Um zeitliche Schwankungen der Sonneneinstrahlung, z. B. aufgrund von Bewölkung oder unterschiedlichen Tageszeiten auszugleichen, bieten sich hybride Solarkraftwerkssysteme an. Diese können neben der Solarstrahlung einen zweiten Energieträger zur Wärmeerzeugung nutzen.

Sowohl fossile Brennstoffe wie Erdgas oder Erdöl als auch Wasserstoff, Methanol, Biogas oder flüssige biogene Brennstoffe wie z. B. Rapsöl kommen dafür in Frage. Diese Brennstoffe werden dann eingesetzt, wenn die Sonne keine ausreichende Leistung zur Verfügung stellt und dennoch eine Elektrizitätserzeugung erforderlich ist. Feste Brennstoffe wie Kohle, Müll oder Holzhackschnitzel sind dagegen weniger geeignet, da sie nicht ausreichend schnell regulierbar sind.

Grundsätzlich ist eine Hybridisierung bei Paraboloid-Anlagen, Solarturm- und Parabolrinnen-Kraftwerken möglich. In hybriden Solarturmkraftwerken lässt sich die Luft über einen Kanalbrenner mit anderen Brennstoffen erhitzen. Wenn Solarenergie in Gasturbinensysteme eingekoppelt wird, insbesondere in hocheffiziente Kombikraftwerke, bietet sich ein hohes Potenzial zur Kostenreduktion solarthermischer Stromerzeugung. Auch Parabolrinnen-Kraftwerke können über einen parallelen Dampferzeuger hybridisiert werden.

In allen Kraftwerksvarianten lassen sich darüber hinaus thermische Energiespeicher zur zeitlichen Pufferung der Wärmeströme integrieren, die entweder alternativ oder in Kombination mit der hybriden Wärmeerzeugung eingesetzt werden.

Ein Hauptvorteil des Hybridbetriebs ist die höhere Verfügbarkeit der elektrischen Leistung. Im Gegensatz zum reinen Solarbetrieb, dem Betrieb von Photovoltaik-Anlagen oder von Windkraftanlagen lässt sich durch den Hybridbetrieb eine Leistung zeitlich unabhängig garantieren. Durch Wärmespeicher kann der Einsatz von Brennstoffen für den Hybridbetrieb reduziert werden. Bei Verwendung sehr großer Speicher lässt sich eine garantierte Leistung auch ohne den Einsatz zusätzlicher Brennstoffe erreichen. Durch den Hybridbetrieb und den Einsatz von Speichern werden die Kraftwerkskomponenten zeitlich besser ausgelastet. Hierdurch reduzieren sich auch die spezifischen Stromerzeugungskosten gegenüber rein solaren Anlagen.

Aus ökologischer Sicht sind Hybridkraftwerke – insbesondere solche mit fossilem Beitrag – aber nur dann sinnvoll, wenn sie die Möglichkeit einer sukzessiven Erweiterung des Solaranteils bis hin zu hohen solaren Beiträgen offen lassen und zumindest der fossile Brennstoffeinsatz auf sinnvolle Maximalwerte begrenzt ist.