對于太陽能熱發電來說，接受太陽能的是熱量接收器。聚集后的太陽光直接照射到集熱器的表面(即每根換熱管的表面)，換熱管內工作介質高速流過，吸收了太陽輻射的能量，達到較高的溫度和壓力，從而推動熱機運轉。這方面我們可以選取熱量吸收性能較好、利于熱循環的工質，比如槽式熱發電應用的是導熱油，塔式太陽能熱發電利用的是高溫熔融鹽；
碟式太陽能熱發電利用的是氫或氦。
另外，集熱器收集的熱能轉換為電能還需要配以高效的熱機。這種熱機的效率極限與傳統能源的熱機類似。區別在于常規汽輪機的蒸汽供應是由鍋爐供給，蒸汽溫度和壓力可以達到很高，這使得目前汽輪機最高熱電轉化效率可以達到35%左右。而太陽能熱發電的溫度還無法達到鍋爐燃燒的熱度量值，故配備常規汽輪機后的效率極限遠低于35%。
目前我們談論太陽能熱發電時，常常會提及斯特林熱機（stirling engine），它對蒸汽要求沒有常規汽輪機那么高，更適合分布式的太陽能熱發電。在凡爾納的科幻小說《海底兩萬里》里，那艘著名的潛艇諾第留斯號就是用斯特林機作為發動機。
值得一提的是，即使在科幻小說中出盡風頭，實際上自斯特林發明斯特林熱機這170年以來，斯特林機基本沒有什么發展，這有點類似于當年愛迪生對特斯拉交流電的無情打壓。在常規汽輪機逐漸成熟的時代里，具有非凡意義的斯特林機遭到了既有技術的壓制。如今新興的太陽能熱發電給了斯特林機新的機會。
對于太陽能熱發電而言，太陽光的猛烈程度亦直接關系到集熱器的溫度，集熱器的溫度越高，產生的蒸汽工質飽和度越高，更多的蒸汽可以參與推動渦輪機做功，效率自然也得到了提升。
為了提高太陽能利用率，縮小太陽能發電裝置的體積，一方面，我們必須讓太陽能反射鏡能跟蹤太陽的運轉，時刻能捕捉到大束的太陽光并將其聚集。為此，科學家發明了“定日鏡”，它能自動跟蹤太陽的運轉，調整反射鏡的方向，便于單元體積的光電或光熱轉換設備能盡可能多得獲取太陽能。另一方面，為了增強對太陽光的聚光效果，我們要提高反射鏡的“聚光比”。目前具備定日功能的高聚光比的反射鏡造價非常高，使得定日鏡的成本仍占一個太陽能電站建造成本的很大一部分。這使得帶定日鏡的太陽能電價一直維持在0.5美元/度以上的高位。高效率與發電成本仍然是太陽能發電需要調和的矛盾。
在太陽能熱發電中，光熱轉化效率最高的是碟式太陽能熱發電。由于這種碟片式分布的反射鏡聚光比可以達到3000以上，一方面使得接收器的吸熱面積可以很小，從而實現較小的能量損失（接收器吸收的熱量散失程度較低），光熱轉換比最高可達80%左右；另一方面這樣高的聚光比可使接收器的接收溫度達800 ℃以上，產生的蒸汽推動高效率的斯特林熱機，實現由等容加熱- 等溫膨脹- 等容冷卻- 等溫壓縮 4 個過程組成的熱力循環，這個循環很接近于卡諾循環模型。根據熱力學第二定律，在相同的高、低溫熱源溫度T1與T2之間工作的一切循環中,以卡諾循環的熱效率為最高。理想狀態下，斯特林熱機的熱力使用效率幾乎等于理論最大效率。
然而受限于熱機的設計、工質選擇、流體流動特性、傳熱特性、輻射換熱等因素， 目前美國SIM公司生產的STM4-120型新一代斯特林發動機效率僅為29.6%。歐美一些科研機構聲稱在實驗室條件下可實現斯特林熱機效率達到40%左右。要特別注意的是，斯特林熱機40%的效率是現有制造工藝下，最接近于理想卡諾循環下的轉化效率，蒸汽推動熱機做功幾乎不可能再高于此值。
如此算來，太陽能熱發電的光能→機械能最高轉化效率可以達到40%*80%=32%。熱機再推動發電機運轉，最終總的光電轉化效率可以達到30%左右。
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