Tấm pin mặt trời đơn tinh thể được cấu tạo từ một số tế bào quang điện (PV) được tạo ra từ một tinh thể silicon duy nhất. Các tế bào quang điện được kết nối nối tiếp bên trong một mô-đun năng lượng mặt trời để chuyển đổi ánh sáng thành điện bằng hiệu ứng quang điện. Các tế bào silicon tinh thể được thiết kế để hấp thụ số lượng photon tối đa (hạt ánh sáng) từ bức xạ mặt trời. Chúng được chế tạo trên một tấm wafer silicon hoặc chất nền gần bề mặt mà mối nối pn được hình thành bằng các kỹ thuật xử lý bán dẫn. Sự hấp thụ các photon tới trong các lớp quang hoạt tạo ra các cặp electron và lỗ trống trong khối chất nền. Khi các lỗ trống di chuyển đến điện cực dương trong khi các electron chảy đến điện cực âm do trường điện giao diện của mối nối pn. Sự di chuyển của các electron và lỗ trống này đến các điện cực tương ứng của chúng dẫn đến sự tạo ra dòng điện.

Tấm silicon của pin mặt trời đơn tinh thể được cắt từ một miếng silicon rất tinh khiết và ít có các điểm không đồng đều và khuyết điểm hơn so với tấm silicon được sử dụng để chế tạo pin mặt trời đa tinh thể. Silicon được phát triển bằng quy trình Czochralski trong đó tinh thể silicon hạt giống được nhúng vào thùng silicon nóng chảy và được rút ra rất chậm, tạo thành cấu trúc tinh thể rắn xung quanh hạt giống được gọi là thỏi. Những tấm silicon này sau đó được xử lý hóa học trong lò để tạo thành lớp khuếch tán chất pha tạp lên chất nền silicon. Trong pin mặt trời homojunction hoặc heterojunction, lớp pha tạp loại p và lớp pha tạp loại n tạo ra cấu trúc tiếp giáp pn cho phép tách các hạt mang điện ở bề mặt trên cùng và dưới cùng của pin. Tiếp theo, lớp phủ chống phản xạ (ARC) bằng silicon nitride (SiNx) hoặc titan oxit (TiOx) được phủ lên lớp khuếch tán để giảm tổn thất phản xạ. Pin đơn tinh thể có màu xanh lam đậm đến đen đồng nhất và bề mặt rất mịn. Màu sắc và kết cấu đặc này, kết hợp với bốn mặt được cắt ra từ các thỏi, tạo cho pin đơn tinh thể một vẻ ngoài riêng biệt.

Pin đơn tinh thể đắt hơn khi sản xuất so với pin đa tinh thể vì quá trình làm mát chậm hơn liên quan đến việc tạo ra tinh thể lớn hơn và có nhiều silicon thải hơn do cắt bốn cạnh lớn của thỏi hình trụ. Tuy nhiên, tấm pin mặt trời đơn tinh thể có tỷ lệ hiệu suất cao nhất trong số tất cả các loại tấm pin mặt trời vì chúng được làm từ silicon có độ tinh khiết cao nhất. Tấm pin mặt trời đơn tinh thể có thể đạt hiệu suất 24%, trong khi hiệu suất của tấm pin mặt trời đa tinh thể thường là 14-16%. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao của chúng có nghĩa là chúng có diện tích nhỏ nhất cho đầu ra của chúng. Điều này khiến chúng trở thành lựa chọn tốt khi không gian hạn chế là một vấn đề.