太陽電池經過串/并聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏發電裝置。

光伏發電的主要原理是半導體p-n結的光電效應，太陽光照射在半導體材料p-n結上，會產生大量的電子-空穴對。在半導體材料p-n結內建電場作用下，電子由p區遷移到n區；空穴由n區遷移到p區，進而產生自由移動的電子和空穴。自由移動的光生空穴在p區邊界位置不斷聚集，使得p區邊界位置附近的空穴濃度遠遠大于半導體材料內部空穴濃度。相對應的光生電子在n區邊界位置不斷積累，使得n區邊界位置附近的電子濃度遠遠高于半導體材料內部的電子濃度。在半導體兩端連通外接電路后就形成了光生電流，實現光電轉換。

人類對太陽能的利用歷史悠久，早期主要體現在對光熱轉換的利用上。光生伏打效應要追溯到19世紀30年代，對光電直接轉換的認識與利用主要發生在近兩個世紀。 1839年，法國物理學家A.-E.貝可勒爾通過實驗發現了光生伏打效應，從此人們開始了對光生伏打效應的研究。1877年，英國科學家在固體硒管中觀察到了光生伏打效應，并制作了第一片硒太陽電池。19世紀后葉，維也納大學報道了第一個染料敏化的光電效應。1905年，德國物理學家A.愛因斯坦成功提出了光電效應理論，從而奠定了光伏效應的理論基礎。1930年，W.肖特基首次提出了Cu2O勢壘的光伏效應理論。1954年，第一個具有實用價值的單晶硅p-n結太陽電池研制成功，幾個月后電池效率提高到6%。很快，商業硅電池便被用于航天領域。1959年，美國霍夫曼公司推出效率為10%的商業化硅電池。1963年，日本夏普公司最先生產出商業化的硅電池組件。1982年，美國加利福尼亞安裝了第一個1兆瓦實用光伏電站。1986年，第一個商業化薄膜a-Si功率型組件誕生。1997年，各國關于未來太陽電池發展的計劃紛紛出臺：美國啟動了“克林頓總統百萬屋頂計劃”；日本啟動“新新陽光計劃”；荷蘭政府提出“荷蘭百萬屋頂計劃”。2011年，全球光伏新增裝機容量約為27.5吉瓦，較上年的18.1吉瓦相比，漲幅高達52%，全球累計安裝量超過67吉瓦。全球近28吉瓦的總裝機量中，有將近20吉瓦的系統安裝于歐洲，但增速相對放緩，其中意大利和德國市場占全球裝機增長量的55%，以中、日、印為代表的亞太地區光伏產業市場需求同比增長129%，其裝機量分別為2.2吉瓦、1.1吉瓦和350兆瓦。2017年1～11月，中國光伏發電量達1069億千瓦·時，同比增長72%，光伏年發電量首超1000億千瓦·時，從2025年開始中國光伏發電將逐步成為主力能源。

光伏發電成本包括裝機成本、運營維護費用、日照條件以及投資折舊成本等，光伏發電最常規的方法是采用多晶硅電池發電。其中多晶硅電池的主要原料是多晶硅，占電池成本的85%左右。中國大型光伏電站的投資成本在8～9元/瓦左右，運營成本大約為24元/千瓦，當光伏發電系統投資成本降至8元/瓦以下，每度電的成本可降至0.6～0.9元。隨著火力發電會帶來極高的環境治理成本，由此給高耗能企業帶來的成本增加顯而易見，傳統的煤炭發電成本將會高于光伏發電。