainkan peran penting dalam de-karbonisasi ekonomi global bersamaan dengan pengembangan efisiensi energi dan menerapkan
biaya pada produsen gas rumah kaca. "Kekuatan dari teknologi surya adalah varietasnya yang luas dan fleksibilitas dari aplikasinya, mulai dari skala kecil hingga ke skala besar".
Kita telah buktikan... bahwa setelah persediaan minyak dan batubara kita habis, manusia dapat menerima energi tak terbatas dari sinar matahari.
Organisasi Internasional untuk Standardisasi telah membuat sejumlah standar yang berhubungan dengan peralatan energi surya. Sebagai contoh, ISO 9050 mengenai kaca bangunan dan ISO 10217 mengenai materi yang digunakan dalam pemanas air surya.