کوچکترین عضو سیستم خورشیدی سلول فتوولتائیک است که از ترکیب چندین سلول ماژول شکل می گیرد. با تجمیع ماژولها (پنلها) یک آرایه تشکیل می شود.

وظیفه تبدیل مستقیم انرژی خورشید به انرژی الکتریکی بر عهده سلولهای فتوولتائیک است. نحوه عملکرد سلول‌های خورشیدی ساده است. از آنجایی که سیلیکون توان نگهداری از الکترون‌هایش را ندارد، سلول‌ها از دو لایه سیلیکون ساخته شده‌اند که یکی مازاد الکترون دارد و دیگری کمبود الکترون مازاد لایه n و کمبود دار، لایه p نامیده می‌شود  هنگامی که نور به لایه اول برخورد می‌کند، الکترون‌ها آزاد می‌شوند و در حالی که به سمت لایه با الکترون کمتر جاری می‌شوند، از یک مدار الکتریکی می‌گذرند و تولید الکتریسیته می‌نمایند. برای حفاظت سلول‌ها در برابر محیط، سلول‌های فتوولتاییک به یکدیگر متصل شده و به صورت مدول درآورده می‌شوند. مدول‌هایی که در روی یک صفحه نصب شده و از زاویه و جهت صحیح برای حداکثر گردآوری فصلی و سالی برخوردارند، پانل یا شبکه PV نامیده می‌شوند. یک سامانه PV معمولاً شامل باتری‌های ذخیره الکتروشیمیایی برای کاربردهای مستقل است.

سلول‌های خورشیدی از مواد نیمه رسانا ساخته می‌شوند. سلول‌های خورشیدی می‌توانند این انرژی خورشیدی را با ۵ تا ۳۰ درصد مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کنند. عنصر اصلی تمام این سلول‌ها سیلیکون است. به طور کلی سه نوع سلول خورشیدی تعریف شده‌اند:

سلول‌های تک کریستال

این نوع سلول در سیلندرهای بلند تعبیه می‌شود و به صورت ویفرهای گرد و یا شش گوش (هگزاگونال) بریده می‌شوند. این فرایند تولید انرژی، بالاترین بازدهی الکتریکی (تا %۳۰) را دارد. از آنجایی که سلول‌های پر بازده گران هستند، گاهی آن‌ها با لنزها و آینه‌ها به کار می‌روند تا تمرکز نور بیشتر و در نتیجه بازده بالاتر رود. سلول‌های تک کریستال بیش از نیمی از بازار فتوولتاییک جهان را در اختیار دارد.

سلول‌های پلی کریستالی

از ریختن سیلیکون مذاب به درون شمش‌ها یا ورقه‌ها و بریدن آن‌ها به شکل مربع، سلول‌های پلی کریستالی ساخته می‌شود. تولید انرژی از این روش کم هزینه تر و کم بازده تر (حدود %۱۵) است. از آنجایی که سلول‌ها مربعی شکل هستند، راحت تر در کنار هم چیده می‌شوند. سلول‌های پلی کریستالی %۳۰ بازار فتوولتاییک جهان را در اختیار دارند.

فیلم‌های نازک و قابل انعطاف

فیلم‌های نازک خورشیدی دارای انواع گوناگونی است که یکی از اولین نمونه‌های آن، فیلم‌های نازکی هستند که دارای یک لایه ی جاذب نور به قطر یک میکرون هستند. این فیلم‌های نازک از چهار لایه مواد سبک جاذب نور، مواد نیمه هادی، پوشش شیشه‌ای، فلز یا پلاستیک تشکیل شده‌اند. در این فیلم‌ها به منظور بهینه‌سازی جذب نور خورشید، باید از لایه ی نازکی از مواد نیمه هادی استفاده کرد.

بازده ماژول های مختلف فتوولتائیک به طور تقریبی به صورت زیر است.