Photovoltaiksysteme ermöglichen die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie durch den Einsatz von Solarzellen. Im Jahr 2013 bestanden weltweit etwa 90 Prozent der hergestellten Solarzellen aus Silizium, während die übrigen 10 Prozent als Dünnschichtzellen produziert wurden. Wenn man mehrere Solarzellen in Reihe schaltet und sie in ein Gehäuse integriert, entstehen Solarmodule. Diese Technologie wird vielseitig genutzt, beispielsweise auf Hausdächern, in Taschenrechnern, Parkscheinautomaten, auf größeren Freiflächen und an Schallschutzanlagen.
Die Ursprünge der Photovoltaik liegen in der Raumfahrt, wo ab 1958 Solarmodule zur Energieversorgung von Raumfahrzeugen dienten. Solarmodule generieren grundsätzlich Gleichstrom mit einer geringeren Spannung. Um diesen Strom im Haushalt verwenden zu können, muss er mittels eines Wechselrichters in Wechselstrom umgewandelt werden. Bei geringerem Sonnenangebot, wie es im Winter der Fall ist, können Haushalte auf Strom aus dem Versorgungsnetz zurückgreifen, während im Falle eines Solarstromüberschusses dieser ins Netz eingespeist werden kann. Es gibt auch autarke Solaranlagen, die in nicht an das Stromnetz angebundenen Gebäuden wie Berghütten oder Ferienhäusern zum Einsatz kommen.
Solaranlagen sind ein Sammelbegriff, der sowohl thermische Solaranlagen zur Wärmegewinnung, thermische Solarkraftwerke zur Stromerzeugung oder Wärmenutzung als auch Photovoltaikanlagen umfasst.
Für die Installation von Photovoltaikanlagen sind Standorte mit einer hohen jährlichen Sonnenscheindauer besonders geeignet. Selbst bei schrägem Lichteinfall können Solarmodule effizient arbeiten. Während generell die Sonneneinstrahlung von Norden nach Süden zunimmt, gibt es auch regionale Unterschiede, die die Erträge beeinflussen. So sind beispielsweise die Regionen um die Ostsee herum sonnenreicher als andere Gebiete im Norden Deutschlands, wohingegen Teile des Ruhrgebiets und Westfalens weniger Sonnenschein erhalten. Bei der Montage von Anlagen gibt es zwei Optionen: die kostengünstigere Aufdachmontage, die auch für Nachrüstungen geeignet ist, sowie die teurere Indachmontage bei Neubauten, die allerdings Einsparungen bei der Dacheindeckung ermöglicht. Ein nach Süden ausgerichtetes Dach mit einer Neigung von 25 bis 50 Grad ist für die Installation einer Photovoltaikanlage ideal, wobei auch südwestliche oder südöstliche Ausrichtungen möglich sind. Eine Abweichung von der Südausrichtung kann unter Umständen durch eine Anpassung der Dachneigung kompensiert werden. Verschattungen können den Ertrag von Photovoltaikmodulen mindern. Auf Flachdächern lassen sich Module im optimalen Winkel aufstellen.
Die Preise für Photovoltaikanlagen haben sich in den letzten Jahren deutlich reduziert. Deutsche Solarmodule sind durchschnittlich etwa 30 Prozent teurer als asiatische Produkte, allerdings sollte auch die Qualität berücksichtigt werden. Die Anschaffungskosten einer Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 5 Kilowatt liegen derzeit für ein Einfamilienhaus zwischen 8.000 und 14.000 Euro inklusive Montage. Im Durchschnitt produziert eine solche Anlage jährlich 4.000 bis 4.500 Kilowattstunden Strom, was dem Verbrauch eines 3-Personen-Haushalts entspricht und geschätzte Stromkosten von etwa 1.200 Euro pro Jahr ausmachen kann. Die Lebensdauer einer Photovoltaikanlage beträgt 20 bis 40 Jahre bei geringem Wartungsbedarf. Viele Besitzer speisen überschüssigen Strom ins öffentliche Netz ein und erhalten dafür eine über 20 Jahre garantierte Einspeisevergütung vom lokalen Stromnetzbetreiber. Alternativ kann ein Batteriespeicher angeschafft werden, um Energie selbst zu speichern und zu nutzen. Hierfür steht das KfW-Förderprogramm 275 „Erneuerbare Energien – Speicher“ zur Verfügung, das einen günstigen Kredit und einen Zuschuss bietet.