化合物半导体太阳能电池由两种以上的半导体元素构成，主要有Ⅲ—Ⅴ族化合物（GaAs）太阳能电池、Ⅱ—Ⅵ族化合物（CdS/CdTe）太阳能电池以及三元（Ⅰ—Ⅲ—Ⅳ族）化合物（CIS）太阳能电池等。
1.Ⅲ—Ⅴ族化合物（GaAs）太阳能电池
由GaAs等Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体材料制成的太阳能电池在宇宙发电领域已得到应用。Ⅲ—Ⅴ族化合物太阳能电池有单结合电池单元、多结合电池单元、聚光型电池单元以及薄膜型电池单元等种类。这种太阳能电池的转换效率较高，单结合的太阳能电池的转换效率为26%～28%，2结合、3结合的可望达到35%～42%。它可以做成薄膜太阳能电池，由于其耐辐射性、温度特性较好，因此适用于聚光发电。
2.Ⅱ—Ⅵ族化合物（CdS/CdTe）太阳能电池
Ⅱ—Ⅵ族化合物（CdS/CdTe）太阳能电池于1986年首次用于计算器。1988年开发出了户外用的太阳能电池组件，具有成本低、转换效率高的特点。CdS/CdTe太阳能电池的转换效率的理论值一般为33.62%～44.44%。目前，CdS/CdTe太阳能小面积电池单元的转换效率达15%以上，大面积电池单元的转换效率达10%以上。将来它有望作为低成本、高转换效率的薄膜太阳能电池。
3.三元（Ⅰ—Ⅲ—Ⅳ族）化合物（CIS）太阳能电池
由于CIS太阳能电池所使用的CulnSe 2 是直接迁移半导体，与间接迁移硅半导体相比，光吸收系数较大，因此可作为薄膜太阳能电池的材料。CIS太阳能电池可用较低的温度形成CIS薄膜，可做成低成本的衬底。由于光吸收层采用了化合物半导体，因此长时间使用时特性比较稳定。目前，小面积CIS太阳能电池的转换效率为18.8%，大面积达到12%～14%以上。另外，CIS太阳能电池的转换效率会随着太阳能电池面积的增加而急剧下降，这是由于CIS太阳能电池的制造技术尚未十分成熟。随着制造技术的提高，它有望达到结晶硅太阳能电池阵列的性能。对于化合物半导体太阳能电池而言，温度上升对太阳能电池特性的影响不大，但由于制造太阳能电池的资源较少，材料费用较高，目前主要用于宇宙发电领域。