Rau ist bekannt für seine Beiträge zu den Grundprinzipien der photovoltaischen Energieumwandlung und zur Verbesserung des Verständnisses der Physik von Solarzellenbauelementen. Am wohl bedeutendsten ist seine 2007 veröffentlichte Arbeit über eine Reciprocity relation between photovoltaic quantum efficiency and electroluminescent emission of solar cells (Reziprozitätsbeziehung zwischen dem photovoltaischen Quantenwirkungsgrad und der Elektrolumineszenz-Emission von Solarzellen). Darin wird das Prinzip der Reziprozität dargelegt, um grundlegende Beziehungen zwischen dem photovoltaischen und dem lichtemittierenden Modus einer Halbleiterdiode abzuleiten. Diese Arbeit hatte wesentlichen Einfluss in Bezug auf die Charakterisierung von Solarzellen oder -modulen unter Verwendung von auf Lumineszenz basierenden Techniken. Uwe Rau hat auch zur Analyse von Dünnschichtsolarzellen beigetragen, mit wichtigen Arbeiten zum Idealitätsfaktor, zur Metastabilität der elektronischen Leitung in Cu(In,Ga)Se2, zur Stabilität und Selbstheilung photovoltaischer Bauelemente, und zur Passivierung von Korngrenzen in polykristallinen Dünnschichtsolarzellen. Er trug auch mit mehreren Forschungsarbeiten zum Verständnis der Grenzen des Umwandlungswirkungsgrades von Solarzellen bei, darunter der Rolle von Unordnung und potenziellen Fluktuationen und den Auswirkungen von Lichteinfang auf die Voc von Solarzellen.