Dunkle Gegenstände werden warm, wenn sie von der Sonne bestrahlt werden. Bei solarthermischen Kollektoren wird die Sonnenstrahlung in einem speziell geschwärzten Material (Kupfer) absorbiert. Damit die dabei entstehende Wärme nutzbar gemacht werden kann, muss durch eine gute Isolation verhindert werden, dass die Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Die Sonnenwärme wird im Absorber durch zirkulierendes Wasser aufgenommen und über einen Wärmetauscher in einem Warmwassertank im Haus gespeichert. So steht auch nachts oder an Regentagen warmes Wasser zur Verfügung. Es kann direkt als Warmwasser genutzt werden oder zu Heizzwecken. Reicht die Sonnenwärme nicht aus für die vorgesehene Wärmeversorgung, kann eine Zusatzheizung für die Nachwärmung sorgen.

Es gibt verschiedene Typen von Kollektoren, die sich vor allem durch die Art der thermischen Isolation unterscheiden. Auch hier gilt es, für einen gegebenen Standort einen Kompromiss zwischen hoher Effizienz und Kosten zu finden. Nach ca. ein bis zwei Jahren Betrieb hat eine heutige Sonnenkollektoranlage soviel Energie erzeugt, wie zu ihrer Herstellung benötigt wurde.

Moderne Solarkollektoren können einen hohen Anteil dessen, was in der Sonnenstrahlung steckt absorbieren und speichern.
In Zahlen: 1 m² verglaste Flachkollektoren erzeugt pro Jahr (Standort Mittelland)

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330 bis 540 kWh (Wassererwärmung)
• 250 bis 310 kWh (Wassererwärmung und Heizungsunterstützung)

Im Gegensatz zur Photovoltaik produziert die Solarthermie aufgrund des drei- bis viermal so grossen Wirkungsgrades bereits mit einer kleineren Fläche (4–6 m²) ausreichend warmes Wasser (50–60% Deckungsgrad) für eine vierköpfige Familie. Der relativ geringe Platzbedarf macht solche Anlagen bei begrenzter Dachfläche, z. B. einem Mehrfamilienhaus, interessant. Es ist heute mit vertretbarem Aufwand möglich, zu 100 Prozent solarbeheizte Einfamilien- oder Mehrfamilienhäuser zu bauen (Beispiel: Jenny Energietechnik). Die Effizenz einer thermischen Solaranlage kann durch Anpassungen auf der Verbraucherseite, z. B. einer Waschmaschine mit Warmwasseranschluss, weiter gesteigert werden.

Im Internet finden sich viele Informationen und Werkzeuge, die auch dem Laien erste Berechnungen erlauben (Beispiele: Solardachrechner von Swissolar, Solar-Toolbox des Technologieparks Wetzikon).
Die Swissolar hat einen Masterplan Solarwärme erarbeitet, um die Nutzung des brachliegenden Potenzials zu fördern.