Urządzeniem pozwalającym na bezpośrednią zamianę energii słonecznej na energię elektryczną jest ogniwo fotowoltaiczne. Istnieje wiele typów i odmian tych urządzeń, w zależności od stosownego materiału fotoelektrycznego (np. krzemu, półprzewodniki) oraz struktury tego materiału (monokryształy, polikryszatały, struktura amorficzna). Podstawowym materiałem na ogniwa jest krzem (Si). Jest to po węglu, najczęściej występujący pierwiastek na Ziemi (~20%). Właściwości krzemu są bardzo dobrze poznane.

Pierwszymi systemami fotowoltaicznymi były ogniwa z krzemu monokrystalicznego. Mają one stosunkowo dużą sprawność przetwarzania energii słonecznej na prąd elektryczny rzędu ponad 20%, są powszechnie stosowane w urządzeniach pracujących na ziemi i w kosmosie.
Poszukując nowych, tańszych materiałów opracowano krzem polikrystaliczny, stosowany w postaci taśm krzemowych. Tak otrzymywany materiał nie wymaga cięcia płytek z monokryształu, jest dużo tańszy, jest lepsze wykorzystanie materiału, ale sprawność tych ogniw jest rzędu 15-20%.
Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne (formatu widokówki) nie dostarczają dużej mocy elektrycznej dlatego muszą być połączone szeregowo lub równolegle, aby uzyskać żądaną wartość napięcia, natężenia lub mocy elektrycznej.
Zespół ogniw fotowoltaicznych tworzących baterię zwaną "modułem" ma typową powierzchnię około 1m2, z której można uzyskać 100-250W energii elektrycznej.
Moduły takie są zastawiane w układy fotowoltaiczne o różnych powierzchniach w zależności od potrzeb. Mogą one być nieruchome (tzw. stacjonarne) względem ruchów Słońca; mogą być też ruchome (tzw. nadążne) poruszające się za Słońcem - te są droższe, ale efektywniejsze energetycznie, dające więcej elektryczności.

Aktualnie opracowane układy fotowoltaiczne mają sprawność przetwarzania energii słonecznej na elektryczną rzędu 40% i więcej. Trwa bardzo zacięta rywalizacja w tym zakresie między firmami europejskimi (Niemcy, Włochy, Hiszpania, Izrael) a japońskimi (Hitachi, Mitsubishi, Sanyo, Sony). Cena energii elektrycznej uzyskiwanej z ogniw fotowoltaicznych nieustannie maleje. Na przestrzeni lat 1990-2000 zmalała z około 1USD za 1kWh do 9 centów USA. Stanowi to 10-krotne zmniejszenie kosztów uzyskiwania energii słonecznej w krótkim czasie. Jest bardzo opłacalne w miejscach odległych od sieci elektrycznej, zaś takich obszarów jest bardzo dużo na świecie i w Polsce.

Możliwości zastosowań układów fotowoltaicznych są ogromne, np.:
- zasilanie elektryczne samotnie stojących domów mieszkalnych, schronisk, lądowych i morskich obiektów mieszkalnych, stacji pomiarowych, stacji meteorologicznych, obiektów publicznych, wojskowych, sakralnych,
- zasilanie elektryczne systemów komunikacji i łączności (przenośne oraz stałe nadajniki i odbiorniki radiowe i telewizyjne, stacje przekaźnikowe, telefonia komórkowa),
- zasilanie elektryczne instalacji informacji sygnalizacyjnej i ostrzegania (światła sygnalizacyjne, kolejowe, drogowe, lotnicze, morskie, systemy sterowania i automatyki, budki telefoniczne, lądowe i morskie radiolatarnie, boje sygnalizacyjne, światła na szczytach wież, kominów, wysokich budynków, gór).

Dla całodobowego wykorzystania energii elektrycznej ze Słońca potrzebne jest układ magazynujący wytwarzaną energię elektryczną (akumulatory), oraz urządzenia kontrolno-pomiarowe i sterujące.