地面上接受到的太阳能受气候、昼夜、季节的影响，具有间断性和不稳定性。如果可以把太阳能储存起来，就像水库把水积蓄起来发电一样，将是一个很不错的办法。因此，对于大规模利用太阳能的人来说把分散的太阳能储存起来变得很重要。太阳能可以直接储存，但是储存的能量有限。如果想有效储存太阳能，必须把太阳能转换成其他形式储存。目前由于技术所限，大容量、长时间、经济地储存太阳能还比较困难。实际上，储存太阳能的道理比较简单，比如我们在日常生活当中，用暖水瓶来保存热水，就是一种对热量的储存。目前，储存太阳能的方法主要有以下几种。
一、直接储存太阳能
我国东北地区有一种暖墙，用土坯、砖或混凝土砌成，墙里面中空，墙的下面是火炉。在寒冷的冬天，点燃火炉，火炉的烟经过暖墙排到室外，暖墙被加热之后，热量储存在暖墙里，需要十几个小时之后才会变凉。这样白天烧火炉，解决了夜间取暖问题。北方地区的火炕，也起到储存热量的作用。同样道理，利用蓄热材料也可实现太阳能的直接储存。太阳能的直接储存分为短期储存和长期储存两类。短期储存可以把太阳能储存几个小时或者几天长期储存可以把太阳能储存几个月之久。例如太阳房的砂石，就可以起到短期储存太阳能的作用，夜间使用的能量就是白天吸收太阳辐射能量，用于。
太阳池对太阳能的储存就属于长期储存。太阳池是一种具有一定盐浓度梯度的盐水池，能用于采集和储存太阳能。太阳光照射到太阳池的底部，太阳池底部的高浓度盐水吸收太阳光的热量之后，因为含盐的水密度大，不会和上面的水发生对流，这样高温的水始终保存在水池的底部。另外，水池上部的清水像一层厚厚的玻璃，把水池底部的长波辐射阻挡回去，使水池的热量不会流失。这样，太阳能就可以在太阳池中被长期储存了。
在实际应用中，水、沙、石子、土壤等都可作为储能材料，但储能有限。其中水的比热容最大，应用较多。在太阳能低温储存中常用含结晶水的盐类储能，就是应用这个原理制造的太阳池。但在使用中要解决过冷和分层问题，以保证工作温度和使用寿命。太阳能中温储存温度一般在100℃以上、500℃以下，一般在300℃左右。可以作为中温储存的材料有高压热水、有机流体、共晶盐等。太阳能高温储存温度一般在500℃以上，目前正在试验的材料有金属钠、熔融盐等。1000℃以上极高温储存，可以采用氧化铝和氧化锗耐火球。
二、转化为电能储存
把太阳能转变为其他的能是比直接储存更先进的办法，这也是目前比较常见的做法。比如利用太阳能发电，把发出的电输入蓄电池进行储存。常用的是蓄电池，正在研究开发的是超导储能。世界上铅酸蓄电池的发明已有100多年的历史，它利用化学能和电能的可逆转换实现充电和放电。铅酸蓄电池价格较低，但使用寿命短，重量大，需要经常维护。
近来开发成功少维护、免维护的铅酸蓄电池，使其性能有一定提高。目前，与光伏发电系统配套的储能装置大部分为铅酸蓄电池。镍—铜、镍—铁碱性蓄电池使用维护方便，寿命长，重量轻，但价格较贵，一般在储能量小的情况下使用。现有的蓄电池储能密度较低，难以满足大容量、长时间储存电能的要求。最新开发的蓄电池还有银锌电池、钾电池、钠硫电池等。某些金属或合金在极低温度下成为超导体，理论上电能可以在一个超导无电阻的线圈内储存无限长的时间。这种超导储能不经过任何其他能量转换直接储存电能，效率高，启动迅速，可以安装在任何地点，尤其是在消费中心附近，不产生任何污染，但目前超导储能在技术上还不是很成熟，需要继续研究开发。
此外，也可以利用太阳能提水储能，白天利用太阳能把水从低处提到高处的蓄水池中，夜里从蓄水池放水，利用水的落差进行发电，就实现太阳能储存了。
三、太阳能的化学储存
利用化学反应物吸收太阳热量，然后再通过化学反应放出热量，也是一种很好的办法。这种储能方式有不少优点，比如储热量大，体积小，重量轻，化学反应产物可分离储存，需要时才发生放热反应，储存时间长等。化学储能的要求比较严格，真正能用于储热的化学反应必须满足以下条件：反应可逆性好，无副反应反应迅速反应生成物易分离且能稳定储存反应物和生成物无毒、无腐蚀、无可燃性反应放热量大，反应物价格较低等。对化学反应储存热能尚需进行深入研究，一时难以实用。
四、转化为氢能储存
储存太阳能除了以上办法之外，还有一个好办法就是把太阳能转化为氢能储存起来。氢能是一种高品位能源。太阳能可以通过分解水或其他途径转换为氢能，氢可以大量、长时间储存。它能以各种形态或化合物(如氨、甲醇等)形式储存。气相储存储氢量少时，可以采用常压湿式气柜、高压容器储存大量储存时，可以储存在地下储仓、由不漏水土层覆盖的含水层、盐穴和人工洞穴内。液相储存具有较高的单位体积储氢量，但蒸发损失大。将氢气转化为液氢需要进行氢的纯化和压缩，正氢—仲氢转化，最后进行液化。固相储氢是利用金属氢化物固相储氢，储氢密度较高，安全性好。目前，一般能满足固相储氢要求的材料主要是稀土系合金和钛系合金。金属氢化物储氢技术研究已有30余年历史，取得了不少成果，但仍有许多问题有待研究解决。我国对金属氢化物储氢技术进行了多年研究，取得一些成果，目前研究开发工作正在深入。
五、转化为机械能储存
太阳能转换为热能，推动热机压缩空气，能够储存太阳能。飞轮储能是机械能储存中最受人关注的。20世纪50年代，就有利用高速旋转的飞轮储能的设想，但一直没有突破性进展。近年来，由于高强度碳纤维和玻璃纤维的出现，以及电磁悬浮、超导磁浮技术的发展，使飞轮转速大大提高，增加了单位质量的动能储存量。
六、塑晶储存
美国在1984年推出一种塑晶家庭取暖材料。塑晶学名新戊二醇，它和液晶相似，有晶体的三维周期性，但力学性质像塑料。它能在恒定温度下储热和放热，塑晶在恒温44℃时，白天吸收太阳能而储存热能，晚上则放出白天储存的热能。目前我国对塑晶也进行了一些实验研究，但一直还没实际应用。
七、太阳能-生物质能转换
光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。通过植物叶片的光合作用，太阳能把二氧化碳和水合成有机物，并释放出氧气。地球上最大规模转换太阳能的过程就是光合作用了。我们现在大量应用的石油、煤炭都是远古光合作用固定的太阳能。虽然光合作用对太阳能的转换率很低，但是可以通过利用荒山荒地种植能源作物来间接扩大对太阳能的转换。
