Площадь большинства солнечных элементов составляет несколько квадратных сантиметров, а от окружающей среды они защищены тонким покрытием из стекла или прозрачного пластика. Поскольку типичный солнечный элемент размером 10 см × 10 см (4 дюйма × 4 дюйма) вырабатывает всего около двух ватт электроэнергии (15-20 процентов энергии света, падающего на его поверхность), элементы обычно объединяют последовательно для повышения напряжения или параллельно для увеличения силы тока. Солнечный, или фотоэлектрический (ФЭ), модуль обычно состоит из 36 соединенных между собой ячеек, ламинированных в стекло в алюминиевой рамке. В свою очередь, один или несколько таких модулей могут быть соединены проводами и рамками, образуя солнечную панель. Солнечные панели немного менее эффективны при преобразовании энергии на единицу площади поверхности, чем отдельные элементы, из-за неизбежных неактивных участков в сборке и различий в производительности между ячейками. На задней стороне каждой солнечной панели имеются стандартные разъемы, чтобы ее выход можно было объединить с другими солнечными панелями в солнечный массив. Полная фотоэлектрическая система может состоять из множества солнечных панелей, системы питания для различных электрических нагрузок, внешней цепи и аккумуляторных батарей. Фотоэлектрические системы в целом классифицируются как автономные или подключенные к сети.
Автономные системы состоят из солнечной батареи и блока аккумуляторов, подключенных непосредственно к сети или нагрузке. Батарейная система необходима для компенсации отсутствия электрической мощности от элементов ночью или в пасмурную погоду; это значительно увеличивает общую стоимость. Каждая батарея хранит электроэнергию постоянного тока (DC) при фиксированном напряжении, определяемом техническими характеристиками панели, хотя требования к нагрузке могут отличаться. Преобразователи постоянного тока в постоянный используются для обеспечения напряжения, необходимого нагрузкам постоянного тока, а преобразователи постоянного тока в переменный — для питания нагрузок переменного тока (AC). Автономные системы идеально подходят для удаленных объектов, где подключение к центральной электростанции является непомерно дорогим. В качестве примера можно привести перекачку воды для получения сырья и обеспечение электроэнергией маяков, телекоммуникационных ретрансляционных станций и горных домиков.
Системы, подключенные к сети, объединяют солнечные батареи с коммунальными электросетями двумя способами. Односторонние системы используются коммунальными службами для дополнения электросетей во время полуденного пика использования. Двунаправленные системы используются компаниями и частными лицами для обеспечения некоторых или всех своих потребностей в электроэнергии, а излишки энергии возвращаются в коммунальную сеть. Основным преимуществом систем, подключенных к сети, является отсутствие необходимости в аккумуляторных батареях. Однако соответствующее снижение капитальных и эксплуатационных затрат компенсируется повышенной сложностью системы. Инверторы и дополнительное защитное оборудование необходимы для сопряжения низковольтного постоянного тока, поступающего от солнечной батареи, с высоковольтной сетью переменного тока. Кроме того, при использовании солнечных систем в жилых и промышленных зданиях для возврата энергии в электросеть необходимы тарифы на обратный учет.
Самое простое размещение солнечных панелей — на наклонной опорной раме или стойке, известной как фиксированное крепление. Для достижения максимальной эффективности стационарное крепление должно быть обращено на юг в Северном полушарии или на север в Южном полушарии, а угол наклона от горизонтали должен быть примерно на 15 градусов меньше, чем местная широта летом, и на 25 градусов больше, чем местная широта зимой. Более сложные системы включают в себя системы слежения с электроприводом, которые постоянно переориентируют панели в соответствии с суточным и сезонным движением Солнца. Такие системы оправданы только для крупномасштабной генерации электроэнергии с использованием высокоэффективных концентраторных солнечных батарей с линзами или параболическими зеркалами, которые могут усиливать солнечное излучение в сотни и более раз.
Хотя солнечный свет бесплатен, при проектировании солнечной системы необходимо учитывать стоимость материалов и доступное пространство; менее эффективные солнечные панели требуют большего количества панелей, занимающих больше места, для производства того же количества электроэнергии. Компромисс между стоимостью материалов и эффективностью особенно очевиден для солнечных систем космического базирования. Панели, используемые на спутниках, должны быть сверхпрочными, надежными и устойчивыми к радиационным повреждениям, возникающим в верхних слоях атмосферы Земли. Кроме того, минимизация взлетного веса таких панелей более важна, чем стоимость изготовления. Еще одним фактором, влияющим на дизайн солнечных панелей, является возможность изготовления элементов в виде тонкой пленки на различных подложках, таких как стекло, керамика и пластик, для более гибкого развертывания. Аморфный кремний очень привлекателен с этой точки зрения. В частности, черепица с покрытием из аморфного кремния и другие фотоэлектрические материалы были использованы в архитектурном дизайне, а также в транспортных средствах для отдыха, лодках и автомобилях.
