利用光生伏特效應將太陽光的能量直接轉換為電能的固態電子器件。在受到光照時，太陽電池因吸收光而產生電子-空穴對。其中一部分電子-空穴對能夠遷移到PN結的內電場處而被電場分開向相反方向運動，從而形成光電流和光電壓，這就是光生伏特效應。在太陽電池的光-電能量轉換過程中，不需經過其他中間能量形式，隻是排出熱量成為廢熱。
最早的光生伏特器件是硒光電池。它的轉換效率太低，實際上不可能用來發電，隻能作為光檢測元件使用。1954年，具有有相當高的轉換效率 (6％)的單晶矽太陽電池問世，使利用太陽電池發電有瞭現實可能性。太陽電池這一名稱從此出現。
對太陽輻射光子能量譜的理論分析表明，從能量轉換效率來看，能隙為1.1～2.0電子伏的材料較適於制作太陽電池，而以1.5電子伏左右為最佳。矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、硫化鎘(CdS)和碲化鎘(CdTe)等是主要的材料。由於矽儲量最豐富、最便宜，且提取制備技術最先進，在外層空間應用中至今還沒有任何別的材料能夠取代矽。用 P型矽材料制作的常規太陽電池的AM0效率為11.5％左右。AM為“空氣質量”的縮寫，它表示考慮大氣層對陽光的修正。AM0陽光為未穿越大氣層即地球外層空間處的陽光。AM1陽光為垂直穿過大氣層後的陽光。AM2、AM3…為斜穿過大氣層即等效於穿過2個、3個…大氣層後的陽光。
70年代初期，矽太陽電池的研制有幾項重大突破：①用 N型矽材料制作的摻鋰電池。這種電池在被輻照損傷後有“恢復”能力，AM0效率達13.8％。②制成瞭對紫、藍光有較好響應的淺結的“紫電池”，其AM0轉換效率達15.5％。③在電池背面加一高摻雜區形成背電場，使電池的開路電壓大幅度提高。矽太陽電池在地面陽光(AM1.5)下的最高效率已達19.1％。
砷化鎵太陽電池價格昂貴，但自從采用外延工藝制成GaAs-AlGaAs異質結後，轉換效率(AM1)已達22％。由於砷化鎵的能隙（1.43電子伏）更接近於最佳值，能在更高的溫度下運行和具有比矽更優越的抗輻照能力，因此人們正在大力研究砷化鎵太陽電池。便宜的多晶矽太陽電池、易於大面積廉價制造的Cu2S-CdS太陽電池、很有希望作為廉價的地面用能源的非晶矽薄膜太陽電池等正處於研究階段，有些已有產品。研究中的還有半導體與液體異質結太陽電池、電化學光電池以及光電解電池等。為瞭更充分地利用太陽能，人們還研制瞭聚光太陽電池以及進行熱光伏轉換。
矽太陽電池的核心部分是一個PN結（圖1）。在厚約0.3～0.5毫米的單晶矽片（如P型矽片）表面做一薄的反型層（如用擴散法形成N型層）即成PN結，然後在結的兩面施加上、下電極，並在上表面敷以減反射膜。在空間應用中，還須在光照面粘上保護玻璃，以減輕輻照損傷。
如果太陽電池的外電路是開路的，被內電場分開的光生電子和空穴就分別累積在PN結兩側形成光電壓，稱為開路電壓。如果外電路是短路的，這些被分開的光生電子和空穴則流向外電路形成光電流，稱為短路電流。如果外電路接有一定的負載，則在負載上得到光電壓和光電流，即獲得一定的輸出功率。矽太陽電池在一定光照下的電流與電壓的關系 (即光照下的伏-安特性曲線)如圖2。曲線與橫軸和縱軸的交點分別為開路電壓U
和短路電流
I
。這兩點的電流、電壓值是在一定光照下由一個矽太陽電池所能得到的最大電流和電壓，但是這兩點沒有功率輸出，因為在開路點電流為零，在短路點電壓為零。曲線上其他點有功率輸出，但各點輸出功率不同。若以
I
m和
U
m分別表示輸出功率最大點的電流和電壓，則其乘積
I
m
U
m即為電池的最大輸出功率
P
m。
P
m與開路電壓和短路電流乘積
U
I
之比（即圖2中影線與虛線所示矩形面積之比）被稱為電池的填充因子FF。而電池的能量轉換效率
η則是
P
m與入射到電池光照面積上的光功率之比。
太陽電池的轉換效率與入射光的強度有關。當光源的光譜分佈和電池溫度不變時，效率η 隨光強的增加而上升，直至電池串聯電阻的影響變得嚴重瞭，效率才開始下降。當光源的光譜分佈不同時，同一個電池即使在同樣的光強下也表現出不同的轉換效率。矽太陽電池隻對0.4～1.1微米波長范圍內的光有響應。在測量太陽電池的轉換效率時，要指明光源的光譜分佈和光強，如AM0135.3毫瓦/厘米2、AM1100毫瓦/厘米2等。
對溫度的敏感性是半導體器件的特征之一，矽太陽電池的各項性能指標也都是溫度的函數。如轉換效率隨溫度升高而下降，溫度每升高1
，轉換效率大約降低千分之五。
矽太陽電池的轉換效率一般不隨時間而衰退。但如受到高能粒子如電子、質子的輻照，則轉換效率會衰降。此外，潮濕和腐蝕性氣氛對電池金屬電極有侵蝕作用，會導致電極失效，機械沖擊等會造成電池碎裂。太陽電池在使用中須註意封裝和防護，並考慮散熱問題。
單片矽太陽電池在陽光下的開路電壓約0.5～0.6伏，短路電流約30毫安/厘米2。用作電源時，應將許多片電池串、並聯，以取得所需的電壓和電流。為瞭提高組合太陽電池的可靠性，應盡量減少串、並聯的電池數目，即減少接點，這就要增加單個太陽電池的面積。方形的矽太陽電池已由標準的2×2厘米2發展為5×5厘米2和10×10厘米2等多種尺寸。圓形的直徑也達到瞭10厘米。
矽太陽電池具有很長的壽命和高的功率/重量比，主要用作航天器的電源。它在地面上主要用作航標燈、無人中繼站的電源，還可用於電牧欄、太陽能水泵、電子表和計算器。已出現用太陽電池供電的房屋和太陽電池發電站，但功率較小，最大者尚不過6兆瓦。除用於發電外，太陽電池還可作為光敏元件來使用，如用於曝光表、光電比色計、醫療儀器（如血氧計）和電影放映機的還音系統等。
太陽能作為無污染的能源和礦物燃料的一種替代品，日益受到人們重視。用太陽電池發電已引起瞭人們的極大關註。太陽電池用作地面大規模發電裝置的主要困難是價格昂貴。