Isıl ve termodinamik dönüşüm, güneş enerjisinin ısıtma etkisinden(sera etkisi) yararlanılarak suyun ısıtılmasını esasına dayanır. Bu su sıcak su ihtiyacını karşılamakta kullanılabileceği gibi aynı zanda elektrik enerjisi üretiminde de kullanılabilir. Bu yöntemin en basit örneğini evlerde kullanılan güneş panolarında(kolektör) görmek mümkündür.
Güneş enerjisinin sera etkisinden yararlanmak için altta, güneş ışığını soğurmaya yarayan kara cisim(soğurucu tabaka), üstte cam tabakadan oluşan kapalı sistemler kullanılır. Soğurucu tabaka arasında, içinde suyun dolaştığı bir kanal bulunur. Güneş ışınları cam yüzeyden içeri girer ve kara cisimce soğrulur. Alınan bu enerji kızılaltı ışıma olarak dışarı verilir. Bu ışıma cam tabakayı geçip dışarı ulaşamadığından sistemden çıkamaz ve böylece sistemin ısısı artar. Buradaki sıcaklık derecesi sistemin kalitesine göre 100°C'ye kadar ulaşabilir.

Güneş kolektörlerinde temel yapı bu olmasına karşın kullanılan maddenin cinsine bağlı olarak çeşitli farklılıklar görülür. Özellikle güneş paneli teknolojisinin geliştiği ilk zamanlarda alttaki kara cisim basit maddelerden seçiliyordu ve yüzeyin ısıyı emme miktarı %20'lerde kalıyordu. Şimdilerde soğurucu madde alüminyum ve bakır gibi maddelerden seçilir. Bu yüzeylerin üzerine titanyum oksit gibi kaplamalar yaparak soğuruculuk özellikleri arttırılmış olur(yaklaşık%85). Ayrıca üstteki cam tabakanın yapısı da önemlidir. Buralarda düz cam kullanılabileceği gibi temperli cam ve prizmatik camlar da kullanılır. Bunlardan prizmatik cam sistem verimini en çok arttıran türdür.

Daha çok evlerde kullanılan güneş panelleri düzlemsel yapıya sahiptirler ve güneşi en iyi görebilecekleri bir açıda sabitlenirler. Panelin yerleştirildiği yerin güneşlenme durumu verimi doğrudan etkiler. Üretilen sıcak su dağıtılacağı bölgeye belirli bir basınçla hareket edebilmesi için genellikle belirli bir yükseklikte izole depolarda bekletilir. Kolektörler ve depo arasındaki boruların da sıcaklık kaybını önlemek amacıyla izole edilmesi gerekir. Diğer bir önemli nokta ise kolektör ve depo arasındaki sıvı akışının sağlanmasıdır. Zira bu iki yapı arasında montaj türüne bağlı olarak yükseklik farkı bulunabilir. Bu durumda akışı sağlamak amacıyla pompa kullanmak gerekmektedir. Fakat sıvı akışının doğal yolla gerçekleştiği sistemler de vardır. Türkiye'de en iyi güneşlenme Akdeniz kıyılarında gerçekleşir.(bölgesel dağılım)

Evlerde kullanılan güneş panelleri sıcak su temininde kullanılır. Bunun için gereken güneşlenme miktarı fazla değildir. Çoğu ev sistemi 70°C'lere nadiren ulaşır. Fakat güneş panelleri elektrik üretiminde de kullanılırlar. Bu da daha yüksek sıcaklıkları gerektirir. Bilinen optik kurallarını kullanarak aydınlanma miktarını arttırmak ve bu sayede sıvının sıcaklığını yukarılara çekmek mümkündür. Parabolik yansıtıcı bir panelin ve bu panelin tam odagından geçecek şekilde absorban bir tabakayla çevrilmiş sıvı kanalı bu bu düzeneğin temelini oluşturur. Güneş ışınlarını belirli bir temelde yoğunlaştırdığı için bu tür sistemlere yoğunlaştırıcı sistemler denmektedir.
Bu sistemlerde sıcaklık 300°C'lere kadar çıkabilir. Yoğunlaştırıcı sistemlerin verim arttırıcı en belirgin özelliği ise güneşin hareketine bağlı olarak değişen, ışınların geliş açısına uyum sağlamak amacıyla sabit değil hareketli bir yapıya sahip olmalarıdır. Böylece güneş ışınları hep aynı odakta toplanmış olur. En fazla kullanılan yoğunlaştırıcı sistem düzlemsel oluk kolektörleridir. Bunlar güneşi tek yönde takip etmektedirler.   
Yoğunlaştırıcı sistemler temelde aynı ilkeye dayanarak çalışıyor olmakla birlikte bazı yapısal farklılıklar gösterirler
Sıcaklık derecesinin en yukarılara çıkdığı sistem Merkezi alıcı sistemlerdir. Bu sistemde dairesel bir alana yerleştirilen birçok aynanın odağına bir alıcı yerleştirilir. Alıcıda ısınan bir akışkan bulunur ve elde edilen ısı enerjisi başka enerjilere dönüştürülmek üzere diğer ünitelere aktarılır.

Parabolik çanak sistemler, dairesel bir çukur aynanın odak noktasına ısınacak su yerleştirilir. Çanak sistemi yatay ve düşey yönde sürekli güneşi takip ederek gün boyunca güneşten en iyi güneşlenmeyi sağlar. Buralarda ısıtılan sıvı genellikle elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanılır.